（轮机工程专业论文）柴油机油底壳疲劳分析、寿命预测与优化设计方法的研究.pdf

1_-_ii，1i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：翟毕日期：2 辑 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) - 研究生( 签名) ：冱尘掌导师( 签名) ：至三型日期：丝! ! 辜! 且 l- 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 柴油机作为船舶的心脏占有举足轻重的地位，其目前的主要发展趋势就是 安全、可靠、轻量化的结构，因此进行柴油机结构疲劳寿命预测以及对其进行 优化设计成为一项迫切的任务和课题。 油底壳作为柴油机的一个重要组成部分，除起到机油散热的作用外，最主 要的作用还有储存润滑油和密封整个机体。油底壳的面积大且由薄钢板制成， 因此柴油机工作时，容易引起振动和噪声。同时在一些直角等应力集中的区域， 会产生应力疲劳，进而产生裂纹等，影响其寿命。 国内外对柴油机油底壳在动载荷作用下的动应力分析、结构疲劳强度以及 优化设计涉及的相对较少，主要原因是由于柴油机结构相对复杂，现场结构耐 久性试验费用昂贵，以及油底壳所受载荷和边界条件难以确定等。本文在中船 重工“船用柴油机固定件动应力计算分析与试验测试 项目的支持下，利用有 限元、多体动力学及测试理论，对柴油机固定件的动应力分别进行了计算分析 与试验测试，并在此基础上对柴油机油底壳进行了疲劳分析和寿命预测，继而 对其进行了结构优化设计等研究。具体研究内容如下： ( 1 ) 利用a d a m s 软件，采用模态叠加法对柴油机机体油底壳组合模型进 行动应力计算，主要包括几何建模，有限元计算，多体动力学仿真等，获得比 较精确的油底壳动应力( 动载荷) ，为后续的疲劳分析和寿命预测提供数据支撑。 ( 2 ) 对油底壳进行动应力的试验测试，和理论计算结果进行比较，完善有 限元模型，为下一步的计算分析奠定基础。 ( 3 ) 分析柴油机油底壳的疲劳类型，根据所计算的油底壳动态应力建立其 载荷谱，并根据其材料属性设置油底壳疲劳特性，在疲劳分析软件m s c f a t i g u e 中对其进行疲劳分析。 ( 4 ) 在油底壳疲劳寿命分析的基础上应用h y p e r w o r k s 软件的o p t i s t r u c t 模块对其进行拓扑优化和尺寸优化，在保证寿命的前提下减轻结构重量，以提 高其经济性，为生产厂家提供参考。 关键词：油底壳，有限元，动应力分析，疲劳寿命预测，结构优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i e s e le n g i n ea st h eh e a r to fas h i po c c u p i e sap i v o t a lp o s i t i o n ，t h ec u r r e n tm a i n t r e n do fi t s d e v e l o p m e n ti ss a f e ，r e l i a b l e ，l i g h t w e i g h ts t r u c t u r e t h e r e f o r e ，t h e p r e d i c t i o nt ot h es t r u c t u r a lf a t i g u el i f ea n dt h es t u d i e so fi t so p t i m i z a t i o nd e s i g n b e c o m ea nu r g e n tt a s k o i lp a na sa i li m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h e d i e s e le n g i n e ，i t sm a i nf u n c t i o ni s s t o r i n gl u b r i c a n t sa n ds e a l i n gt h ee n t i r eb o d y , i na d d i t i o nt oc o o l i n gt h ee n g i n eo i l o i l p a n 。