毕业设计（论文）-复合钻头的设计和有限元分析（全套图纸）.pdf

1 分 类 号 密 级 毕业设计(论文) 复合钻头的设计和有限元分析 所 在 学 院 机 械 与 电 气 工 程 学 院 专 业 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 班 级 11 机 自 x 班 姓 名 学 号 指 导 老 师 2015 年 3 月 31 日 II 摘 要 复合钻头组由复合钻头体、复合钻头大头盖、复合钻头小头衬套、复合钻头大头轴 瓦和复合钻头螺栓（或螺钉）等组成。复合钻头组承受活塞销传来的气体作用力及其本 身摆动和活塞组往复惯性力的作用，这些力的大小和方向都是周期性变化的。因此复合 钻头受到压缩、拉伸等交变载荷作用。复合钻头必须有足够的疲劳强度和结构刚度。疲 劳强度不足，往往会造成复合钻头体或复合钻头螺栓断裂，进而产生整机破坏的重大事 故。若刚度不足，则会造成杆体弯曲变形及复合钻头大头的失圆变形，导致偏磨。 关键词：复合钻头，强度 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 III IV Abstract The link group comprises a connecting rod, the connecting rod cover, connecting rod bushing, connecting rod bearing and rod bolts (or screws). The connecting rod group under gas force piston pin came and its swing and piston reciprocating inertia forces, the magnitude and direction of these forces are cyclical changes. The connecting rod by compression, stretching and alternating load. The connecting rod must have enough fatigue strength and structural stiffness. The fatigue strength is insufficient, often caused by fracture of connecting rod or the connecting rod bolt, resulting in destruction of the major accident. If the lack of rigidity, it will cause deformation of round rod bending deformation and the connecting rod, piston, cylinder, cause partial grinding bearing and crank pin. Key Words: rice thresher threshing; improved design; V 目目 录录 摘 要 . II Abstract. IV 目 录 . V 第 1 章 绪论 . 7 第 2 章 复合钻头轴承结构介绍 . 7 2.1 复合钻头工作原理 . 7 2.2 复合钻头总体设计 . 7 2.2.1 复合钻头的类型定位 . 5 2.2.2 复合钻头的整机结构及选择 . 7 2.2.3 复合钻头复合钻头的工作流程 . 9 第 3 章 复合钻头结构设计 . 11 3.1 复合钻头设计 . 13 3.2 复合钻头配件设计 . 110 第 4 章 有限元分析 . 111 4.1 有限元简介 . 111 4.1.1 有限元强度分析简介 . 111 4.1.2 非线性分析 . 112 4.2 前处理 . 1 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.3 网格划分 . 