毕业设计（论文）-发动机曲轴的振动分析.doc

发动机曲轴的振动分析摘要：根据3018柴油机曲轴给定的参数，依据经验公式和实际情况，对曲轴的结构尺寸进行改进。在适当的简化下，利用三维软件Pro/E，建立曲轴的三维实体模型。然后利用有限元分析软件ANSYS完成曲轴仿真振动（模态）的分析，并收集仿真模型数据，得出曲轴的前几阶模态，得到曲轴的固有频率和振型。结果表明，曲轴的固有频率均高于工作转速对应的频率，不易产生共振；曲轴在低阶频率下，主要以弯曲模态为主,随着阶数的增长,变形也随之增大,但变形发生的部位有所不同。通过模态分析的研究，研究该发动机曲轴振动机理，并提出相应的改进措施，降低曲轴振动。关键词：曲轴，三维实体模型，模态分析，频率，振型Vibration Analysis of Engine CrankshaftAbstract：According to the parameters of 3018 diesel engine crankshaft is given, on the basis of the empirical formula and the actual situation, the structure size of crankshaft is improved. In the simplified, using 3D software Pro/E, a three-dimensional model of the crankshaft. Then using finite element analysis software ANSYS to complete the simulation of crankshaft vibration (modal) analysis, and collect the data of simulation model, the first few modes of the crankshaft, and obtained the natural frequency and vibration mode. The results show that, the natural frequency of the crankshaft are higher than the working speed of the corresponding frequency, not easy to produce resonance; crankshaft at low frequencies, mainly in the bending mode, with the order of growth, deformation increases, but the deformation of different parts. Through the research of modal analysis, research on the mechanism of the engine crankshaft vibration, and put forward some corresponding improvement measures, reduce the crankshaft vibration. Keywords: crankshaft, three-dimensional entity model, modal analysis, frequency, vibration mode目 录1 绪论11.1课题研究背景11.2模态分析国内外研究状况21.2.1 模态分析概述21.2.2 国外研究状况31.2.3 国内研究状况51.3课题研究的目的和意义61.4课题的主要研究内容62曲轴三维模型的建立72.1 Pro/E软件简介72.2曲轴的工艺分析72.2.1曲轴的工作条件及设计要求72.2.2曲轴材料的选取82.2.3曲轴结构尺寸改进82.3曲轴的简化102.4曲轴实体建模103曲轴的模态分析143.1 ANSYS简介143.2曲轴模态分析步骤153.2.1建立有限元模型153.2.2指定分析标题153.2.3定义单元类型153.2.4定义材料属性163.2.5划分网格173.2.6模态分析设置183.2.7施加边界条件193.2.8进行求解203.2.9查看结果20结 论32参考文献33致 谢34II太原工业学院毕业设计1 绪论1.1 课题研究背景发动机是机器的心脏，是动力设备的核心部件,已经广泛应用于现代工农业中，其性能的好坏直接影响着设备的运行。