sa r e ai sl a r g ea n di sm a d eo ft h i ns t e e lp l a t e ，i te a s i l yc a u s ev i b r a t i o na n dn o i s e w h e nad i e s e le n g i n ei sw o r k i n g m e a n w h i l e ，i ns o m es t r e s sc o n c e n t r a t i o na r e a s ，l i k e r i g h ta n g l e s ，e t c ，s t r e s sf a t i g u ew i l lh a p p e n ，r e s u l t i n gi nc r a c k sa n dr e d u c t i o no fi t s 1 i f e u n d e rt h ec o n d i t i o no f d y n a m i cl o a d i n g ，t h es t u d yo fd i e s e le n g i n eo i lp a ni nt h e a s p e c t so fd y n a m i cs t r e s sa n a l y s i s ，s t r u c t u r a lf a t i g u es t r e n g t ha n dt h eo p t i m a ld e s i g n i sr e l a t i v e l yl e s sa th o m ea n da b r o a d ，m a i n l yd u et oi t sc o m p l e xs t r u c t u r e ，e x p e n s i v e o n - s i t es t r u c t u r a ld u r a b i l i t yt e s t i n g ，a n dt h ed i f f i c u l ta s c e r t a i n m e n to fl o a d st h a tt h e s h e l li sb e a r i n ga n do ft h e b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，e t c i nt h i sp a p e r , t h ep r o j e c t d y n a m i cs t r e s sa n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lt e s to fm a r i n ed i e s e le n g i n em o u n t i n g s ”i s s u p p o r t e db yc s i c b a s e do nf i n i t ee l e m e n t ，m u l t i - b o d yd y n a m i c sa n dt e s t i n gt h e o r y , t h ed i e s e le n g i n eo i l p a ni sa n a l y z e df o rd y n a m i cs t r e s sc a l c u l a t e da n de x p e r i m e n t a l t e s t ，t h i st h e s i sf o c u s e so nf a t i g u ea n a l y s i sa n dl i f ep r e d i c t i o no fd i e s e le n g i n eo i lp a n , a n da f t e r w a r d s ，d e v o t i n gt ot h eo p t i m u md e s i g no fi t ss t r u c t u r e s p e c i f i cc o n t e n t sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do na d a m ss o f t w a r e ，u s i n gt h em o d es u p e r p o s i t i o nm e t h o d ，d y n a m i c s t r e s so fe n g i n eb l o c ka n do i lp a nc a l c u l a t i o nm o d e li sc o m b i n a t e d ，m a i n l yi n c l u d i n g g e o m e t r i cm o d e l i n g ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m u l t i b o d yd y n a m i cs i m u l a t i o n ，e t c ， t r y i n gt of i n do u tt h ed y n a m i cs t r e s s ( d y n a m i cl o a d ) o fo i lp a n ，o f f e r i n gd a t as u p p o r t f o rs