（动力机械及工程专业论文）某型16v柴油机曲轴的强度计算及性能分析.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 曲轴是柴油机的主要零件之一，也是造价最昂贵的构件，它的价格约 为整机的三分之一。并且它形状复杂、刚性差，又存在严重的应力集中现 象，容易产生疲劳破坏。整台发动机的可靠性，在很大程度上取决于曲轴 的可靠性，因此曲轴的设计和疲劳强度校核是十分必要的。 本文主要是利用有限元法对某型中高速柴油机的整体曲轴和单拐曲轴 分别进行强度计算分析。计算了整体曲轴在不同气缸发火时，曲轴的应变、 应力的变化情况。同时利用单拐曲轴的计算方便，计算量小的特征，分析 了曲轴的结构尺寸变化对应力的影响。 本文还利用了a v l e x c i t e 软件对单缸曲轴进行了动力响应的分析计 算，分析了曲轴定义节点上的位移速度加速度并描述了曲轴的工作情况， 同时分析了曲轴的振动和变形情况。 最后利用a v l d e s i g n e r 对1 6 v 柴油机整体曲轴进行了计算分析。分 析了各主轴承的受力状态；各主轴承最大油膜压力及最小油膜厚度的实际 变化情况，并对主轴承的轴心轨迹图进行了分析。同时得出曲轴各个轴承 曲拐的应力应变状态，并分析了曲轴在不同工况下的受力情况。最后比较 了圆角结构尺寸形状的不同对曲轴应力的影响并校核了曲轴的疲劳强度系 数，得出安全系数。 关键词：柴油机；有限元法；曲轴；性能分析；疲劳强度 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t c r a n k s h a f ti so n eo ft h em a i nc o m p o n e n t so fd i e s e le n g i n e i t sa l s ot h em o s t e x p e n s i v em a c h i n em e m b e r , w h i c hp r i c ei sa p p r o x i m a t e l yo n et h i r do ft h ew h o l e m a c h i n e t h es h a p ei sv e r yc o m p l e x ，r i g i d i t yi sp o o r i te x i s ts e r i o u ss t r e s s c o n c e n t r a t e s ，a n di tc a nc a u s ef a t i g u eb r e a kd o w ne a s i l y t h er e l i a b i l i t yo ft h e w h o l ee n g i n em o t o rd e p e n d so nt h er e l i a b i l i t yo ft h ec r a n k s h a f t s oi ti sv e r y c r i t i c a lt od e s i g nt h ec r a n k s h a f ta n dc h e c kt h ef a t i g u eo fi t t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dc a l c u l a t e sf a t i g u eo ft h et o t a la n dt h es i n g l e t h r o w c r a n k s h a f tt h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta b o u tt h ed i e s e le n g i n em e d i u m h e i g h ts p e e d c a l c u l a t ed e f o r m a t i o na n ds t r e s so fc r a n k s h a f ta td i f f e r e n t s t a r t i n g f i r e m e a n w h i l ea n a l y z ea f f e c t i o nt os t r e s sf r o md i f f e r e n ts t r u c t u r ea n ds i z e t h i st a k e a d v a n t a g et h a ti ti sc o n v e n i e n tt oc a l c u l a t ew i t hs i n g l e t h r o wc r a n k s h a f ta n dh a v e a1 i t t l ew o r ko fc a l c u l a t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dc a l c u l a t e sd y n a m i cr e s p o n s eo fc r a n k s h a f to fs i n g l e c y l i n d e rw i t ha v l e x c i t e a n a l y z em o v e m e n t ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no