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柴油机部分零部件刚度计算

罗国良康明明李京鲁季炳伟许成李伟

（潍柴动力股份有限公司）

摘要：本文简单叙述了运用ABAQUS计算柴油机曲轴、活塞、气门等零部件刚度的步骤和方法，说明ABAQUS软件在潍柴

柴油机研发中的应用。

关键词：柴油机零部件ABAQUS刚度

1.前言

刚度是指结构抵抗变形的能力，刚度问题是工程上重点关注的问题之一，刚度计算可以用来直接评价或校

核结构设计，也可以为其它后续分析提供输入数据。在柴油机设计中，计算曲轴、活塞、气门等零部件的刚度主

要为后续分析提供输入数据，本文中叙述了采用ABAQUS软件计算这些零部件刚度的目的和详细方法。

2.曲轴单拐刚度计算

2.1简介

曲轴单拐刚度是曲轴扭振分析和减振器设计的主要输入参数。因曲拐往往结构复杂，其刚度计算无法直接

采用材料力学公式，以往常采用经验公式，但各种经验公式都是根据有限的曲轴数据归纳得到的，有一定的适用

范围，现在广泛采用有限元方法或试验测试来获得曲拐的刚度。

2.2计算

将单位曲拐一端固定住，在另一端施加扭矩M，会使曲拐发生扭转变形，角度为θ，M/θ的值即是曲拐的

刚度，参见图1。

图1曲拐刚度物理意义示意图

计算过程为：（1）导入三维几何模型；（2）设置材料参数：45钢，弹性模量：210GPa，泊松比：0.3。

（3）在曲轴主轴颈端面中心建立一参考点，将其和该主轴颈端面刚性连接起来，用于施加扭矩并获得该点旋转

自由度，如图2；并在该参考点施加轴向扭矩M=1000N.mm（大小可随意）。（4）固定曲轴另一主轴颈端面。

（5）划分网格，运算后测取前述的参考点处扭转角度θ（曲轴轴向旋转自由度的值）。（6）利用公式S=M/θ

计算曲拐刚度，即S=1000/8.60682e-7=1.16e9(N.mm/rad)。

图2曲拐刚度计算的边界条件和结果

3.活塞径向刚度计算

3.1简介

活塞刚度表示活塞某一区域在外载作用下的弹性变形能力，它会影响活塞的运动状态和受力状态。此处叙

述如何用有限元技术来计算活塞的径向刚度，为AVL活塞动力学分析软件提供输入条件，当然，采用的别的软

件也可以参照同样的方式来考虑活塞的径向刚度。

活塞的径向刚度可采用刚度矩阵来描述，即（1）从主推力侧开始，每隔一定角度选取一个截面，在活塞侧

面与截面相交线上选取一定数目的点并从下至上进行编号，参见图3；（2）在第i个点和对面对应点上施加力

Fi，测量其它点的径向位移，参见图4，然后将其按照一定的格式写成刚度文件。

图3计算活塞刚度的测点编号

图4活塞刚度矩阵构成及其意义示意图

3.2计算过程

（1）导入三维几何模型，如有非法的几何，则应修补几何模型；（2）设定活塞材料参数，弹性模量：

80000MPa，泊松比0.27；（3）划分网格，在测点附近划分出均匀的网格以便于施加力，并在通过主推力侧的

截面及与其垂直的截面上布置节点，即划成网格的对称面，单元类型可采用C3D10，如图5。（4）建立并施加

柱坐标系（原点，气缸中心线与活塞销轴线交点；Z轴：气缸中心线；R轴：活塞销中心线），约束燃烧室凹坑

节点的Z轴向自由度，约束上述两网格对称面节点的Z轴旋转自由度，建立一系列分析步，逐个分析上述各个

测点上施加径向力后活塞的径向变形情况，参见图6；（5）测取各分析步的各测点的径向变形，参见图7；

（6）将结果和施加力情况按模板格式写成刚度文件。

图5网格划分示意

图6边界条件示意图

图7第1点和第2点施加径向力时活塞径向位移云图

4.气门刚度计算

4.1简介

气门机构刚度是气门机构动力学计算的输入数据，用于考察是否出现从动件飞脱和气门反跳现象，本文中

只叙述其中一个部件即气门的刚度的计算过程。

在气门机构动力学计算过程中，常将气门考虑成气门杆和气门盘两个部分，两者的截断面常选在整个气门

杆部的一半长度处。因此，气门刚度计算也分成气门杆刚度和气门盘刚度计算两个部分。

4.2气门杆刚度计算

气门杆刚度表示固定气门杆上端面，气门杆下端面产生单位位移所需要的拉力。计算过程是：（1）导入气

门杆模型，设置材料参数，弹性模量：210GPa，泊松比0.3，划分网格。（2）约束气门杆上端面节点，在气门

杆下端面施加均布面压100MPa；（3）计算测取杆端面产生的位移S=0.02765mm；（4）计算刚度：

K=P*pi*d*d/(4*S)=228549.2N/mm。

图8气门杆刚度计算的模型和结果

4.3气门盘刚度计算

气门盘刚度表示固定气门盘下阀面，气门杆端部产生单位位移所需要的拉力。计算过程是：（1）导入气门

盘模型，设置材料参数，弹性模量：210G