19 4.4 边界条件设定 . 21 4.5 强度分析 . 22 4.6 强度分析结论 . 25 结论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 VI 7 第 1 章 绪论 复合钻头体由三部分构成，与活塞销连接的部分称复合钻头小头；与曲轴连接的部 分称复合钻头大头，连接小头与大头的杆部称复合钻头杆身。 复合钻头小头多为薄壁圆环形结构，为减少与活塞销之间的磨损，在小头孔内压入 薄壁青铜衬套。在小头和衬套上钻孔或铣槽，以使飞溅的油沫进入润滑衬套与活塞销的 配合表面。复合钻头杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆 身必须要具有足够的刚度。为此，车用发动机的复合钻头杆身大都采用形断面， 形断面可以在刚度与强度都足够的情况下使质量最小， 高强化发动机有采用H形断面的。 有的发动机采用复合钻头小头喷射机油冷却活塞，须在杆身纵向钻通孔。为避免应力集 中，复合钻头杆身与小头、大头连接处均采用大圆弧光滑过渡。 为降低发动机的振动，必须把各缸复合钻头的质量差限制在最小范围内，在工厂装 配发动机时，一般都以克为计量单位按复合钻头的大、小头质量分组，同一台发动机选 用同一组复合钻头。 V 型发动机上，其左、右两列的相应气缸共用一个曲柄销，复合钻头有并列复合钻 头、叉形复合钻头及主副复合钻头三种型式。 第 2 章 复合钻头轴承结构介绍 2.1 复合钻头工作原理 复合钻头机构中的构件有杆状、块状、偏心轮、偏心轴和曲轴等型式。当构件上两转动副轴线间距 较大时，一般做成杆状。 带两个转动副的双副杆结构： 8 带三个转动副的三副杆结构： 杆状结构的构件应尽量做成直杆。有时为了避免构件之间的运动干涉，也可将杆状构件做成其他结 构。 带三个转动副的三副杆的结构设计较为灵活，与三个转动副的相对位置和构件加工工艺有关， 下图为 8 种典型结构形式： 2.2 复合钻头复合钻头总体设计 复合钻头集团复合钻头身体，复合钻头大头盖骨，复合钻头小头布什、复合钻头大 脑袋衬套和杆螺栓（或螺栓）等。复合钻头组忍受活塞销的天然气的作用力本身隔活塞 组往返惯性力的作用下，这些能力的大小和方向是周期性变化。所以链接压缩，拉伸等 变动荷载作用。链接必须有足够的疲劳强度和结构刚性。疲劳强度不足，往往复合钻头 身体和杆螺栓断裂，并且机械全部破坏的重大事故发生。如果刚性不足，杆身体弯曲变 形与复合钻头大脑袋的失败圆变形，活塞，汽缸，轴承和曲轴销等偏磨。 2.2.1 复合钻头的类型定位 复合钻头小头多为薄壁圆环形结构，为减少与活塞销之间的磨损，在小头孔内压入 薄壁青铜衬套。在小头和衬套上钻孔或铣槽，以使飞溅的油沫进入润滑衬套与活塞销的 9 配合表面。复合钻头杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆 身必须要具有足够的刚度。为此，车用发动机的复合钻头杆身大都采用形断面， 形断面可以在刚度与强度都足够的情况下使质量最小， 高强化发动机有采用H形断面的。 有的发动机采用复合钻头小头喷射机油冷却活塞，须在杆身纵向钻通孔。为避免应力集 中，复合钻头杆身与小头、大头连接处均采用大圆弧光滑过渡。 为降低发动机的振动，必须把各缸复合钻头的质量差限制在最小范围内，在工厂装 配发动机时，一般都以克为计量单位按复合钻头的大、小头质量分组，同一台发动机选 用同一组复合钻头。 V 型发动机上，其左、右两列的相应气缸共用一个曲柄销，复合钻头有并列复合钻 头、叉形复合钻头及主副复合钻头三种型式。 2.2.2 复合钻头的整机结构及选择 10 复合钻头组件由复合钻头轴，复合钻头盖，小牙轮，大轴瓦，螺丝等组成，如上图所示 2.2.3 复合钻头复合钻头的工作流程 链接的主要损伤的形式是疲劳断裂和过剩变形。通常疲劳断裂部位连接上的 3 个区 域的高应力。链接的工作条件链接的高强度和抗疲劳性能；另外要求很充分的钢性和韧 性。