nd e f i n e n o d a la n dd e s c r i b et h ew o r ks t a t eo fc r a n k s h a f t m e a n w h i l ea n a l y z ev a r i a t i o na n d t r a n s f o r m a t i o no fi t a tl a s t ，i ta n a l y z e st h et o t a lc r a n k s h a f ti n16 vw i t ha v l - d e s i g n e r a n a l y z e t h es t a t eo ft h es t r e s so fm a i ns h a f t i n gb e a r i n g ；t h es t a t eo fa c t u a la l t e r a t i o no f p r e s s u r eo ft h em a xa n dt h em i no i l b o u n df i l m ，a n da n a l y z et h et r a c ep i c t u r eo f t h ea x l ec e n t e ro fm a i ns h a f tb e a r i n g m e a n w h i l eg e tt h es t a t eo ft h es t r e s sa n d d e f o r m a t i o no fe v e r yc r a n k s h a f t ，a n a l y z et h ec a s eo ft h es t r e s so fc r a n k s h a f tu n d e r d i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n a tl a s tt h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e sa f f e c t i o no fd i f f e r e n t s i z eo fr o u n da n g l et ot h es t r e s so ft h ec r a n k s h a f t ，c h e c k st h em a r g i no ff a t i g u e r e s i s t a n c ea n dg e t st h em a r g i no fs a f e t y k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；f e a ；c r a n k s h a f t ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ；f a t i g u e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果6 对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声睨的法律结果由本人承担9 作者( 签字) ：盈塞移 日期：年月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 曲轴是内燃机中的重要零件之一，是承受冲击载荷传递动力的关键零 件，其强度和刚度对柴油机的工作性能和寿命有决定性的影响。曲轴的几 何形状复杂，应力集中现象严重，特别是在曲轴主、连轴颈的圆角过渡部 位的应力集中现象更加的突出。随着柴油机强化程度的提高，对于曲轴强 度的要求也是越来越高。 目前国内确定运动件强度的方法有两种：一是试验研究二是分析计 算。由于试验研究需要花费很长时间和高昂费用，而且单个运动件的试验， 也不能说明整批运动件的强度。另外，试验研究只能在已制成的运动件上 进行，设计阶段则无法进行。因此，人们很早就致力于用分析计算的方法 研究曲轴强度【3 1 。然而，运动件强度的计算比较困难。一方面，运动件工 作应力的准确计算十分困难；另一方面，运动件的强度考核也比较困难， 特别是采用工艺强化措施后，其效果的定量描述难以确定，已有的运动件 强度计算都归结为疲劳强度计算，其计算步骤分为以下两步：一是应力计 算，求出运动件危险部位的应力幅度和平均应力；二是在此基础上进行疲 劳强度计算。至于计算分析；仅仅采用单拐简支梁模型来计算，然而对于 距离稍远的曲拐和载荷的影响根本不予考虑，由于这种模型对曲轴的实际 结构做了很大的简化，即无法考虑各单拐受力的相互影响也不能计算出支 承的弹性，同时计算精度很低，因此传统的计算方法根本不能满足柴油机 高可靠性、低重量、低成本的设计要求。 随着计算机和计算力学的飞速发展【4 1 ，最近3 0 多年来曲轴的计算方法 应力分析精度有了很大的提高，可以相当精确地确定在任一工况下曲轴任 _ 部位的应力，因此对于曲轴整体的强度也可以做出比较精确的评估。针 对柴油机曲轴强化设计的需要，目前国内外主要借助有限元分析，采用三 维实体单元模拟曲轴结构无疑能够得到很好的精度，本文对柴油机的曲轴 哈尔滨工程大学硕士学位论文 进行了精确的三维建模，并对曲轴进行了不同工况下的有限元分析计算， 校核了曲轴的疲劳强度；在此基础上提出曲轴的改进方案，利用试验优化 技术对不同的方案进行处理，分析了各结构因素对疲劳强度的影响程度， 得到了曲轴的最佳设计方案。 