u b s e q u e n tf a t i g u ea n a l y s i sa n dl i f ep r e d i c t i o n ( 2 ) t h ed y n a m i cs t r e s st e s t i n go ft h eo i lp a n ，c o m p a r i n gt h er e s u l to f w h i c hw i t h t h e o r e t i c a lr e s u l t s ，i no r d e rt oi m p r o v et h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rt h en e x ts t e po f c a l c u l a t i o n ，i 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) a n a l y z i n gt h ef a t i g u et y p eo fd i e s e le n g i n eo i lp a n ，e s t a b l i s h i n gi t sl o a d s p e c t r u ma c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t e dd y n a m i cs t r e s s ，a n ds e t t i n gt h ef a t i g u ep r o p e r t i e s o fo i lp a ni na c c o r d a n c ew i t l li t sm a t e r i a lc h a r a c t e r , a n dt h e nc a l c u l a t i n gi t sf a t i g u e c o n d i t i o nt h e o r e t i c a l l yw i t ha s s i s t a n c eo ff a t i g u ea n a l y s i ss o f t w a r em s c f a t i g u e ( 4 ) b a s e do no p t i s t r u c tm o d u l eo fh y p e r w o r k ss o f t w a r e ，t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n a n ds i z eo p t i m i z a t i o no nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fi t sf a t i g u e l i f e ，r e d u c i n gi t s w e i g h tu n d e rt h ep r e m i s eo fe n s u r i n gt h eg a r r e n t e e dl i f e ，i no r d e rt oi m p r o v ei t s e c o n o m i c a le f f i c i e n c ya n dp r o v i d eau s e f u lr e f e r e n c et om a n u f a c t u r e r s k e y w o r d s ：o i lp a n ， f i n i t ee l e m e n t ，d y n a m i cs t r e s s a n a l y s i s ，f a t i g u el i f e p r e d i c t i o n ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n i i i 一 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 研究的目的和意义1 1 2 所选课题的题目及课题来源2 1 3 国内外研究现状2 1 3 1 疲劳寿命预测2 1 3 2 结构优化设计4 1 3 3 研究中存在的问题6 1 4 本论文的研究内容6 1 5 本章小结。7 第2 章有限元法及其分析软件平台8 2 1 有限元法? 8 2 1 1 有限元法特点8 2 1 2 有限元法分析流程9 2 2a n s y s 软件。