传统的链接的加工过程中其材料通常 45 钢，40 Cr 和 40 MnB 等调质钢、硬度高， 所以德国汽车企业的新型复合钻头材料，例如 C 70 S6 高碳微合金非调质钢，SPLITASCO 系列锻造钢，FRACTIM 锻造钢锻钢等 S 53 CV - FS（以上都是德国 din 标准）。合金钢 非常高强度，对应力集中敏感的。所以，复合钻头外形，过度的公亩等必要严格要求， 应该注意的表面加工提高质量疲劳强度，否则高强度合金钢的应用预期效果不能达到。 第 3 章 复合钻头设计 3.1 复合钻头原理 复合钻头体由三部分构成，与活塞销连接的部分称复合钻头小头；与曲轴连接的部 分称复合钻头大头，连接小头与大头的杆部称复合钻头杆身。 复合钻头小头多为薄壁圆环形结构，为减少与活塞销之间的磨损，在小头孔内压入 薄壁青铜衬套。在小头和衬套上钻孔或铣槽，以使飞溅的油沫进入润滑衬套与活塞销的 11 配合表面。复合钻头杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆 身必须要具有足够的刚度。为此，车用发动机的复合钻头杆身大都采用形断面， 形断面可以在刚度与强度都足够的情况下使质量最小， 高强化发动机有采用H形断面的。 有的发动机采用复合钻头小头喷射机油冷却活塞，须在杆身纵向钻通孔。为避免应力集 中，复合钻头杆身与小头、大头连接处均采用大圆弧光滑过渡。 为降低发动机的振动，必须把各缸复合钻头的质量差限制在最小范围内，在工厂装 配发动机时，一般都以克为计量单位按复合钻头的大、小头质量分组，同一台发动机选 用同一组复合钻头。V 型发动机上，其左、右两列的相应气缸共用一个曲柄销，复合钻 头有并列复合钻头、叉形复合钻头及主副复合钻头三种型式。 3.2 复合钻头配件设计 第 4 章 有限元分析 4.1 有限元简介 4.1.1 有限元强度分析简介 数学，有限要素法（FEM，Finite Element）是一种求解微分方程边值问题近似 解的数值技术。解的时候全体的问题区域分解，各地区简单的部分，这个简单的部分就 和有限的。这是，变分法，误差函数最小值生成稳定解。类比连接多级微小直线近似日 元的思想，有限要素法在内的所有可能的方法很多，这些方法称为有限元的小领域上的 简单方程相连，其更大的地域，推定上的复杂的方程式。那是解域和许多被称为有限元 的小的相互连接子区组成，每单元的假设一个合适的（比较简单的）近似解解，然后推 导这个地区的总的条件（如结构的平衡条件），其结果问题解。这是正确理解解，而是 近似解，实际问题是比较简单的问题。大部分的实际问题，正确理解难以得到有限元， 计算精度高，它不仅能适应各种复杂形状，有效的手段工程分析。 位移模式选择 有限单元法，选择节点移位作为基本的未知量被称为位移法；选择节点力作为基本 未知量称为力法；部分节点力和一部分的节点移位作为基本的未知量被称为混合法。位 移法容易实现计算自动化，所以，有限单元法最宽的应用范围位移法。 12 位移法录用的时候，物体或构造物离散化后，单位总的物理量等的位移，应变应力 等节点位的一部分表示。 这个时候单位位移分布收割迫近原函数的近似函数说明。 通常， 有限要素法我们位移坐标变量的简单的函数。这个函数被称为位移模式和位移函数。 分析单元的力学的性质 单元的材料的性质不同，形状，尺寸、节点的数量，位置和意义等标题，单元节点 力和节点移位的关系式，组合分析的关键的一步。这个时候应用弹性力学的几何学的方 程式和物理的方程式建立力和位移方程式引导，从而单元刚性矩阵，这是有限要素法的 基本步骤之一。 4.1.2 非线性分析 非线性分析分析研究结构动力特性的一种现代方法，系统的辨别方法是工程的 振动的领域的应用。非线性分析机械结构的固有振动特性，每一个模式是特定的固有频 率，阻尼比非线性分析振型。这些非线性分析参数计算和考试从分析，取得的计算和考 试分析过程被称为非线性分析分析。如果这个分析过程有限元计算方法取了，计算非线 性分析分析称；如果考试通过采集系统输入和输出信号参数获得识别非线性分析参数， 称为考试非线性分析分析。通常，非线性分析分析，考试非线性分析分析。 振动模式的弹性的结构的固有的，全体的特性。