1 1 曲轴强度计算概述 1 1 1 。曲轴强度计算的发展和展望 6 0 年代以前很长一段时间内，人们主要用实验手段来研究曲轴的强 度。随着计算机和计算力学的飞速发展，最近3 0 多年来曲轴计算方法的应 力分析精度有了极大的提高，可以相当精确地确定在任一工况下曲轴任意 部位的应力，因此对曲轴整体的强度也可以作比较精确的评估。 6 0 年代至7 0 年代，产生了整体曲轴计算的连续梁模型和空间钢架模 型。在6 0 年代末期，美国的p o t t e r 提出了一种曲柄刚度的经验算法，但方 法比较繁琐，并且缺少实验和使用的验证。后来，又有人提出了一种曲柄 刚度的斜截面法，计算精度较p o r t e r 法有新的提高，但由于不能考虑削去 的肩部以及中心油孔等因素的影响，计算刚度仍然比实测值大。 下面提出的5 个问题作为对曲轴计算发展的今后展望 5 1 ： l 、按有摩擦三维接触问题模拟曲轴的支承。 2 、计算曲轴的动力响应。 3 、用弹流理论计算润滑油膜同曲轴以及主轴瓦、连杆瓦的耦合作用。 4 、对曲轴表面强化处理的工艺过程进行计算，优化硬化层的厚度。 5 、在柴油机变工况工作时曲轴的随机振动计算。 1 1 2 曲轴应力计算的分类 现有的曲轴强度计算都归结为瘴劳强度计算，其计算步骤分为以下两 步：一是应力计算，求出曲轴危险部位的应力幅和平均应力；二是在此基 础上进行疲劳强度计算。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由图11 可以看出曲轴疲劳破坏的位置是：曲柄销与曲臂或丰轴颈与 曲臂的过渡圆角处，油孔边缘。实践表明，油孔的安全系数可以通过工f 确 的设计和油孔加工的精度保证，所以不进行油孔处的疲劳计算。 图ll 单位曲柄受洼向力弯曲时的光弹性照片 常用的应力计算的方法有三种：传统法、有限元法和边界元法【 21 传统方法 传统应力计算方法可分为两种：简支粱法和连续梁。简支梁法计算简 单，使用方便，连续梁法计算复杂，但与实测结果比较吻合。 简支梁法假定曲轴上的每一曲柄是一个断开的简支梁，自由的置于通 过两主轴承中点的支撑j 二，如图12 所示。 ，7 图l2 简支梁法曲轴计算简图 连续粱法把曲轴简化为多支承的静不定连续粱，如图13 ，应用三弯 矩或五弯矩方程求解。由于假设的几何力学模型不同，连续粱法主要有以 下= m 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 、将曲轴简化为多支承圆柱形连续直梁，其直径与轴颈直径相同或相 当； 2 、曲轴作为支承在弹性支承上变截面的静不定直梁； 3 、曲轴作为支承在弹性支承上的静不定曲梁。 连续梁法一般假设曲轴的支承以铰接形式作用于主轴颈的中点。郝志 勇( 1 9 8 4 年) 认为：在内燃机曲轴上，主轴承宽度在曲拐长度上占有较大 比例，计算中不考虑轴承约束力矩的影响是不妥当的，在该作者的计算模 型中，曲拐表面与轴承接触部分受有面力，力的作用沿轴向均匀分布。显 然，这个计算模型更加接近于实际【o 】。 1 1 2 2 有限元方法 图1 3 连续梁法曲轴计算模型 传统方法根据名义应力和应力集中系数计算曲轴危险部位的应力。由 于曲轴形状复杂，名义应力的准确计算比较困难，而应力集中系数通常由 单拐平面模型计算或由有限数量的曲轴试验数据推算得到，再加上名义应 力和应力集中系数很难结合一致地反映实际最大应力，因此传统方法有相 当的不准确性。有限元理论的发展，为精确且全面地计算曲轴应力提供了 条件 i h 1 2 。 曲轴是空间构件，从对实际形状的逼近和整个应力分布规律的求解来 说，三维有限元分析最为理想。平面分析方法不能求出曲轴沿圆周方向的 应力分布，。因此，除在确定应力集中系数时还有应用外，目前已基本不采 用二维有限元模型【1 3 】。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 。2 3 边界元方法 边界元方法在柴油机计算中的应用较多，但对于曲轴这样的复杂零件， 为了获得外形比较准确、疏密适当、单元畸变小的三维边界元网格，一方 面划分比较困难，另一方面节点数也较多，规模较大，求解时间较长。因 此，目前边界元方法一般是结合有限元方法计算曲轴局部区域( 如应力集 中处) 的应力f 1 4 】。然而，由于边界元方法具有一般只需对物体的表面进行 网格划分的显著优势，数据准备比较简单，所以仍有人在研究适合柴油机 曲轴这样的复杂零件的边界元分析方法。胡圣荣等人提出了二种高精度边 界元算法，其允许采用非规则非均匀网格【1 5 】【1 s 】：除应力集中较严重的局部 区域采用较小单元外，其它部位尽量采用较大单元；在网格疏密之间快速 过渡；允许单元有相当程度的畸变等( 一般边界元方法要求网格比较规则 和均匀过渡，否则计算精度难以保证) ，从而有效地降低了节点数，减小 了计算规模。 1 2 有限元方法在曲轴性能分析中的应用 有限元法是c l o u g h 在1 9 6 0 年发表的论文中首先命名，经过近4 0 多年 的发展，已经成为工程数值分析中最为有效的技术手段，不仅成功地解决 了一大批具有重大意义的工程实际问题，而且已经开发了大批具有商业价 值的有限元软件，广泛应用于机械、航空、土木、能源、动力等领域，成 为各行业设计中不可缺少的部分m 。 1 2 1 有限元方法的基本理论 有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法。