随着科技水平的不断发展，人们对车辆的舒适性、安全性以及发动机的动力性、经济性等要求越来越高，对汽车发动机的噪声、振动和行驶平顺性也越来越重视。因此，发动机及其零部件的不断优化及改进便成了当今汽车行业的重中之重。曲轴是发动机中不可或缺的机件之一，被誉为发动机的脊梁，曲轴的结构设计关系到整个发动机甚至整个动力装置的工作状况，因此，对曲轴各方面的分析便成了首先需要考虑的问题，模态分析便是其中之一。曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成，如图所示。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，直列式发动机曲轴的曲拐数目等于气缸数，而V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。 图1.1 曲轴1-主轴颈 2-连杆轴颈（曲柄销） 3-前端轴 4-平衡重 5-曲柄曲轴是引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下（往复）运动变成循环（旋转）运动，它承受复杂、交变的冲击载荷，承受周期性变化的气体压力、往复惯性力、离心力以及由此产生的扭矩、弯矩的共同作用。是发动机中最重要的部件之一，也是发动机设计的重点和难点。曲轴是向外输出动力的关键性部件，曲轴的旋转是发动机的动力源，也是整个机械系统的源动力,其性能好坏直接影响到汽车发动机的质量和寿命。为了适应发动机的工作状况，对曲轴的强度和刚度有很高的要求。曲轴的强度、刚度是发动机正常工作的前提，是保证发动机可靠运行的保障。同时，曲轴部分的结构形状和主要尺寸对曲轴的抗弯疲劳强度和扭转刚度起主要作用。曲轴的尺寸参数及加工工艺水平不仅影响着发动机整体尺寸和质量，并且对曲轴本身的固有频率影响也非常大，设计不当时很有可能使曲轴产生共振，从而使曲轴失效。因此，曲轴在发动机的设计与改进中占有极其重要的地位，曲轴的加工工艺也是曲轴设计方面的一个重要因素，应该得到重视。除此之外，曲轴材料的选择也是生产曲轴所要面临的一个问题，曲轴材料是否拥有较长的使用寿命，能否承受住交变应力的作用而不致曲轴过早失效等问题都是在选择曲轴材料所需要考虑到的，对材料的选取也是不可忽略的。在发动机工作过程中，曲轴主要受气体压力、往复作用力和旋转惯性力的作用，使曲轴承受弯曲与扭转载荷，产生疲劳应力状态，对发动机其它部件有很大的影响。且由于连杆作用在曲轴上力是周期性变化的，这就使得曲轴会产生扭转振动，曲轴系统可能在发动机转速范围内发生强烈的共振，动应力急剧增加，致使曲轴过早地出现弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏，这样会降低发动机的动力性能，也可能会破坏曲轴所驱动的附属机构，从而损坏整个发动机。因此,对曲轴的振动特性进行精确的计算对于提高曲轴的设计精度及寿命有着重要的意义。1.2 模态分析国内外研究状况1.2.1 模态分析概述 模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，通过它可以确定自然频率、振型和振型参与系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参与振动）。模态分析是所有动力学分析类型的最基础内容。模态分析能很简便的求解复杂机构的结构性能参数，因此在曲轴的振动研究中也得到很广泛的使用。模态分析技术源于20世纪30年代提出的将机电进行比拟的机械阻抗技术。直到20世纪50年代末，该技术仅限于离散稳态正弦激振法，60年代中后期在以快速傅里叶变换(FFT)为代表的数字信号处理技术、参数识别方法以及小型计算机发展的基础上，振动模态分析应运而生，并在航空、航天、机械、土木等工程领域获得了广泛的应用。当时因为计算机技术的限制，模态分析技术也因此长期处于停滞不前的发展状况，不过，自从电子技术更新突飞猛进之后，模态分析已成为现今对振动分析的一大热点。模态分析作为分析振动现象的方法已广泛的应用到工程领域中。模态分析是研究结构动力特性的一个分支，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用，模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、模态振型和阻尼比，这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这个过程称为模态分析过程。