10 2 3m s c p a t r a n 软件1o 2 4m s c f a t i g u e 软件1 1 2 5a l t a i p j o p t i s t r u c t 软件13 2 6 本章小结1 4 第3 章多体动力学理论及其分析软件平台1 5 3 1 多体动力学理论15 3 2m s c a d 剐s 软件介绍1 6 3 2 1m s c a d a m s 的主要特点1 7 3 2 2a d a m s e n g i n e ( 发动机设计模块) 18 3 3 本章小结l 9 第4 章油底壳动应力分析与试验测试2 0 4 1 柴油机油底壳的动应力计算分析2 0 4 1 1 机体、油底壳模型的修改和装配2 l 4 1 2 柔性化处理2 6 4 1 3 在a d a j v s e n g i n e 中进行刚柔混合及仿真3 4 i v j 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 柴油机油底壳动应力的试验测试5 4 4 2 1 应力试验测试的方法和系统5 4 4 2 2 实验步骤5 6 4 2 3 测点布置5 6 4 2 4 数据处理5 9 4 3 理论计算与试验测试结果比较5 9 4 4 本章小结6 5 第5 章柴油机油底壳的疲劳寿命预测6 6 5 1 疲劳理论6 6 5 1 1 疲劳的特点6 6 5 1 2 疲劳分析方法一6 7 5 1 3 疲劳分析的基本步骤6 8 5 2 疲劳计算6 9 5 2 1 柴油机油底壳有限元模型6 9 5 2 2 载荷谱的确定6 9 5 2 3 油底壳材料的疲劳特性7 2 5 2 4 油底壳疲劳分析结果7 3 5 3 本章小结7 4 第6 章柴油机油底壳的结构优化设计7 5 6 1 结构优化设计理论7 5 6 1 1 基本概念7 5 6 1 2 基本方法一7 6 6 1 3 基本步骤7 8 6 2 结构优化设计7 8 6 2 1 建立优化模型7 8 6 2 2 优化求解8 0 6 2 3 优化结果分析。8 1 6 3 本章小结8 8 第7 章总结与展望8 9 7 1 结论8 9 7 2 创新点9 0 7 3 展望9 0 参考文献9 1 致谢9 4 攻读硕士学位期间所发表的论文9 5 v o j 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章论述课题“柴油机油底壳疲劳分析、寿命预测及优化设计方法的研究” 的研究目的与意义，介绍国内外的研究现状，提出研究方案，确定研究工作步 骤。 1 1 研究的目的和意义 对于运输、矿山、冶金、动力机械以及航空航天飞行器等，疲劳失效是其 零件或构件的主要失效形式。据统计，机械零件破坏的5 0 - 9 0 为疲劳破坏， 特别是随着机械零件向大型化、复杂化和高温、高速使用环境的方向发展，随 机因素增加，疲劳破坏更是层出不穷，因此关于疲劳破坏问题的研究得到了极 大的关注，尤其对于承受交变应力的设备，疲劳分析在设计中占有重要的地位， 所以零件、构件以至设备的寿命、可靠性等成为国内外市场上产品竞争的重要 指标，其中重点为疲劳寿命的预测。 但是随着工程技术的不断发展，疲劳寿命预测并不是工程设计的最终目的， 它大多是为后续的结构优化设计而服务的。结构优化设计的目的在于寻求既安 全又经济的结构形式，而结构形式包括了关于拓扑、尺寸和形貌等信息。对于 试图产生超出设计者经验的有效的新型结构来说，优化是一种很有价值的工具。 它所解决的问题从减轻结构重量扩展到降低应力水平、改进结构性能和提高安 全寿命等方面p 。 目前，随着国际贸易和海洋业的迅猛发展，船舶工业在国民经济中的地位 越来越高，而柴油机作为船舶的心脏占有举足轻重的地位，其目前的主要发展 趋势就是安全、可靠、轻量化的结构，因此柴油机结构疲劳寿命预测以及对其 进行优化设计研究成为一项迫切的任务和课题。 油底壳作为柴油机的一个重要组成部分，除起到机油散热的作用外，最主 要的作用还有储存润滑油和密封整个机体。油底壳的面积大且由薄钢板制成， 因此柴油机工作时，在激励力作用下会产生比较大且复杂的振动，是引起其疲 劳和噪声的重要来源之一。同时油底壳由于其较薄的壁，以及有一些直角等应 力集中的区域，在长时间的振动等交变载荷作用下，会产生应力疲劳，从而在 武汉理工大学硕士学位论文 应力较集中区域产生裂纹等，影响其寿命。为了保证油底壳有足够的强度和刚 度，使其在要求的使用期限内可靠的工作，同时又能使体积和重量尽可能的合 理，因此，有必要在设计阶段对柴油机油底壳的结构进行优化设计。所以本文 在柴油机固定件的动应力计算分析基础上，对柴油机油底壳进行疲劳分析和寿 命预测，继而对其进行结构优化设计具有重要意义卜6 1 。 1 2 所选课题的题目及课题来源 课题题目：柴油机油底壳疲劳分析、寿命预测与优化设计方法的研究； 课题来源：中船重工“船用柴油机固定件动应力计算分析与试验测试”项 目。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 疲劳寿命预测 疲劳问题的产生可以追溯到1 9 世纪初期。第一次工业革命以后，随着蒸汽 机和机动运载工具的迅猛发展以及机械设备的广泛应用，一种特殊的破坏经常 在运动部件上发生，它一般发生在零部件的截面突变或拐角处，而其破坏处的 名义应力低于材料的屈服极限和抗拉强度，并不是很高。