它把求解区域看作是 由许多小的节点处互相连接的子域所构成，其模型给出基本方程的子域近 似解，因为子域可以分割成各种形状和大小的不同的尺寸，所以它t 日- 匕t c , ，4 k ：a 好 地适应复杂的几何形状、材料特性和边界条件d s 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 下面以空间刚架为例，介绍一下有限元法是如何应用到实际计算中【9 】。 图1 4 空间刚架单元的节点力 图1 5 空间刚架单元的节点位移 杆件轴线选取为x 轴，其它两个坐标轴选截面形心主轴。图1 4 表示 了单元结点及其正方向，图1 5 表示了单元节点位移及其正方向。 根据平面刚架的单元刚度矩阵和两端固定杆一端发生单位扭转角的解 答【：。】，空i 日- j n 架的单元刚度矩阵为： 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 学_ 竽 一! ；量& 垒女如： ! 卫羔 ，f ： ? 捌墨 飓：按照 ，f l 她如 f 2 1 弘 ， 设瓯，x j ，x ：) ，( y o y j ，丸) ，( t ，z ；，z ：) 分别为x , y ，z 三个轴在o x y z 坐标 系内的方向余弦，得到矢量变化矩阵r ： r ：雕量1 2 ， l - t弓之j 有了矢量坐标变换式以后，可以构成空间刚架节点力或节点位移的坐 标变换矩阵t ： t = r r r r ( 1 - 3 ) 空间刚架单元刚度矩阵坐标变化式为： k 。= t 7 k 8 t ( 1 4 ) 式中：k 8一整体坐标系中的单元刚度矩阵； k 2一 局部坐标系中的单元刚度矩阵。 将非节点荷载沿局部坐标轴x ，y ，z 方向分解，然后计算固定端反力， 此时应注意固定端反力在局部坐标轴中的正负号。最后将这些固定端反力 通过坐标变换，变换到整体坐标轴x ，一y ，；方向，其前加一负号即为等效 7 氓r 竖； h 2 一一 然广 詈|广。 i | ： 一 鲰， 一 。 皆 一， 垮 警， 警 警 _ 一一 匦， i；i，_ 联p 掰一， 嗲 警 终广 如 | ； 嗽广 地， ， 一 蛾， 麒f 一 捌一f 6 m 一 警 警 艇， i ： r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 节点载荷。 1 2 2 曲轴强度计算的有限元方法概述 从6 0 年代起，有限元法随着计算机科学的发展，在包括柴油机在内的 几乎所有工程领域得到愈来愈广泛的运用。有限元技术的应用提高了柴油 机零部件设计的可靠性，缩短了设计周期，大大推动了柴油机工业的发展。 近几年来，随着计算机软硬件水平的提高，柴油机曲轴有限元技术又取得 了许多新的进展 2 u 。 1 2 2 1 计算模型 三维有限元分析采用的计算模型一般有三种。 1 、1 4 或1 2 曲拐模型【2 2 】。它主要考虑弯曲载荷作用，并认为曲轴的形 状和作用载荷相对于曲拐平面对称。 2 、单个曲拐模型【：，】。用于分析曲轴上受载荷最严重的曲拐，优点在于 计算规模小。但很难正确确定主轴颈剖分面处的边界条件，剖分面距离过 渡圆角很近也会影响计算精度。为了考虑相邻曲拐、轴承孔不同心度及支 承变形等影响因素【2 5 1 ，常将单拐模型与曲轴的整体梁元模型联合起来使 用，先用梁元模型计算曲轴各拐的约束力和支反力，然后将计算所得的约 束力和支反力与单拐受到的气压力和惯性力一并作为单拐模型的力边界条 件【2 6 】【2 7 1 。 3 、整体曲轴模型( 图1 6 ) 。这是进行曲轴有限元分析最合理的模型， 计算精度高。但是，其计算规模巨大( 如文献1 1 5 1 中曲轴整体计算模型共有 3 0 0 0 0 多个节点) ，为了在常规条件下求解，必须采用合适的方法。例如， 丁彦闯和李爱军等人采用了子结构方法，其基本思想是通过多级离散实现 结构有限元模块化【2 8 】。划分有限元网格时，考虑到曲轴局部( 如过渡圆角 和油孔部位) 产生应力集中，必须在应力集中区域将网格加密【2 9 】。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 6 整体曲轴有限元计算模型 一般采用两种方式：一种是在应力集中区域直接加密网格；另一种是 先采用粗网格计算，然后在应力集中区域取出一块进行局部细化计算。 在大多数计算模型中，油孔处的应力集中只根据经验进行粗略估算。 蓝军等人对曲轴的油孔应力集中进行了有限元分析。计算结果表明，有油 孔与无油孔模型油孔边缘处的应力相差很大( 分别1 8 8 2 m p a 和5 5 8 m p a ) ， 另外油孔周围和油道内表面的应力变化也非常剧烈，呈明显的应力集中态 势f ，o 】。 1 2 2 2 边界条件处理 载荷边界条件的处理重点是作用在轴颈表面的力处理。早期计算时， 作用在主轴颈上的支承反力由简支梁法确定，并设定为集中力。现在已基 本按连续梁法计算，并且设定作用在轴颈上的载荷为分布载荷，沿轴线方 向均布或呈抛物线分布( 图1 7 a ) ，沿圆周方向1 2 0 呈余弦分布。对于这 样的处理，参考部分文献可以认为不能较真实地反映连杆大头与曲柄销之 间实际接触力的分布情况，运用三维有限元法对两者之间的接触关系进行 了考查，结果显示，接触力沿益柄销轴线方向上各接触面的圆周接触角大 小不同，越靠近中间接触面，接触角度越小。接触力的大小也是越靠近中 间接触面越小( 图1 7 b ) 。