非线性分析分析的方法，通过清醒 的构造物的容易被影响的频率范围内的各主要模式的特性，那个对应预言结构内外部或 内部各种：的作用下发生的实际的振动响应。所以，非线性分析分析结构设计及设备故 障诊断动态的重要方法。 机械、建筑、航天飞机，船舶、汽车等实际的振动模式各自不同。非线性分析分析 提供了各类振动特性研究的有效途径。首先，构造物静止状态人为加振，通过测定加振 力和响应双通道快速傅立叶变换（FFT）的分析，任意两点之间的机械导纳函数（传递 函数）。非线性分析分析理论考试导纳函数拟合的曲线，认识构造物非线性分析参数， 建立从而构造物非线性分析模型。非线性分析叠加原理，已知的各种载荷时间过程的场 合，预言结构物的实际的振动的反应过程和反应谱。 这十几年，计算机技术 FFT 分析仪，高速数据采集系统和振动传感器，驱动程序等 的技术的发展，得到考试非线性分析分析的迅速的发展的影响，机械、电气、建筑、水 13 利、航空、航天等众多产业部门的重视。已经多种等级，各种原理的非线性分析分析硬 件和软件登场。 4.2 前处理 打开 ansys 软件，界面如图所示 点击 Geometry 功能选项，将其拖入 Project schematic 界面，如上图 14 所示 在 Analysis Systems 中点击 Static Structural 功能选项，将其拖入 到 Geometry 旋向框上面，如图所示，自动生成分析选项界面。 导入模型以后，需要对模型赋予材质。本结构中，零部件材质设定为 结构钢 杨氏模量为 2.1e13pa 泊松比为 0.3 如下图所示，分别对每个零部件进行材料设定 15 4.3 网格划分 区分网格前，用户首先需要对模型中将使用单位设定。单元的属性主 要是：单元类型，实常数，材料常数。典型的实常数，厚度，截面，高度， 梁的惯性等。材料的属性包括：弹性模量、泊松分布，密度，热膨胀系数 等。 ANSYS 为用户提供了两种网格分割类型：自由与映射 所谓的“自由”的体现，不特定的标准，单元形状无限制，生成机体 不规律，基本上适用于所有的模型。自由网格生成的内部节点位置比较随 意，用户无法控制。操作方法是打开 Mesh Tool 工具栏的自由选择。用单 元形状于是对面是身体依赖网格区分。对面的自由，只有网格是四角形的 组合也尽量三角形单元组成，或两者混合。身体有自由、网格单元限制四 面体。 映射网格区分要求方面和身体的形状，一定规则，且映射面网格只包 括三角形的单位和四角形的单位，映射身体网格只包括六面体单元，这就 是规则生成单元形状形状，适用规则的脸和身体。网格映射分，生成单元 尺寸依靠，当前 DSIZE ESIZE，KESIZE，LESIZE 和 ASIZE 设置。Smartsize 不能用于映射网格区分。使用时硬时，不支持映射网格的区分。这方面是 3 16 或 4 条线围起来，腋下相等的单元的分割数必须。如果这方面 3 条线围成 三条方面的单元的分割数等于是偶数，必须要。对边格数的差别，平等， 或网格边数相等，另外的格数的差是偶数，网格区分映射。 如果一个方面比 4 条线围成，那是直接采用映射网格被分为了，但是， 总的线数量的减少 4，其中的一些线配合（add）和连接（concatenated， 一种区分网格时的操作）。 代替连接操作（concatenation），拾音器方面的 3 个或四角点面映射 网格，分为它简化的方法的两个分映射网格点之间的内部连接线。 为了得到映射网格，必须在一旁指定相等的线的分割数（或定义线的 分割数对应的接力方式）。不需要所有的线指定分割数，只要采用映射网 格，分程序线的分割数 1 根边，一边传达传达给所有的旁边的网格方面） 区分身体映射网格：为了一个人分割六面体单位， 必须满足了块形状 （六 面体）、5 面体和四方面的体形对面和定义的单元的分割数必须等于 如果身体棱柱形和四面的尺寸，三角形方面的单元的分割数是偶 数相对缘区分的学分，必须等于 导入模型以后如上图所示，打开主界面,对模型进行网格划分，点击 mesh 功能旋向，右击插入 mesh 方法，选择 sizing，即设定网格大小。设