它的经典定义是：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。 模态分析为结构的动态特性的一类近代研究方法。机械结构固有的振动特性称之为模态。模态反映了模态特性参数，比如固有频率、振型和阻尼等称之为模态参数。任一阶的模态均有与之对应的模态参数。当各阶模态相叠加时，就可以看出结构的固有振动特性概况。结构的模态能通过模态分析方法计算以及试验取得。 模态分析为基于线性的叠加原理，一个结构复杂的振动由很多阶的模态叠加而成，其中有对结构贡献很大的模态，与之对应的也有对结构振动贡献不多的模态。因此，应该应用一种方法确定出主要的模态，通过这样的计算分析才得以掌握结构的振动实质。这种计算分析的方法就是模态分析，实质是将结构的复杂振动形式细分成其他简单并且独立的振动，再利用一些模态参数来表征的过程。试验模态分析和解析模态分析是模态分析的两种方法。如前述细分过程应用有限元计算方法求解获得模态参数的，定义为解析模态分析，也可以称为计算模态分析;如果是基于对试验采集的系统输入、输出信号作为分析处理后获得模态参数的，就称为试验模态分析。本文所应用的是解析模态分析方法。1.2.2 国外研究状况早期曲轴振动的研究中，由于技术水平的限制，曲轴是按绝对刚性体来处理的。从19世纪末到20世纪初，各种断轴事故的分析报告和文章逐渐出现，人们对于轴系的扭转振动的研究也逐渐深入。1916年德国工程师盖格尔(Geiger)发表了用机械式盖格尔振动仪测量轴系扭转振动的文章后，扭转振动的研究开始了实测和试验阶段。1921年德国学者霍尔兹(Holzer)发表文章提出了用一种表格法(通称霍尔兹法)来分析离散化曲轴无阻尼状态下扭转振动的固有频率和振型，并可应用于强迫振动，后来的研究者如Timoshenko, Tuplin等相继运用偏微分方程和波动方程在霍尔兹表格法的基础上进一步发展了扭转振动分析方法，将曲轴简化为质量圆盘系统，并采用等效当量阻尼，因而更接近于实际工况。60年代，国外学者大量采用点传递矩阵和场传递矩阵来研究曲轴的振动，通常称为传递矩阵法或Myklestad-Prohol法。70年代，Doughty等采用扩展了的传递矩阵(Extended Transfer Matrix)来分析有阻尼的曲轴振动，并用Newton-Raphson迭代法求解复数固有频率，在传递矩阵计算中，当轴系支撑过多、频率较高时，可以使用Riccati法来改善由于矩阵病态而可能发生的数值不稳定现象。传递矩阵法的优点是矩阵的维数不随系统自由度的增加而增加，且各阶振型的计算方法完全相同。因而计算简单、编程方便，计算时所需的内存少、耗用机时短，被广泛地应用于曲轴振动问题的分析与研究。但这种方法在分析自由度较多的复杂轴系时，由于传递矩阵的误差积累，使计算精度下降，因此高阶频率的计算精度较低。80年代初期，日本学者提出了消阻法(Reduced Impedance Method)以及动态刚度矩阵法(Dynamic Stiffness Matrix)来分析离散或连续体曲轴扭转振动。为了快速而准确的预测曲轴在周期运动中的扭转应力，Peter.J等应用了模态分析技术。由于模态分析法减少了系统的自由度，其计算所耗机时及内存均不太高，如果子系统划分合理，其计算精度也是令人满意的。此外，模态分析法还可与试验研究相结合，通过实测轴系振动的传递函数，得到系统振动模态参数(包括固有频率、振型、阻尼、模态惯量、模态刚度等)。 80年代后期，随着计算机技术的迅速发展，各种有限元软件(NASTRAN ,ANSYS等)的相继出现，用有限元法在曲轴动力学分析中得到广泛的应用，这是目前公认的精度最高的计算方法。为了解决有限元分析计算精度可比性和计算成本等问题，Nadolsk等将弹性波理论应用于曲轴轴系的振动问题分析，该方法是一种快速且较精确的振动分析方法。 近年来，对曲轴动力学特性分析的研究日益广泛和深入。许多学者运用有限元法、试验方法和动力刚度矩阵方法研究了曲轴的振动特性以及曲轴振动与机体振动之间的关系。大众汽车公司(Volkswagen AG)在改进European1.9L TDI ( turbo-diesel-inj ection直喷式涡轮增压)发动机的过程中广泛的使用了有限元方法分析。在此基础上Athavale等人采用集成参数有限元方法做了进一步的探索。曲轴系零件之间的耦合作用通常是非线性的，这种耦合作用对于描述系统的动力学特性非常重要。多体系统模拟可用于研究这类问题，其中零件的结构刚度远大于零件之间的联接元件刚度，考虑到曲轴的变形，含有柔性体的多体动力学综合了有限元方法与刚体动力学的优点，可以在零至数千赫兹范围内准确跟踪频率，并且能够灵活地改变外载荷、运动节点和约束条件。