但该文的假设条件是将连杆大头与曲柄销作为 接触问题考虑，没有考虑油膜形状和厚度的影响。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( a ) 常规情况( b ) 考虑接触时 图1 7 轴颈表面轴向载荷分布 在位移边界条件处理中，一般根据曲轴结构等方面的实际情况决定处 理方法。例如：考虑到曲轴推力轴承的止推作用，在主轴颈中央端面施加 轴向约束；在曲拐对称平面内不会产生垂直于曲拐平面方向上的位移，因 此在对称面上加相应的约束。 曲轴的支承情况很复杂，以前一般把主轴承视为刚性，对主轴颈施加 刚性约束。为了使其处理尽可能符合实际，李桂琴等人将支承看成是有一 定弹性的线性弹簧【，明；王良国等人将主轴颈所受的轴承弹性支承作用离散 为作用在支承面每个节点上的弹性边界元【2 9 ，；丁彦闯等人将曲轴和机体组 装在一起建立计算模型，用厚度不等的膜单元形成的结构来模拟机体，曲 轴与机体利用节点变位主从关系在主轴颈中点连接起来【3 0 】；蓝军等人把主 轴承盖和主轴承轴瓦看成整体的弹性体，求出相应节点的刚度，然后把它 施加到主轴颈的相应节点上【3 1 】。 1 2 3 3 动力响应分析 动响应分析是近年有限元分析的一个重点，它推动了柴油机轴系设计 由传统静态设计向动态设计的发展。结构动态设计有“正问题，和c 逆问题” 两种方法。其“正问题”方法是对结构进行修改后的结构进行重分析，其逆 问题”方法是对结构系统的逆特征问题直接求解，得出满足设计目标的结构 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 参数。 结构动态设计的大体过程是：对满足工作性能要求的初步设计图样， 或要进行改进的机械结构实物进行动力学建模，并做动态特性分析，根据 工程实际情况，给出其动态特性要求或预定的动态设计目标，再按结构动 力学“逆问题”分析方法，求解满足设计目标的结构参数或按结构动力学“正 问题”分析方法，进行结构修改和修改结构的重分析。直到满足结构动特性 的分设计要求【3 5 】。 1 2 3 柴油机有限元技术存在的主要问题 尽管目前柴油机零部件有限元技术应用有了较大的进展，但也存在许 多问题，主要有 3 6 3 ： 1 、采用特定类型的单元进行有限元分析时，网格的密度与计算精度之 间目前没有可供参考的量化关系。尽管许多大型软件提供有自适应的日方 法和尸方法，用于提高计算精度，但对庞大的缸盖、机体等分析模型，硬 件资源一般很难满足要求。今后，对特定的分析课题，这方面的研究很具 有重要的实用价值。 2 、柴油机零部件的工作状态一般都比较复杂，全面准确的确定边界条 件是非常困难的，特别是作动态分析或温度场分析，确定诸如激励与换热 系数等边界条件，问题更突出。尽管入们为此做了许多努力，但还难以尽 如人意。 3 、考虑各零件之间的刚度影响，装配体的分析势在必行。对于应力、 位移的求解，由于接触算法日趋成熟，问题主要表现在求解规模上，但作 模态分析时，现有大多数软件都不能作自动的接触判别。目前文献中提出 的零件之间的自由耦合方法在具体的不同问题中可能存在较大缺陷。 4 、现代柴油机零部件采用了许多新型材料，如新型陶瓷、新型合金等。 由于对这些材料在不同温度或不同应力状态下的力学特性研究不够，分析 计算难以采用准确的材料参数进行，影响分析结果的可信度。对缸盖、活 哈尔滨工程大学硕士学位论文 塞等工作温度分布严重不均匀的零件，如果能采用随温度不同相应变化的 材料参数，计算结果必将更加符合实际情况。 5 、有关润滑、密封、断裂、疲劳等方面的问题，由于有关理论还不完 善，其有限元分析方法还有待探讨。 6 、有限元法已经成为结构优化设计中灵敏度分析、约束函数和目标函 数计算的常用方法。但是由于优化分析往往需要在大量的迭代过程中重新 构造有限元模型，这样一方面大大增加了计算量，另一方面几何变化有限 元模型的重新构造也存在一定的困难。基于此，柴油机零部件基于有限元 法的优化分析目前基本上还局限于一些简单的结构变化。 7 、近年来，有限元高精度理论取得较大进展，但其工程应用并不多见， 研究高精度理论在柴油机复杂零部件有限元分析中的应用对提高分析效率 和分析结果的可信度具有重要意义【3 刀。 1 3 论文的主要内容 本论文将通过对某型中、高速v 1 6 柴油机整体曲轴的性能分析，得到 该机型曲轴的静态特性以及动力学特性，同时将采用多种软件对该曲轴进 行强度计算，分析应用软件在计算中的优劣。 1 、应用a n s y s 软件进行单拐曲轴的静态分析。利用p r o e 建立的几 何模型，导入到a n s y s 软件中，划分网格、定义单元属性、定义材料等 等，进行计算，得到该曲轴的弯曲应力，并与曲轴强度传统计算方法进行 了对比。同时，初步探讨了曲柄臂厚度和总载荷值变化对最大应力的影响。 2 、对1 6 v 整体曲轴进行静力分析，讨论在1 、3 、5 、7 气缸最高爆发 压力时曲轴的应力变化及应变。并比较单拐曲轴与整体曲轴强度计算时的 不同点。 3 、应用a v l e x c i t e 软件进行该机型的动力学计算。建立曲轴、主 轴承壁、连杆等体单元的有限元模型，通过m s c n a s t r a n 调入d m a p 命令， 进行有限元模型的缩减，将缩减结果文件输入到e x c i t e 模型中进行计算， 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 主要分析曲轴的动力响应，轴承的动态受力分析等。 