对于这种破坏的原因 一直不清楚，直到1 8 2 9 年，一位名叫a l b e r tw a s 的德国采矿工程师进行了第 一次破坏试验，才初步阐明了这种名义应力不高的运动部件发生破坏的原因； 1 8 3 9 年，法国工程师p o n c e l e tj v 首次使用“疲劳”这一术语来描述这种运动件材 料在循环载荷作用下，其承载能力逐渐耗尽以致最后断裂失效的现象；1 8 4 2 年 凡尔赛附近铁路发生的事故调查是第一个有详尽文字记载的金属疲劳研究工 作；1 8 4 3 年，一位英国铁路工程师r a n k i n ew j m 发表了第一篇疲劳论文，但德 国工程师w o h l e r 却是首先对疲劳现象进行系统研究的，他在1 8 5 0 年设计出了第 一台用来进行机车车轴的疲劳试验疲劳试验机( 又称为w o h l e r 疲劳试验机) ，并 在其1 8 7 1 年发表的论文中，w o h l e r 首次系统论述了疲劳寿命与循环应力的关系， 确定了应变幅是疲劳破坏的主要因素，提出了疲劳极限和s - n 曲线的概念等。 因此w o h l e r 被誉为“疲劳试验之父”。 众所周知，疲劳分析理论的研究是一个包含多学科的研究分支，它可以为 2 亡 月 武汉理工大学硕士学位论文 基础工业研究提供大量科学依据。目前，国内外从力学、材料科学、结构强度 等不同角度对疲劳破坏进行了研究，都取得了一定成果。其中在材料的疲劳特 性方面，国内外很多学者对不同应用领域的不同材料做了大量的疲劳研究工作， 因为确定材料的疲劳性能参数是疲劳分析的一个重要工作。 在1 8 7 0 年到1 8 9 0 年间，根据w o h l e r 的数据，德国工程师g e r b e rw 研究了 平均应力对疲劳的影响，表达平均应力和极限应力幅之间关系的抛物线方程， 称为g e r b e r 曲线( 又称g e r b e r 抛物线方程) 。1 8 9 9 年，一个名叫g o o d m a n 的英 国人对疲劳极限线图进行了简化，提出了著名的简化曲线，即g o o d m a n 曲线。 1 8 8 4 年，b a u s c h i n g e rj 在验证w o h l e r 的疲劳试验时引入了应力应变迟滞回线 的概念，又称b a u s c h i n g e r 效应，它从本质上确认了循环应变硬化和循环应变软 化的出现。 1 9 2 0 年，英国人d o u g h h j 在伦敦出版了一本金属疲劳的巨著，与此同 时，g r i f f i t ha a 提出了著名的s - n 关系式。1 9 2 9 年，美国人p e a r s o nr e 提出 了应力集中系数的理论值。1 9 3 7 年，德国人n e u b e r h 在缺口疲劳问题中引入了 “体素( t i s s u e ) ”和“应力梯度( s t r e s sg r a d i e n t ) ”的概念。在4 0 年代，前苏联人 c e p e h c e hc b 推导出了常规设计的计算公式，并根据公式，提出了两种常规的 抗疲劳设计准则：无限疲劳寿命设计和有限疲劳寿命设计。 5 0 年代后，关于疲劳试验研究工作得到了更快的发展，其中在低周疲劳方 面，1 9 5 4 年在大量的疲劳试验的基础上，美国航空和航天管理局( n a s a ) 的研 究人员提出了表达塑性应变范围和疲劳寿命间关系的m a n s o n - c o f f i n 方程，从此 奠定了低周疲劳的基础。 在疲劳试验方面，5 0 年代研制出了闭环控制的电液伺服疲劳试验机，6 0 年 代随着大规模集成电路的出现，制造出了能够模拟零部件服役载荷工况的随机 疲劳试验机。 此外，基于损伤力与学断裂力学方法的疲劳分析研究也取得了一定的进展。 疲劳分析理论在许多领域得到了广泛应用，比如应用在航天、航空、桥梁、船 舶、汽车以及各种机械设备的结构设计中。 疲劳分析理论的研究是- - f 综合学科，随着科学技术的不断进步，疲劳分 析的方法也在不断地发展。在疲劳累积损伤理论的基础上逐步提出了名义应力 法、应力场强法、局部应力应变法等多种疲劳的分析方法。与此同时，针对不 同的应用场合，又提出了相应的疲劳设计准则，包括有限无限寿命设计准则、 损伤容限设计准则、安全寿命设计准则等。到了二十世纪8 0 年代，以控制疲劳 3 武汉理工大学硕士学位论文 寿命为目标的耐久性设计的概念被提出并逐渐形成，是2 l 世纪疲劳断裂控制研 究的一个重要发展方向。当今，疲劳分析理论己经在生产实践中得到了广泛地 应用，并在应用的过程中，其理论水平、应用范围也在不断地发展1 。 相对于其他应用领域，柴油机油底壳的疲劳寿命分析研究的较少。国内的 蔡达威、许俊华卜1 等利用肉眼及电子扫描等方式对油底壳失效后宏观和微观 的材料金相结构进行分析，在油底壳的选材上给厂家提供了有益的参考。