一种发动机主轴承座的螺纹连接副可靠性仿真分析方法技术

一种发动机主轴承座的螺纹连接副可靠性仿真分析方法，所述方法先计算曲轴动力学，再将曲轴EHD载荷的边界耦合到主轴承座的轴瓦上，从而计算出主轴承座全局有限元模型的应力及疲劳安全系数；然后再建立螺纹连接副有限元子模型，使得主轴承座全局有限元模型与螺纹连接副有限元子模型的坐标完全一致。然后基于主轴承座全局有限元模型在螺纹连接副有限元子模型边界处的位移结果作为驱动输入，计算出每个螺纹螺牙的精准应力，再对其进行疲劳安全系数计算与评判。该方法能够极大地提高螺纹连接副的模拟精度，在设计前期很好地识别关重螺纹副的可靠性潜在风险，及时开展设计优化；有效地减少开发周期、降低后续的试验反复成本及规避产品市场质量问题。避产品市场质量问题。避产品市场质量问题。

【技术实现步骤摘要】
一种发动机主轴承座的螺纹连接副可靠性仿真分析方法


[0001]本专利技术属于CAE仿真分析
，具体是用于发动机主轴承座螺纹连接副的精准CAE仿真计算分析技术。

技术介绍

[0002]螺栓连接作为汽车、特别是动力总成的零部件之间的主要连接型式，其连接的可靠性非常的关键；如果设计不达标，则可能会出现螺栓断裂、滑牙、被连接件开裂的情况。
[0003]而工程上通用的动力总成结构有限元强度计算中，对于螺纹连接副的形貌是作了简化处理的，没有考虑螺纹螺牙的特征。因为一般工程上动力总成的有限元单元尺寸2
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3mm，而单个常用的螺距为1.5mm。动力总成本体，如缸体、缸盖、变速器箱体的几何模型复杂，一般采用自动划分的刚度较大的二阶四面体网格；不同区域的网格过渡性欠佳；而如果网格模型的单元尺寸过小（<1mm），则整体有限元模型规模巨大，前处理时间很长，并使得计算时间超长或无法收敛，无法满足工程的需要。
[0004]例如，某性能升级国六混动增压发动机的主轴承座在开发过程中出现缸体螺纹根部多次贯穿式开裂的现象，而之前的主轴承座CAE分析因计算精度与工程经验的原因，并未对螺纹根部的可靠性结果（应力、安全系数）进行关注与评判；且现有的主轴承座强度分析的建模与计算精度对优化敏感度低、无法指定设计优化，不能满足工程要求。