4 、应用a v l e x c i t e d e s i g n e r 软件对1 6 v 柴油机整机进行性能分析 计算，分析基于应力集中系数确定的整体曲轴的强度计算，得到该曲轴各 个曲拐处的安全系数；通过主轴承的载荷以及轴心轨迹图，分析主轴承的 工作情况及轴系的扭振情况。 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章柴油机单拐曲轴的静态强度计算 随着柴油机功率的不断强化，曲轴的工作条件越来越苛刻，由于曲轴 的形状及其所受的载荷比较复杂对其采用传统方法的计算往往有局限性。 有限元法是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合在一起的一种数 值分析方法。本文采用有限元法对柴油机曲轴进行静强度分析，并且在总 载荷及曲臂厚度的改变上对应力的影响作出分析比较。 2 1 有限元法和a n s y s 软件 2 1 1 有限元法 有限元法是从变分原理出发，通过分区插值，把二次泛函( 能量积分) 的极值问题转化为一组多元线性代数方程来求解。其基本思想是将弹性体 划分为有限个单元，对每个单元，用有限个参数来描述它的力学特性，而 整个连续弹性体的力学特性可认为是这些小单元力学特性的总和，从而建 立起连续体的力平衡关系。这种方法常用于复杂弹性振动系统的分析。 用于结构分析的有限元法主要有三种： 协调模型的有限元法、非协调模型有限元法和杂交模型有限元法。其 中以协调模型有限元法应用最为广泛。它是以位移为基本未知数，依据最 小势能原理建立有限元公式，它的理论基础是最小势能原理，它的基本思 路是从整体到局部，再从局部到整体，通过局部近似从而得到整体的近似 解答。 有限元法求解问题，概括起来遵循以下几个步骤： 1 、将结构划分成单元：将要分析的结构分割成有限个单元体，在单元 体的指定位置设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并把 弹性体边界的约束用于弹性体边界上节点的约束去代替。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 、单元分析：即用固体力学理论研究单元的性质，从建立单元位移模 式入手，导出计算单元的位移、应变、应力、单元刚度矩阵和单元等效节 点载荷向量的计算公式，讨论单元平衡条件，建立单元节点力与节点位移 之间的关系。 3 、整体分析：即在单元分析的基础，建立系统总势能计算公式，应用 最小势能原理建立有限元基本方程：引入位移边界条件：求解弹性体的有 限元方程，解出全部节点位移，最后逐个计算单元的应力。 2 1 2 有限元法的发展趋势 目前，有限元结构分析趋向于分析系统，而不仅仅局限于零部件的分 析。更高性能的计算机和更强大的有限元软件的出现，使工程师们能够建 立更大、更精确、更复杂的模型，从而为用户提供及时、费用低廉、准确、 信息化的解决方案。随着计算机技术的提高，特别是有限元高精度理论的 完善和应用，有限元分析由静态向动态、线性问非线性、简单模型向复杂 系统，逐步地扩大应用范围。 1 、求解能力更强大。增加有限元模型几何细节会加强模拟模型与实 际结构之间的联系。在实际中，任何模拟所需要的计算机资源都是巨大的， 决定有限元模拟规模大小的因素是几何离散化程度( 节点数和单元数等) 和所用材料模型的计算复杂性。2 0 世纪9 0 年代，国外对发动机曲轴进行 了大约8 0 万自由度线性分析，2 0 0 1 年则采用了5 0 0 万自由度的模型对活 塞组件做非线性模拟。随着计算机技术和有限元技术的发展，在不久的将 来，模型可以达到1 亿自由度甚至更大。 2 、分析的分界线越来越模糊。在应力和运动的模拟分析之间，传统 的分界线将越来越模糊。能做运动模拟分析的软件也能用于分析结构，如 a n s y s 就是集结构、动力学、温度场、流体力学和磁场于一体的分析软 件。同时，相同模型用于多种分析将引起人们的重视。在汽车工业中，相 同模型可用于结构静力学和动力学分析，藕合场分析是这种趋势的最明显 哈尔滨工程大学硕士学位论文 体现。 3 、系统分析。系统分析的出现，使得整个系统、子系统和零部件之 间的关系需要综合考虑，它们之间的影响具有层次性，各零部件之间的影 响将表现在整个系统分析中。分析某一零件时，为考虑其它零件刚度的影 响和力的传递，在计算模型中应该包括相关的其它零件。另外，为了达到 对系统整体性能了解的要求，还应该进行系统内部装配件分析。 2 1 - 3 有限元分析软件a n s y s l 、a n s y s 软件介绍 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析( f e a ) 软件，能够进行包括结构、热、声、流体、电磁场等学科的研究。a n s y s 软件完成的主要功能包括：研究模型的物理响应，如应力水平、温度分布 或者电磁场等；做数值模拟实验，a n s y s 包括2 0 0 多种单元，提供了对 各种物理场量的分析功能；优化设计变量和约束变量等等。 2 、a n s y s 软件的结构 1 ) 处理器 a n s y s 按功能模块分为9 个处理器，这些处理器分别执行不同的任 务。只要按步骤进行操作，就很容易建立自己的分析任务，获得求解。有 两种方法进入处理器，图形用户交互方式和命令方式。 