Raub等人运用了这种包含柔性体的多体系统动力学分析方法，得到的结果与实验数据吻合程度相当高。美洲虎公司为其顶级轿车XJ8开发全新的AJV8发动机也采用了类似的技术。1.2.3 国内研究状况国内模态分析起步较晚，首次应用早在60时年代,当时主要应用于航天航空及汽车领域,但是技术还不够成熟。可以说，模态分析与试验学会所组织的全国性的学术交流活动对模态分析的发展起了一个很大的推动作用，第一届机械阻抗与参数识别交流会在70年代末期召开，它的产生，扩大了人们对模态分析的了解。此后，每隔2至4年，这样的交流会便会如期举行，第四届会议更是成立了中国模态分析与试验研究会，它的成立及此后举行的会议在无形当中给了很多人启迪。同时，随着电子信号处理技术的飞速发展以及各种有限元软件的兴起,国内在20世纪80年代左右，才开始对模态分析这块才有了一定的熟悉，慢慢的趋于成熟,并在解决工程中所存在的结构振动与故障诊断中广泛应用。1982年长春汽车研究所的黄积喜利用模态分析方法对曲轴的扭转振动响应特性及扭转模态进行了分析，为后续科研工作者奠定了扎实的基础。进入90年代，在1995年，由华北工学院的张红兵和杨世文及山西车用发动机研究生的王海成用ANSYS有限元分析法对某高速柴油机曲轴进行了自由模态分析，分析求出了前5阶模态参数，并与实验结果进行了比较，为曲轴的强迫振动和曲轴的优化设计提供了理论依据，并以此为基础进行曲轴动态响应特性研究和结构动力修改。尽管我国在模态分析方面起步较晚，但经过20余年的努力，在理论和方法研究上我国目前已经接近世界先进水平，并且模态分析的方法已经渗透到我国各个行业，比如，为了避免汽车各零部件及发动机的共振，水下鱼雷的振动与噪声控制，建筑方面的桩基断裂检测技术，种种基于模态分析的成就不胜枚举。1.3 课题研究的目的及意义随着发动机强化指标的不断提高，曲轴的工作条件更加恶劣，在各种周期性载荷的交变作用下，如何保证曲轴的动态特性成为曲轴设计的关键性问题。因此，发动机的可靠性和寿命对其动态特性提出了非常高的要求，研究曲轴的自由模态分析便成为了不可阻挡的潮流。通过对曲轴振动的研究与分析，揭示发动机曲轴振动的规律性,并对其进行控制，降低车用发动机的整机振动。提高汽车发动机性能。此研究曲轴的动态性能，掌握曲轴在工作过程中的振动规律以及载荷的变化规律，对提高曲轴的可靠性和寿命具有十分重要的意义。研究该发动机曲轴振动机理，并提出相应的改进措施，降低曲轴振动。同时，为曲轴振动研究分析提供一个可行、可靠的思路和方法。1.4 课题的主要研究内容 本课题将以3108型柴油机曲轴为研究对象，基于有限元方法，对曲轴进行模态分析，了解曲轴在工作过程中的振动规律以及载荷的变化规律。 (1)用Pro/E建立曲轴实体模型，并建立Pro/E和ANSYS之间的接口将曲轴实体导入ANSYS中，建立有限元模型。 (2)对曲轴模型进行模态分析，得出曲轴的固有频率和振型及各个模态对结构的影响。(3)根据得到的仿真模型数据进行分析得出结论。2 曲轴三维模型的建立2.1 Pro/E软件简介Pro/E是美国参数技术公司PTC(Parametric Technology Corporation)的最新一代CAD/CAM/CAE软件，它以参数化著称，是参数化技术的最早应用者。公司于1985年在波斯顿成立，1988年发布了Pro/E的第一个版本，现在已经成为全球CAD/CAM/CAE领域最具代表性的著名软件公司，其软件产品的总设计思想体现了MDA软件的新发展，其优越性的使用性能自面世以来就得到了广大用户的认可。它包含许多先进设计理念，是一套设计至生产的机械自动化软件包，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，它集三维实体造型、模具设计、钣金设计、铸造设计、装配模拟、加工仿真、NC自动编程有限元分析、电路布线、装配管路设计、产品数据库管理等功能于一体。Pro/E应用范围很广，从机械、模具、工业设计、汽车到航空航天、电子、家电、玩具等行业，都涉及到三维产品的开发，都可以用Pro/E软件对产品进行开发设计，可以说是一个全方位的三维产品开发软件，其用于机械设计、功能仿真、加工制造和数据管理等方面的功能，为用户提供目前最全面、集成最紧密的产品开发环境。Pro/E中所有模块都是全相关的，在产品开发过程中对某一处进行的修改能够扩展到整个设计中，基于特征的特点，能够将从设计至生产的全过程集成到一起，实现并工程设计。