技术实现思路

[0005]针对目前动力总成螺纹连接副可靠性的仿真精度欠佳情况，本专利技术提出一种发动机主轴承座的螺纹连接副可靠性仿真分析方法，基于发动机主轴承座设计开发，建立了一种全局有限元模型与子模型（局部细化有限元）耦合的仿真方法，提高计算精度；指导产品优化设计，解决工程问题。
[0006]本专利技术的技术方案如下：一种发动机主轴承座的螺纹连接副可靠性仿真分析方法，所述方法包括如下几大步骤：步骤1，计算曲轴三维EHD动力学；将曲轴EHD动力学载荷的边界耦合到主轴承座的轴瓦表面上；步骤2，基于曲轴EHD动力学的轴承载荷输入，计算出主轴承座全局有限元模型的强度及疲劳安全系数。
[0007]步骤3，建立螺纹连接副有限元子模型，并使得其与主轴承座全局有限元模型的坐标完全一致。将主轴承座全局有限元模型在螺纹连接副有限元子模型边界处每个载荷步的位移计算结果作为螺纹连接副有限元子模型的驱动边界，从而计算出螺纹螺牙的精准应力与位移。
[0008]步骤4，再对螺纹连接副有限元子模型的应力结果进行疲劳计算与可靠性评估。
[0009]进一步，所述步骤1具体包括：
步骤1.1 对主轴承座与曲轴几何模型进行有限元网格化分以及模态压缩，提取其质量矩阵、刚度矩阵等数据信息文件，以及不同发动机转速的缸压曲线，输入到曲轴动力学分析模型中。
[0010]步骤1.2 曲轴三维EHD动力学计算出的主轴承载荷，将其映射到主轴承座全局有限元模型的轴瓦内表面节点上，作为主轴承座有限元分析的载荷输入。
[0011]进一步，所述步骤2具体包括：步骤2.1 搭建主轴承座全局有限元模型。
[0012]步骤2.2 计算主轴承座全局有限元模型的有限元结果，包括应力、位移。
[0013]步骤2.3 根据主轴承座全局有限元模型的应力结果计算出安全系数分布云图，找出安全系数较小的区域。
[0014]步骤2.4根据步骤2.3的安全系数计算结果评判设计是否需要优化；如果需要，则返回步骤1。
[0015]进一步，所述步骤3具体包括：步骤3.1 建立精细的微米级螺纹连接副有限元子模型，并设置其边界网格节点定义成驱动节点（*BOUNDARY, SUBMODEL）。
[0016]具体包括：以微米级的网格尺寸单元划分出螺纹螺牙的几何特征细节，将螺纹副接触对状态设置为小滑动的接触对类型；并使得螺纹连接副有限元子模型与主轴承座全局有限元模型的坐标完全一致。
[0017]步骤3.2应用“*include,input”命令将主轴承座全局有限元模型的在步骤3.1定义的驱动边界节点的位移结果作为螺纹连接副有限元子模型在相应曲轴载荷步STEP的边界载荷条件输入，从而计算出螺纹连接副有限元子模型的应力与位移结果。
[0018]步骤3.3差异评判：将主轴承座全局有限元模型与螺纹连接副有限元子模型在驱动边界处的计算结果位移值进行比较，如果差异符合要求，例如≤5%，则进行步骤4。
[0019]进一步，所述步骤4具体包括：步骤4.1 基于螺纹连接副有限元子模型的每个载荷曲轴步的应力计算结果，对其进行疲劳安全系数计算；步骤4.2 指标评判：如果螺纹连接副有限元子模型的疲劳安全系数计算结果低于评判标准，例如≥1.05，则需要返回到步骤1对主轴承结构进行优化；如果满足要求，则结束。
[0020]由以上技术方案可知，本专利技术是一种动力总成（主轴承座）结构螺纹连接副可靠性的精准仿真计算方法：首先计算曲轴三维EHD动力学，再将主轴承EHD的载荷边界耦合到主轴瓦有限元的内表面节点上，从而计算出主轴承座全局有限元模型的应力（强度）及疲劳安全系数；然后再建立精准的螺纹连接副有限元子模型（微米级有限元单元尺寸，精准地划分出螺牙几何形貌，设置小滑移类型的螺纹副接触对），并使得螺纹连接副有限元子模型与主轴承座全局有限元模型的坐标完全一致。然后将主轴承座全局有限元模型在螺纹连接副有限元边界处的位移结果为驱动载荷边界输入，从而计算出螺纹螺牙精准的应力值，再对其进行疲劳计算与风险评判。
[0021]本CAE仿真分析方法流程能够极大地提高螺纹连接副的模拟精度，在设计前期很好地识别关重螺纹副的可靠性潜在风险，及时优化设计，减少开发周期与降低试验的轮次
成本，并有效地规避产品市场质量问题。
附图说明
[0022]图1为
技术介绍
的发动机主轴承结构图。
[0023]图2为螺纹连接副有限元子模型。
[0024]图3为本专利技术专利的方法流程逻辑框图。
[0025]其中图中：1
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主轴承座，2
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主轴承盖，3A
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左紧固螺栓，3B
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右紧固螺栓，4
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上主轴瓦，5
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下主轴瓦，6A
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主轴承盖左侧止口定位，6B
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主轴承盖右侧止口定位，7
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主轴颈载荷，8
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斜油道，9
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螺纹连接副有限元子模型边界条件，10A
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螺纹孔几何模型，10B
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螺纹孔有限元网络模型，11A
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螺栓螺牙几何模型，11B
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螺栓螺牙有限元网络模型，12A
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单个螺纹螺牙连接副几何，12B
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单个螺纹螺牙连接副有限元网络模型。
具体实施方式
[0026]以下结合附图进一步详细说明本专利技术：本专利技术方法涉及的子模型（Submodel）分析技术是一项基于圣维南原理的CAE仿真方法，即如果实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种发动机主轴承座的螺纹连接副可靠性的精准仿真分析方法，其特征在于，所述方法包括步骤：步骤1 计算曲轴三维EHD动力学，将曲轴EHD动力学载荷的边界耦合到主轴承座的轴瓦表面上；步骤2 计算出主轴承座全局有限元模型的强度及疲劳结果；步骤3 建立网格尺寸精细的螺纹连接副有限元子模型，并使得螺纹连接副有限元子模型与主轴承座全局有限元模型坐标一致；将主轴承座全局有限元模型在螺纹连接副有限元子模型边界处每个载荷步的位移计算结果作为螺纹连接副有限元子模型的驱动边界，计算出螺纹螺牙的精准应力与位移；步骤4 对螺纹连接副有限元子模型的应力结果进行疲劳计算与可靠性评估。2.根据权利要求1所述的发动机主轴承座的螺纹连接副可靠性仿真分析方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1.1 对主轴承座与曲轴几何模型进行整体网格化分以及模态压缩，提取其质量矩阵、刚度矩阵等数据信息，以及不同发动机转速的缸压曲线，输入到曲轴动力学分析模型中；步骤1.2曲轴动力学计算出主轴承载荷，将主轴承载荷映射到主轴承座全局有限元模型的轴瓦内表面节点上。3.根据权利要求1所述的发动机主轴承座的螺纹连接副可靠性仿真分析方法，其特征在于，步骤2包括：步骤2.1 搭建主轴承座全局有限元模型；步骤2.2 基于曲轴EHD动力学的轴承载荷输入，计算主轴承座全局有限元模型的应力、位移结果；步骤2.3 根据步骤2.2的主轴承座全局有限元模型应力结果计算出其安全系数分布云图，找出安全系数较小的区域；步骤2.4 评判是否需要进行设计优化，如需要则返回步骤1，对主轴座的结构进行优化修改。4.根据权利要求3所述的发动机主轴承座的螺纹连接副可靠性仿真分析方法，其特征在于，在步骤2.1搭建主轴承座...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨怀刚，冉绍辉，贾正锋，杨武，高兴华，杨勇，邓伟，司庆九，齐洋，
申请(专利权)人：重庆长安汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：