2 ) 文件格式 当建立一个分析任务时，a n s y s 自动创建大量文件，这些文件以任 务名为文件名，通过对任务名后添加字符或使用不同的扩展名来识勋不同 类型的文件。在所有文件中，数据库文件是最重要的文件。a n s y s 以确 定的结构，把所有输入数据和输出数据存储在_ 个数据库中( 扩展名 为d b ) ，通过对数据库的读取完成不同处理器之间的相互通信) 。 3 ) 输入方式 a n s y s 提供了多种输入方式，方便用户完成分析任务：菜单方式、函 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数方式和命令方式，或者这些方式的组合。菜单方式是用鼠标在菜单( 通 用菜单或主菜单) 上进行选取，通常会弹出各种对话框，以完成各项操作。 命令方式是从命令行中输八命令及命令域的值。对一些常用且熟悉的命令， 用该方式更为快捷。函数方式也是从命令行中输入，只需要输入命令，而 命令域的值将通过弹出菜单输入，这样可以简化操作。 2 。2 柴油机曲轴模型的建立 2 2 1p r o e n g i n e e r 软件介绍 作为全世界最为普及的3 dc a d c a e 应用系统，p r o e n g i n e e r 软件 自1 9 8 8 年由p t c 公司推出第一个版本，现在已经广泛应用于机械、汽车、 电子、通讯、航天、家电等各个行业。 2 0 0 4 年推出最新版本p r o e n g i n e e rw i l d f i r c2 0 ( 野火版) ，在用户 界面、集成特征、通信功能和软件模块上有了较大的创新【4 l 】。 p r o e n g i n e e r 是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专 用功能来实现，其中包括：筋( r i b s ) 、槽( s l o t s ) 、倒角( c h a m f e r s ) 和壳体( s h e l l s ) 等，采用这些手段来建立形体，对于工程师来说是更自然， 更直观。p r o e n g i n e e r 系统的参数是采用符号表示形体尺寸，不像其他系 统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸 和功能之间的关系；同时，任何一个参数改变，其它相关的特征也会自动 修正，这种功能使得修改更为方便和快捷；造型也不单可以在屏幕上显示， 还可传送到绘图机上或一些支持p o s t s c r i p t 格式的彩色打印机上。 p r o e n g i n e e r 还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分 析软件及其它前、后置处理软件等，这些都是通过标准数据交换格式来实 现，用户还可配上p r o e n g i n e e r 软件的其它模块或自行利用c 语言编程， 以增强软件的功能。 p r o e n g i n e e r 功能如下： 1 、特征驱动( 例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 、参数化( 参数= 尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等) 。 3 、通过零件的特征值之间，载荷边界条件与特征参数之间( 如表面 积等) 的关系来进行设计。 4 、支持大型、复杂组合件的设计( 规则排列的系列组件，交替排列， p r o p r o g r a m 的各种能用零件设计的程序化方法等) 。 5 、贯穿所有应用的完全相关性c 任何一个地方的变动都将引起与之 有关的每个地方变动) 。其它辅助模块将进步提高扩展p r o e n g i n e e r 的 基本功能，比如p r o a s s e m b l y ，p r o c a b l i n g ，p r o c a t 等等 。i 。 2 2 2 曲轴三维实体模型的建立 基于p r o e 与a n s y s 接口，利用p r o e 建立单拐曲轴的三维模型 如图2 1 所示： 函逶滋萄蕾 图2 i 曲轴三维模型 22 3 曲轴模型的网格划分 a n s y s 提供两种创建有限元模型的方法，即直接法和几何模型网格 划分建模的方法，本文采用的是第二种方法。 1 、定义单元类型：本文采用四面体网格，加大其密度能够基本达到预 期的效果，所以采用的是8 节点四面体的单元s o l i d 4 5 ，网格数足2 4 8 4 1 5 个，节点数足3 8 4 7 2 个，网格模型如图2 2 所示。 o ，f 。蘑一 圈2 2 曲轴单拐网格模型 2 、定义单元实常数：单元实常数是从物理对象抽象到数学对象，是无 法保留的各种几何、力学、热学等属性参数，必须作为单元实常数的方式 增补给指定的单元，从而使单元的行为和属性保持与物理对象的一致。 3 、定义材料属性表：本文模型柴油机曲轴的材料足4 2 c r m o ，材料特 性如下：弹性模量e ：2 1 e 1 1 【n m 3 ) ；泊松比, t ：0 3 ；质量密度：78 e 3 【蚓秆) ； 以：9 5 0 m p a ；旺：9 0 0 m p a ；啦：6 9 0 m p a 。 2 3 边界条件的确定 边界条件的施加方式与有限元网格模型的生成方式直接相关，在施加 边界条件的时候，本文进行了简化假设： 1 、不考虑轴颈扭矩及支撑弯矩的作用。 