郝志 勇“，丁华利刮等利用有限元技术对油底壳进行了噪声控制和疲劳的研究。 1 3 2 结构优化设计 结构优化设计是设计概念与方法的一种革命，它用系统的、目的定向的和 具有良好标准的过程与方法来替代传统的试验纠错式的手工方法。优化设计的 目的是寻求最好或最合理的设计方案，而优化方法便是达到这一目的的手段。 对大多数现实问题而言，虽然由于耗费资源( 比如时间、费用等) 过于巨大，“最 好”的不一定能实现，但是它可以提供了一种指导思想与标准，形成概念框架( 如 问题识别、定义、模型化、求解与评价) 和运作手段。优化方法还可以被应用 于其他问题的处理上，只要该问题存在有多种解决方案，因此它是帮助决策和 求解问题的有效手段与工具”。 结构优化设计从从史密特( s c h m i t ) 用数学规划来解决结构优化设计算起已 有4 0 年历史，如果从马克斯威尔理论( m a x w e l l ，1 9 8 0 ) 和米歇尔( m i c h e l l ，1 9 0 5 ) 的桁架出现算起更是有百年，特别是过去3 0 年内，在理论、算法和应用方面都 取得了长足的发展。仅从专门期刊，如s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，e n g i n e e r i n g o p t i m i z a t i o n ，j o u r n a lo fo p t i m i z a t i o nt h e o r ya n da p p l i c a t i o n s 等，有关学术会议和 公开出版的著作等方面不完全的统计来看，已发表的综述达1 5 0 余篇，专著2 5 0 本，有关优化论文超过1 0 0 0 0 篇，其中上千篇探讨了基于可靠度的优化和优化程 序引。 目前，结构优化设计的应用领域已经从航空航天扩展到桥梁、水利、建筑、 船舶、汽车、机械等更广泛的工程领域。例如，顾元宪等用微机辅助结构优化 设计系统( m c a d s ) 进行了管道连接和变形补偿的波纹管即膨胀节的形状优化、 平面膜板的开孔形状优化、火车车轮断面和航空发动机涡轮盘形状优化。陈汝 训等采用数值解法对火箭发动机壳体的封头进行了形状优化。薛玺成等对地下 洞室断面形状的优化计算方法进行了探讨。k o e t s uy a m a z a k i 等对三维连杆的边 4 武汉理工大学硕士学位论文 界形状和开孔用边界元法进行了优化。g a t e s 等对航天器中的内有肋板、外有撑 架的柱形三维壳体结构和丁字形托架进行了形状优化。张海南、朱伯芳等先后 对双曲拱坝进行了形状优化等。罗志军等根据遗传算法优化了雷达天线罩进行 结构壁各层厚度。宋天霞等对水轮机顶盖的板壳结构进行了选型优化设计。张 文元等用遗传算法对空间2 5 杆桁架的杆截面进行了尺寸优化。目前，优化的应 用研究还扩大到环境监控与生态保护、国土开发与资源利用以及海洋工程等领 域，并且作为一种技术手段用于解决诸如工程反分析、系统辨识等问题p 1 。 由于结构优化设计给工程界带来的可观的经济效益，计算机硬件的进一步 改善和普及以及近年来有限元研究和应用的相对成熟，人们对结构优化设计的 研究和应用呼声越来越高了，对这一现代技术的需求，无论国内还是国外都有 明显增长的趋势。随着设计技术的更新和产品竞争的加剧，相信结构优化设计 将会有更大的发展。 结构优化设计具体在船舶领域的研究起步较晚，而且大多数是在船体方面。 6 0 年代中期，m o e 等发表了关于汽车运输船甲板优化的论文，首次把数学规划 论应用于船舶结构领域，标志着船舶结构设计思想的重大飞跃。我国是从7 0 年 代末才开始进行舶结构优化设计方面的研究，比国外晚了1 0 年多。 迄今为止，虽然依据经验和规范的设计仍然占主导地位，但是使用数学规 划的理论和方法已经能解决许多船舶结构优化问题。在当前的船舶设计过程中， 国内外曾有不少文献讨论了船舶结构优化，但大多数只是针对船体的局部结构， 如船舶舱口形状、剖面结构等。而对于整体结构的优化往往是采用参数化建模， 但模型简单，和真实船体结构相比误差较大，其优化结果在实船中的应用也不 够充分。目前国内外很多学者致力于形状优化、遗传优化和模糊优化方面的研 究，使构件尺寸优化向形状优化、传统优化向遗传优化、确定性优化向模糊优 化深入发展，并取得了不少成果1 1 6 1 。 在柴油机方面，研究较多的是曲轴的优化。在油底壳等薄壁结构的优化方 面，国内也有学者做这方面的研究，比如天津大学的舒歌群【1 7 】等利用h y p e r w o r k s 以提高油底壳固有频率为目的对其进行结构优化；浙江大学的郝志勇、王玉兴 1 1 8 1 ，广西大学的罗光缉、卢祥林【1 9 l 等以降低内燃机噪声为目的对油底壳等薄壁 结构进行了优化设计研究。