柴油机油底壳疲劳分析、寿命预测与优化设计方法的研究

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ADAMS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MSC.Fatigue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HyperWorks软件的Optistruct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。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪 论

1.1 研究的目的和意义

1.2 所选课题的题目及课题来源

1.3 国内外研究现状

1.3.1 疲劳寿命预测

1.3.2 结构优化设计

1.3.3 研究中存在的问题

1.4 本论文的研究内容

1.5 本章小结

第2章 有限元法及其分析软件平台

2.1 有限元法

2.1.1 有限元法特点

2.1.2 有限元法分析流程

2.2 ANSYS软件

2.3 MSC.PATRAN软件

2.4 MSC.FATIGUE软件

2.5 ALTAIR/OPTISTRUCT软件

2.6 本章小结

第3章 多体动力学理论及其分析软件平台

3.1 多体动力学理论

3.2 MSC.ADAMS软件介绍

3.2.1 MSC.ADAMS的主要特点

3.2.2 ADAMS/ENGINE(发动机设计模块)

3.3 本章小结

第4章 油底壳动应力分析与试验测试

4.1 柴油机油底壳的动应力计算分析

4.1.1 机体、油底壳模型的修改和装配

4.1.2 柔性化处理

4.1.3 在ADAMS/ENGINE中进行刚柔混合及仿真

4.2 柴油机油底壳动应力的试验测试

4.2.1 应力试验测试的方法和系统

4.2.2 实验步骤

4.2.3 测点布置

4.2.4 数据处理

4.3 理论计算与试验测试结果比较

4.4 本章小结

第5章 柴油机油底壳的疲劳寿命预测

5.1 疲劳理论

5.1.1 疲劳的特点

5.1.2 疲劳分析方法

5.1.3 疲劳分析的基本步骤

5.2 疲劳计算

5.2.1 柴油机油底壳有限元模型

5.2.2 载荷谱的确定

5.2.3 油底壳材料的疲劳特性

5.2.4 油底壳疲劳分析结果

5.3 本章小结

第6章 柴油机油底壳的结构优化设计

6.1 结构优化设计理论

6.1.1 基本概念

6.1.2 基本方法

6.1.3 基本步骤

6.2 结构优化设计

6.2.1 建立优化模型

6.2.2 优化求解

6.2.3 优化结果分析

6.3 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的论文