2.2曲轴的工艺分析2.2.1 曲轴的工作条件及设计要求曲轴在工作过程中不断的承受连杆传来的气体力、旋转惯性力及其力矩的作用，这就使得曲轴很容易发生弯曲和扭转运动，从而产生严重的交变的疲劳应力，使曲轴失效，进而影响整台发动机的使用可靠性。研究表明，曲轴的破坏主要以弯曲变形失效为主，因此曲轴结构强度设计重点是在弯曲疲劳强度。由于曲轴的形状较为复杂，过渡处的倒圆角及油孔附近等细小的部位应力集中现象很严重，故在曲轴设计时应该保证曲轴的强度满足条件，特别注意改善应力集中部位的尺寸形状以减少应力的集中。同时，曲轴轴颈以较高的相对速度在轴承中发生相对滑动摩擦，且承受较大的比压，磨损较严重，因此在设计时需要考虑轴颈有足够的承压面积，使其表面耐磨和较理想的润滑条件，且要求曲轴有较高的刚度，变形小。2.2.2 曲轴材料的选取曲轴材料多选用中碳钢、合金钢、球墨铸铁，其材料的选取需根据发动机的用途和强化程度来确定。3108柴油机属于中小功率发动机，强化程度不高，为了降低成本，节约钢材，选用铸态珠光体球墨铸铁（基体组织中珠光体占80%以上的球墨铸铁）作为108柴油机曲轴的材料，球墨铸铁的力学性能和使用性能优于一般铸铁，在强度和刚度能满足的条件下，使用球墨铸铁材料能够减少制造成本，而且由于材料本身的阻尼特性，还能够减少扭转振动的幅值。2.2.3 曲轴结构尺寸改进3108发动机机属中小功率柴油机,曲拐不多,曲轴尺寸不大,曲轴加工容易,故采用整体式曲轴,此类曲轴具有工作可靠、重量轻的特点，而且刚度，强度较高，结构紧凑，加工表面也比较少,曲轴轴颈各部分的尺寸比例如表2-1所示。表2.1 曲轴轴颈各部分的尺寸比例直列式V形柴油机主轴颈0.70.80.350.600.750.850.350.45曲柄销0.600.700.350.450.700.800.500.70汽油机主轴颈0.650.750.350.500.600.700.250.35曲柄销0.600.750.350.450.550.620.450.60主轴颈、曲柄销直径及长度分别用、表示，在设计曲轴轴颈时，首先考虑的是连杆轴颈，在发动机设计中，一般趋向采用较大的，但在实际的结构中，主轴颈都大于连杆轴颈，这样做的原因是：增加，可以增加曲轴轴颈的重叠度以提高曲轴刚度，增加曲柄刚度，增加扭转刚度，提高固有频率，但不增加离心力和转动惯量一般左右，且。理论上多缸机的主轴颈的长度是相等的，但实际上，对于符合较大的主轴颈，可以适当的增长一些。从润滑理论来讲，希望左右，这个比值过小，润滑油很容易从滑动轴承两端泄出，油膜压力建立不起来，轴承的承载能力下降，过大的话，润滑油流动不畅，导致油温升高，产生同样的问题，而且过大时曲轴容易变形，容易形成棱缘负荷，所以这个比例应该合理的选择以适应该发动机的负荷及工作条件。缸径D=108mm，活塞行程S=125mm，故曲柄半径r为62.5mm，由表一所给的经验公式可知，取70mm，由=（1.051.25）可知，取86mm，由可知，取40mm，由且可知取36mm，这样便确定了曲柄销的直径为70mm，长度为40mm，主轴颈的直径为86mm，长度为36mm。由经验公式，为缸心距，故缸心距可取132mm，曲柄销、主轴颈与曲柄臂之间的凸台取1.5mm，由此可以算出曲柄的厚度h为24mm，曲柄的厚度h也可以根据经验公式h=（0.20.25）D估算出，曲柄宽度b=（0.81.2）D，故b可取130mm。曲柄销的直径和长度可依据曲柄销承压面的投影面积与活塞投影面积F之比来验证，=（），F=，在本次设计中，所以设计的曲柄销符合要求。平衡重与曲柄臂做成一体,平衡重的径向尺寸和厚度应以不碰活塞裙底部和连杆大头能通过为限度,且平衡重的重心应尽可能远离曲轴的旋转中心,同时应尽量减少平衡重的质量以使曲轴轻量化。为了平衡曲柄连杆机构所带来的旋转惯性力及曲轴本身的内弯矩，要考虑平衡块的布置方式，对三拐曲轴来说，从发动机点火均匀性出发，相邻曲拐间隔应为120，它有不平衡的离心力矩，采用两块或四块平衡块虽可以保证外平衡，但曲轴在离心力系的作用下，还存在内弯矩，相应的各主轴承均承受一定的附加离心力，因此为了全部平衡内弯矩，彻底消除主轴承附加负荷，可以采用完全平衡法，即每个曲拐都加平衡块，这样会使曲轴总质量和转动惯量增加，可以在平衡重上适当的挖一下小孔，以解决这种问题。油道设计及油孔的布置在本文中就不作详细的设计，因为油孔的直径较小，对后面模态分析影响较小，可以忽略。2.3 曲轴的简化此次研究是以三缸柴油机曲轴为研究对象,从曲轴的及结构来看,它是由3个曲拐组合起来的,含有3个主轴颈和3个连杆轴颈以及平衡重。此外,曲轴的后端有凸缘盘，曲柄销和连杆轴颈开有斜油道，以便润滑它们的工作表面。本文是利用Pro/E软件建立曲轴的三维模型，在实际建模的过程中，经常忽略曲轴中的小圆角和细孔，这是由曲轴的复杂形状以及后面进行有限元建模所决定的。