2 、各力都不是集中力，曲拐各部分离心力由程序自动加载，在模型中 不施加其它的离心力。 3 、支反力和连杆轴颈受力不是作用在曲拐平面内。 23 1 位移边界条件 由于三维8 节点单元必须约束所有节点的三个方向的转动自由度，因 此只进行移动自由度的约束处理。虽然支反力等不作为集中力作用在曲拐 甲面内，但台力方向基本上在同一平面内，因此左端轴颈圆周面上的所有 节点约束其my 方向的移动自由度，右端轴颈圆周面上的所有节点约束 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其径向自由度五】，。 2 3 2 力边界条件 对于曲拐离心力，将其均匀作用在连杆轴颈减重孔上边缘曲拐平面内 的节点上；而平衡重离心力，则均匀分布在曲拐平面内平衡块宽度方向上 的节点上。对于支反力和连杆轴颈受力，根据传统的方法及有限宽度轴颈 油膜压力分布规律，忽略油孔处压力峰值突起的影响，可假定力边界条件 为：载荷沿连杆轴颈和主轴颈轴线方向按二次抛物线分布；在沿轴颈径向 1 2 0 。角范围内按余弦规律分布，如图2 - 3 所示： 图2 3 轴钡受力边界条件 设压力分布曲线方程为： q = a 1 2 + b l + c ( 2 1 ) 设轴向受力长度为2 l ，将，= l ，一l 代入式( 2 1 ) 中，得： 哆+ b l 托- o ( 锄) l 以2 一b l + c ：0 又当z = 0 时，z = g 一，所以c = g 一，代入式( 2 2 ) 得： f b = 0 卜等 。3 而 q = 4 fr 劬c 。s ( 3 0 ：) a s d l = 4 rf 。研c 。s ( 3 彰2 ) r d 秒刃= 罢r f g ，讲 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中d s = r d o 。 因为： g j = 扩+ b l + q 。= 日。1 1 一吉，2 ( 2 - 5 ) 将式( 2 - 5 ) 代入式( 2 - 4 ) 中得： q = ；。一f ，一可1 ，2 p = 萼。一皿 c z 由此可得： = 器 ( 2 _ 7 ) m = 羔( t 一引 s ， 得到沿轴颈圆周方向载荷方程： q ( f 俨羔( - 市1 2 c o s 爿 ， 式中：q一一作用在轴颈上的总载荷； r 一轴颈半径： l 一轴颈承载长度； ，l 上根据上述公式，在a n s y s 中采用了方程加载的方法对有限 元模型施加力的边界条件，如图2 4 所示，图中轴颈上的箭头即为等效节 点边界力。对该模型加载采用a n s y s 的命令流( 附录) ，图24 所示为加载 完载荷及定义完约束后的示意图。 图2 4 有限元模型的约束条件 2 4 计算结果分析 边界条件精确定义后，采用a n s y s 对曲轴进行有限元计算，得到在 额定转速1 0 5 0 r p mf 的应力分布图，为了计算中单位换算的方便，一般采 用国际单位制。 通过应力计算从提供的西躅可以看出，麻力集中的部位在曲柄臂j 主 轴颈、曲柄臂j 连杆轴颈的过渡圆角娃，这- j 实际情况相符。应力值的蛙 人点位十曲柄臀与丰轴颈过渡圆角处接近中心点，其值为2 2 5 n m m ：曲 柄臂与曲柄销过渡尉角处应力的最大值是1 9 0 n 哪2 。从图5 可以看出， 这t j 约束条件限制其f i 由艘肯关。 棼，。：h 。# 画霪堕驷：；“翻 x ni-i 醉鲻印 幽幽 阿25 曲轴单攒的应力云图 计算出曲轴弯曲应力最大值位十主轴颈的过渡蹦角处的值为 2 2 5 n m m 2 ，f v v 算法提出r 曲轴结构尺寸的影响因素，引入了心角应力 集中系数的概念，本机型主轴颈处圆角弯曲应力集巾系数足215 8 ，报据 絷j 章中的强度校核计算方法，经计算曲轴所能承受的圃角最大交变弯曲 啦力值是2 8 56 n m m 2 ，孩曲轴的安全系数为21 5 ，大于该种材料规定的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 4 ，因此证明该单拐曲轴是安全可靠的。 2 5 载荷及曲臂厚度的变化对应力的影响 2 5 1 总载荷变化对曲轴应力的影响分析 柴油机在交变的载荷下工作，载荷的大小对发动机的性能影响较大， 本文通过采用对曲轴一侧自由度完全固定而另一侧释放一个轴向自由度的 约束下，改变作用在曲柄销上的总载荷大小，分析出总载荷对过渡圆角处 最大应力的影响，由于约束条件的改变，计算最大应力值也随之改变。 图2 6 主轴颈过渡圆角最大应力随总载荷变化曲线 墨 姜 世- 1 篓 曩 超 图2 7 连杆轴颈过渡圆角最大应力随总载荷变化曲线 从图2 6 和2 7 可以看出，主轴颈和连杆轴颈过渡圆角的最大应力值 都是随总载荷的增大而增大，且二者的关系是线性的。但可以看出主轴颈 过渡圆角的最大应力值变化得更加剧烈，也就是说总载荷的变化对主轴颈 哈尔滨工程大学硕士学位论文 过渡圆角影响更大，所以当曲轴在较大的变载荷作用时，主轴颈过渡圆角 更容易发生疲劳破坏。 2 5 2 曲柄臂厚度的变化对曲轴应力的影响分析 l 虬 r 弓1 3 0 r 复孀 皤 援1 2 0 鼠 鲻 捌1 1 5 1 1 0 7 37 6 7 9 铊略弱 9 1 曲柄臂厚度( 皿) 图2 9 连杆轴颈过渡圆角最大应力随曲柄臂厚度变化曲线 曲柄臂的尺寸和形状对柴油机曲轴的疲劳强度有较大的影响，在设计 阶段一般就考虑增加曲柄臂厚度或在曲柄臂上设立卸载穴以减少疲劳破