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 研究中存在的问题 传统的疲劳分析理论计算，大多是先对其进行力学分析，找到载荷作用下 各部件结构薄弱部位的应力和应变( 对于承受不同的载荷、具有不同的结构形 式的零部件，很多文献都提供了近似计算公式) ，并将其作为载荷谱。但工程实 际中由于零部件受力往往较复杂，近似计算的结果与零部件的真实情况相差较 大。而有限元法则可以根据线弹性结构准静态情况下的有限元分析结果对结构 进行受力和变形分析，并结合材料的s - n 曲线对构件进行结构疲劳分析，这种 方法随着有限元的发展和计算机技术而逐渐成熟。该方法比较简单，参考相关 疲劳设计的标准和手册即可。但缺点是由于采用各向动载荷系数的准确性较难 把握，可能对分析结果的准确度有较大的影响；而且这种方法只能确定结构的 疲劳寿命是否满足基本的疲劳设计要求，不能具体预测结构疲劳的寿命时间等 1 2 0 - 2 3 o 根据国外相关文献的研究表明，简单的将静强度分析结果或者是静态的测 试载荷结果直接延伸到整体部件的疲劳强度研究会导致较大的偏差，根本原因 就是大多数实际结构发生的疲劳主要是由随机动态载荷作用而导致的。同时又 由于结构的耐久性试验费用非常昂贵和试验周期较长，近年来，国外已经将多 体系统动力学分析手段逐步引入产品的结构疲劳设计，这样不仅可以利用动力 学仿真计算出结构的动态载荷，较真实的反映构件的受力情况，而且可以部分 代替耐久性试验，取得了较好的效果。 国内外对柴油机油底壳在动载荷作用下的动应力分析、结构疲劳强度以及 优化设计涉及的相对较少，主要原因是由于柴油机结构相对复杂，现场结构耐 久性试验费用昂贵，以及油底壳所受载荷和边界条件难以确定等。而如果仅通 过施加常幅设计载荷谱将静强度分析结果直接应用在油底壳的疲劳强度评估， 虽然方法简单，但会产生严重的偏差，这是因为实际工作中的油底壳承受的主 要是随机的动载荷。所以本文在柴油机固定件的动应力计算分析基础上，对柴 油机油底壳进行疲劳分析和寿命预测，继而对其进行结构优化设计具有重要意 义倘l 。 1 4 本论文的研究内容 本文应用有限元、多体动力学和优化设计理论，以柴油机油底壳为研究对 6 一 a 一 武汉理工大学硕士学位论文 象，利用p r o e 、m s c p a t r a n 、m s c a d a m s 、m s c f a t i g u e 和h y p e r w o r k s 等软 件进行系统的分析计算，内容涉及模型的建立、有限元分析及动应力的理论计 算、动应力的实验测试、疲劳分析与结构优化设计等，详细内容如下： ( 1 ) 利用a d a m s 软件，采用模态叠加法对柴油机机体油底壳组合模型进 行动应力计算，主要包括几何建模，有限元计算，多体动力学仿真等，为疲劳 分析和寿命预测提供数据支撑。 ( 2 ) 对油底壳进行动应力的试验测试，主要有动应力测试方法的选取，测 试系统的建立，数据采集以及数据处理等，并和理论计算结果进行比较，完善 有限元模型，为下一步的计算分析奠定基础。 ( 3 ) 分析柴油机油底壳的疲劳类型，根据所计算的油底壳动态应力建立其 载荷谱，并根据其材料属性设置油底壳疲劳特性，在疲劳分析软件中对其进行 疲劳分析。 ( 4 ) 在油底壳疲劳寿命分析的基础上，通过油底壳的优化变量设置，优化 目标及约束的建立，对其进行结构优化，以提高其经济性，为生产厂家提供参 考。本文采用拓扑及尺寸优化两种类型，并对结果进行比较。 1 5 本章小结 本章阐述了柴油机油底壳疲劳分析、寿命预测及优化设计方法的研究目的 和意义，进而分析了本课题的国内外研究现状，并总结了一些在求解柴油机油 底壳所受载荷方面的不足，最后确定了本文的研究内容。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章有限元分析法及其软件平台 在实际工程应用中，如机械零部件的疲劳寿命计算，优化设计等，这些弹 性结构在实际条件下多为复杂结构，无法用简单的解析方法来求解其振动响应。 另外，解析方法也不能精确地求解结构修改后结构特征频率所发生的变化。但 是有限元法的应用为这些问题的解决提供了良好的工具，其应用日益广泛。 2 1 有限元分析法 有限元分析法是根据变分原理来求解数学问题的一种数值方法川。从上世 纪5 0 年代提出该方法以来，随着数值分析方法、矩阵论、特别是计算机科学与 技术的发展，无论在理论研究还是应用上，有限元法都取得了巨大进步。它从 最初的固体力学领域拓展到了电磁学、传热学、流体力学、声学等领域，从简 单的静力学分析发展到了动态分析、非线性分析、多物理场耦合分析等复杂问 题的计算，目前有限元法已成为最为有效、应用最广的数值分析方法之一，成 为计算机数值模拟中的一种重要手段。现在广泛应用于航空航天、机械、电子、 船舶、汽车、建筑以及石油化工等领域。利用有限元、有限差分、边界元的思 想设计出很多计算机辅助工程( c a e ) 软件，主要有n a s t r a n 、a n s y s 、i - d e a s 、 c o s m o s 、a b a q u s 和m a r c 等。 