因为如果考虑这些因素会导致有限元模型网格非常密，造成单元形状不理想，容易产生大量的畸形网格，增加求解的时间和进度，同时又会增加求解的误差。基于上述因素，小圆角及油孔对曲轴的整体动态特性影响较小，因此在三维建模时忽略了这下细小而复杂的特征。2.4 曲轴实体建模 由于曲轴是由几种不同的几何子模型构成的，因此可以根据曲轴的这些结构特点，先建立单个的连杆轴颈，主轴颈，曲柄臂，平衡重，然后通过拉伸，平移，旋转，镜像等操作生成曲轴的整体。(1)第一缸主轴颈的建立选取top面为参考面，点击右侧草绘命令按钮，进入草图绘制模式，用右侧工具栏上的“圆”命令，以原点为中心，绘制直径为“86”的圆。完成圆的绘制后，退出草绘模式，使用拉伸命令，将该面拉伸成为厚为“36”的圆柱体，如图2.1所示。图2.1 主轴颈实体图(2)第一缸曲柄臂的建立 单击圆柱体的一圆截面，以此面为基准，进入草绘界面，绘制平衡重的草图形状。完成曲柄臂草图的绘制，退出草绘界面,完成对新界面形状的拉伸，拉伸厚度为“24”，生成曲柄臂的实体形状，如图2.2所示。图2.2 曲柄臂的实体图(3)第一缸连杆轴颈的建立选取曲柄臂的另一侧面，进入草绘界面，选取各参照，画取中心，线绘制连杆轴颈，直径为“70”，曲柄半径为“62.5”。完成草图绘制，将圆拉伸成实体，厚“40”，便生成连杆轴颈，如图2.3所示。 图2.3 生成连杆轴颈实体(4)第一缸另一侧曲柄臂及主轴颈的建立创建一个新的截面DTM1，根据对称性，使用镜像命令，画出另一部分曲柄臂，选取曲柄臂的一侧，以此为基准，创建第二个主轴颈，选取RIGHT面，以此为基准面，进行草绘，对曲柄臂进行修整，通过旋转命令，切除多余材料，如图2.4所示。图2.4 生成第一缸曲拐(5)第二、三缸曲拐的建立由于各缸的曲拐是相同的，所以第二、三缸只需通过平移和旋转来实现，选取菜单栏中的特征操作，对第一缸曲拐进行复制、平移、旋转等操作，得到二、三缸的曲拐，并对主轴颈与曲柄臂及曲柄臂与连杆轴颈的过渡处倒圆角，如图2.5所示。图2.5 建立第二、三缸曲拐(6)曲轴前、后端的建立分别以曲轴前后曲轴主轴颈的端面为基准，进行草绘，然后利用拉伸命令得出所需要的实体形状。利用孔特征在曲轴后端绘制螺纹孔，然后利用阵列命令得出剩下的7个螺纹孔，同时在平衡重上挖3个小孔，以降低曲轴的质量（去重孔，生产的曲轴要做动平衡，不平衡就需要在相应去重，使其达到平衡）。完成曲轴三维实体模型的建立，如图2.6所示。图2.6 曲轴的三维实体模型3 曲轴的模态分析3.1 ANSYS简介ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo,NASTRAN, Alogor, IDEAS,AutoCAD等， 是现代产品设计中高级CAE工具之一。ansys软件的应用领域非常广泛，可应用在以下领域：建筑、勘查、地质、水利、交通、电力、测绘、国土、环境、林业、冶金等方面。ANSYS软件能进行1.结构静力分析2.结构动力学分析3.结构非线性分析4.动力学分析5.热分析6.电磁场分析7.流体动力学分析8.声场分析9.压电分析。本课题运用其动力学分析。动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响，分析复杂结构在空间中的运动特性。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。其中前处理模块包括实体建模、网格划分、施加载荷。图3.1 ANSYS操作界面3.2 曲轴模态分析步骤3.2.1建立有限元模型将用Pro/E建立好的曲轴三维模型导入到ANSYS中。3.2.2指定分析标题 （1）设定标题 Utility Menu：FileChange Title 设定文件名 Utility Menu：File Change Jobname 设定文件位置 Utility Menu：FileChange Directory （2）选取菜单途径 Main MenuPreference ,单击 Structure,单击 OK3.2.3定义单元类型ANSYS提供了很多单元类型,单元类型选择的工作就是将单元类型的选择缩小到几个单元上,然后根据所要做的分析择优选择。首先曲轴是三维实体图形，应该选用3D实体单元，由于本文做的是结构模态分析，选用实体单元得到的结果会更精确些。因此可选的单元类型就限定在Soild45、 Soild92、 Soild185、 Soild187这四种类型之间，曲轴的结构复杂且不规则，且是一个不完全对称的实体，不能选用仅适用于规则实体划分的六面体单元，因为形状复杂划分不出较好的六面体单元，得出的结果很糟糕，计算所得的精度较低，而Soild45、 Soild185是六面体单元，可排除。Soild92和 Soild187属同一类型的单元体，计算精度没有什么差别，而ANSYS的单元类型是处在一个不断发展和改进的过程中，编号高表明该单元在用于某些方面分析时有一定的优势，故选用编号高的Soild187单元类型，这是一个三维10节点的四面体固体结构单元类型，四面体单元的适应性很强，并对一般的实体可以直接划分，且Soild187属高阶单元，同一般的线性单元相比，结果更准确。选择Main Menu: PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，将打开Element Type对话框，单机Add按钮，将打开“单元类型库”对话框，如图3.2所示。图3.2 单元类型库对话框在左边的列表选择Solid选项，右边的列表选择10node 187选项，三维10节点Solid 187。3.2.4定义材料属性球墨铸铁：弹性模量：173Gpa=1.73e11pa 泊松比：0.3 密度：7.3e3kg/3 依次选取：Main Menu：PreprocessorMaterial PropsMaterial Model 将打开Define Material Model Behavior对话框，如图3.3所示。图3.3 Define Material Model Behavior对话框依次点击StructuralLinearElasticIsotropic 出现Linear Isotropic Propeties for Materal Number 1 对话框，在EX输入栏中输入弹性模量1.73e11；在PRXY中输入0.3。点击ok退出。再点击StructuralDensity，设置材料密度，在弹出的对话框中，DENS一栏输入7.3e3，点击OK，退出对话框。点击MateralExit完成对材料属性的定义。3.2.5划分网格网格数目和疏密程度在一定程度上上对计算结果影响很大，网格过多、过密，过少、过疏在网格划分时是不可取的。对于计算曲轴的低阶模态分析，可以选用较少的网格，高阶则应选择较多的网格。本次分析忽略了半径小于5mm的圆角及直径小于12mm的油道，因此没有必要对局部再进行网格细化。选取菜单途径Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool,出现MeshTool对话框，采用智能划分网格，点击SmartSize,下面可选择网格的相对大小（太小的计算比较复杂，不一定能产生好的效果，一般做两三组进行比较），保留其他选项，单击Mesh出现Mesh Volumes对话框，其他保持不变单击Pick All，完成网格划分。如图3.4所示。图3.4 网格划分结果选取菜单途径ListststusGlobal ststus 得到节点和单元数。共得到107659个节点，70660个单元。如图3.5所示图3.5 节点单元数3.2.6模态分析设置选取菜单途径Main Menu：SolutionAnalysis TypeNew Analysis，将出现New Analysis对话框,选择分析种类“Modal”单击 OK。 选取Main Menu：Solution Analysis TypeAnalysis Options，将出现Modal Analysis 对话框，进行模态分析设置，选择“Block Lanczos”，在 No. of modes to extract处输入16单击OK。出现Block Lanczos Method对话框，输入频率的起始值0与结束值100000，单击OK。如图3.6、3.7所示。图3.6 Modal Analysis 对话框图3.7 Block Lanczos Method对话框3.2.7施加边界条件本次分析对曲轴进行了2次分析，一个是自由模态分析，另一个是约束模态分析。曲轴的自由模态分析对曲轴不施加任何约束。对曲轴进行约束模态分析时，采用不同的约束对分析结果将会产生直接的影响，边界条件不同，所求得的模态参数也不同。施加的约束要和实际工况相符合针对发动机实际运行情况，曲轴受到主轴承和纵向止推轴承的约束，纵向止推轴承可以有效防止曲轴的轴向窜动，保证连杆活塞组正常工作。该曲轴有3个主轴颈，模拟实际情况对曲轴的3个主轴颈分别施加无摩擦约束，即轴颈表面径向的对称约束，如图3.8所示。另外为控制发动机在工作时曲轴的轴向窜动，在曲轴上设置有轴向定位装置。