有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题，然后再对其求解。它将求解 域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，其计算过程是对每一单元假 定一个合适的或较简单的近似解，然后推导并求解这个域所有的满足条件。由 于实际问题被较简单问题所代替，所以得到问题的解是一个近似解。由于大多 数实际问题难以得到准确解，而有限元相对于其他算法不仅计算精度高，而且 能适应各种复杂形状，因此有限元分析法成为工程分析行之有效的手段。 2 1 1 有限元分析法的特点 ， 有限元分析法在实际工程中有许多优点，其中主要有以下几个方面： ( 1 ) 概念比较浅显，容易入门和掌握。 ( 2 ) 该方法具有很强的适用性，几乎可用于求解所有的连续介质和场的问 8 a 一 武汉理工大学硕士学位论文 题。它不仅能处理应力分析中的非线性应力应变关系，非均质材料的问题， 而且还能处理各向异性材料以及复杂边界条件等难题，除此之外还能用来求解 热传导、流体力学以及电磁场等领域的问题，应用范围非常广泛。 ( 3 ) 该方法采用矩阵的形式，对于计算机程序的编制提供了较大的便利， 因此可以充分利用高性能计算机来缩短计算时间。因此在工程技术领域中，几 乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可采用有限元法来求得较满意的结 果。 2 1 2 有限元法分析流程 对于不同数学模型和物理性质的问题，有限元求解法的步骤是基本相同的， 有时仅是具体的运算求解和公式推导不同而已。有限元求解的通常步骤为： ( 1 ) 问题及求解域的定义：根据实际问题近似确定求解域的几何区域和物 理性质。 ( 2 ) 求解域的离散化：将求解域近似为有不同大小和形状且彼此相连的有 限个单元所组成的离散域，俗称为有限元网络划分。显然单元体积越小，则离 散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差也都随之增大，因 此求解域的离散化( 有限元网格化) 是有限元法的核心内容之一。 ( 3 ) 确定状态变量：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变 量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价 的泛函形式，推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单 元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵。 ( 4 ) 为保证求解问题的收敛性，单元推导时有许多原则要注意。对工程应 用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。如，单元形状尽可能 的规则，因为畸形单元不仅精度低，而且有缺秩的危险，导致无法求解等。 ( 5 ) 总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程，反映出对近似求解 域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定条件。总装是在相邻单元 结点进行，可能的话，状态变量及其导数连续性建是立在结点处。 ( 6 ) 联立方程组求解和结果的解释：有限元法最终是求解联立方程组。联 立方程组的求解可用直接法、随机法和选代法等。求解结果是单元结点处状态 变量的近似值。对于计算结果的质量校核，需要与设计准则所提供的允许值进 行比较来评价，然后确定是否需要重新计算。 9 武汉理工大学硕士学位论文 简而言之，有限元分析法可分成三个大的阶段：前置处理，计算求解， 后置处理。前置处理的任务主要是建立有限元模型，完成单元网格划分；后 置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便地提取信息，了解计算结果等。 2 2a n s y s 软件 a n s y s 软件是融结构、热、声学、流体、电磁于一体的大型通用有限元分 析软件，是由世界上最大的有限元分析软件公司，美国a n s y s 所开发，它能与 大多数c a d 软件进行接口，实现数据的交换和共享，如p r o e n g i n e e r ，i - - d e a s ， n a s t r a n ，a u t o c a d ， a l o g o r 等，是现代产品设计中的高级助手。 a n s y s 软件可广泛的用于航空航天、核工业、国防军工、电子、能源、石 油化工、机械制造、交通运输、水利、土木工程、生物医学、日用家电等工业 的科学研究。该软件