但是又要保证曲轴在受热膨胀时有一定的自由伸长量，所以曲轴上只能有一处轴向定位，为模拟轴向定位约束，在曲轴后端面施加了轴向位移约束(X=0)，如图3.9所示。图3.8 主轴颈的约束图3.9 曲轴后端的约束3.2.8进行求解选取菜单途径Main Menu：SolutionSolveCurrent LS。开始进行求解。求解完成后进行模态扩展设置。3.2.9查看结果对曲轴进行了自由模态分析并求出前16阶模态，三维结构在无约束边界条件下的模态分析，前6阶为刚体移动模态，频率为0或接近0，因此自由模态分析求解的曲轴前6阶固有频率接近0，第7阶为真正意义上的第一阶固有频率。表3.1 曲轴前10阶模态参数阶数12345固有频率（HZ）360.05411.95606.60844.13884.59阶数678910固有频率（HZ）1293.81335.5 1541.51700.72254.2各阶频率如图3.10所示图3.10 各阶频率图各阶振型图如下图所示图3.11 第一阶振型图图3.12 第二阶振型图图3.13 第三阶振型图图3.14 第四阶振型图图3.15 第五阶振型图图3.16 第六阶振型图图3.17 第七阶振型图图3.18 第八阶振型图图3.19 第九阶振型图图3.20 第十阶振型图针对发动机曲轴在实际运转过程中，所受的约束会对曲轴的振动造成一定影响，为了实际模拟发动机曲轴的振动环境，对曲轴进行约束模态分析。约束模态分析的前处理的材料定义和网格划分与自由模态分析相同。第一阶属刚体模态，不考虑。 表3.2 曲轴约束条件下前6阶模态参数阶数123456固有频率（HZ）421.44556.531123.61517.71678.22011.1各阶频率如下图所示图3.21 各阶频率图各阶振型图如下图所示图3.22 第一阶振型图图3.23 第二阶振型图图3.24 第三阶振型图图3.25 第四阶振型图图3.26 第五阶振型图图3.27 第六阶振型图据自由模态分析结果可知，曲轴的前10阶模态固有频率均大于柴油机工作范围（3000r/min以下）所对应的频率（100Hz以下），因此曲轴无论是按哪阶频率振动时，都不会产生共振或产生共振的可能性很小，由此证明所设计的曲轴所选材料及结构尺寸，曲柄及平衡重的形状尺寸设计是合理的。从计算的各阶振型图上看，曲轴按前3阶固有振型振动时，变形主要集中在曲轴的前端和后端，连杆轴颈变形最小；第4阶振型变形主要集中在平衡块、连杆轴颈及曲轴后端这3个地方，是曲轴最薄弱的环节，容易产生失效，其余地方变形最小；第5阶振型变形主要集中在曲轴的前端和第一缸平衡重，连杆轴颈和主轴颈的变形最小；第6、7阶振型变形主要集中在第三缸平衡重与曲轴前端，第8、9、10阶振型变形主要集中在第三缸平衡重，其它部位变形很小。前2阶曲轴以弯曲变形为主，后4阶曲轴振型图表明，曲轴是以弯曲和扭转叠加作用为主，尤其以平衡块的变形为主，因此，设计时可通过改变曲轴整体尺寸，端部形状，平衡块大小形状及曲轴材料等改善曲轴的固有振型。约束状态下的模态分析表明，各阶固有频率均高于自由模态状态下对应的频率，各阶曲轴固有频率都大于柴油机工作转速所对应的频率（100Hz），不会引起共振。前3阶振型图表明曲轴变形集中在曲轴后端，其次在平衡重，其他部位变形小，曲轴主要以弯曲为主，第4、5阶振型图表明曲轴变形集中在平衡重，曲轴的弯曲、扭转振动越来越明显，且变形也越来越大，变形突出的部位也有所不同。第6阶振型图表明曲轴变形集中在第三缸平衡重。所以，在设计的时候需要反复设计，反复修改参数，反复进行模态分析，以便确定一个使曲轴变形最小，最不易发生共振且不易使曲轴产生失效的最佳参数，提高曲轴的使用寿命，在曲轴设计时应充分注意参数的选取，及细节的处理，如使用喷丸，滚压等加工技术。由频率和振型图知曲轴在约束状态下的模态分析得出的固有频率比自由模态分析下的固有频率大。所以在模拟曲轴实际情况的模态分析时，约束对计算所得的固有频率及振型影响很大。从侧面也反映了边界条件对于模态分析来说是很重要的,不同的约束方式对模态分析结果的影响主要是由于分析模型的自由度对结果的影响,不同的约束方式,对于模型来说,就是不同的自由度下的自由振动。所以,模态分析的结果与约束方式有关,针对不同约束得到不同的固有频率及振型,可以采取需要的约束固定方式来得到需要的固有频率,从而有效的避免共振，从而提高零部件的使用寿命。结 论 曲轴的振动特性对整个发动机的性能影响非常大，本文正是以柴油机曲轴为研究对象，通过模态分析来了解曲轴的振动特性，得出以下结论：（1）采用Pro/E和ANSYS 两种软件，对曲轴进行了三维建模和有限元模态分析，并忽略了对模态分析