（机械制造及其自动化专业论文）双质量飞轮系统的可靠性分析.pdf

武汉理t 人学硕1 ：学位论文 摘要 双质量飞轮式扭振减振器，简称双质量飞轮，是目前汽车上减振降噪效果很 好的装置。双质量飞轮的设计技术在国外已经很成熟了，但是在国内，由于我国 汽车工业的历史原因，对汽车双质量飞轮技术的关注比较晚，对双质量飞轮的研 究刚刚起步。近年来，随着国内汽车行业的迅速发展，以及乘客对于汽车稳定舒 适要求和节能减排要求的逐步提高，双质量飞轮在国内的市场前景很好。国内的 一些公司和大学也相继开始了双质量飞轮设计技术的研究工作。但是双质量飞轮 的工作环境恶劣，它工作在发动机和变速箱之间，发动机剧烈的扭振对双质量飞 轮的寿命有很大影响，因此，对双质量飞轮的可靠性分析具有很重要的意义。 本文以和江铃某款越野车匹配的双质量飞轮为研究对象，主要做了下面一些 工作： 首先，利用三维设计软件s o l i d w o r k s 对该款双质量飞轮进行了精确建模， 在三维实体模型的基础上，分析了双质量飞轮及其零部件的受力情况，为后面的 静强度分析做准备。 其次，利用大型通用有限元分析软件a n s y s 对该款双质量飞轮的重要零部 件进行了静强度和固有频率分析，为后面的可靠性分析做准备。 再次，根掘强度一应力干涉理论和故障树分析方法，分别建立了双质量飞轮 零件静强度可靠性分析模型和双质量飞轮系统静强度可靠性分析模型，并分别根 据建立的模型对双质量飞轮零件静强度可靠性和双质量飞轮系统静强度可靠性 进行了分析。 另外，本文还提出了双质量飞轮系统可靠性分配的三标度模糊层次分析法， 通过比较分配结果和双质量飞轮零件实际失效情况，证实该方法适合双质量飞轮 的可靠性分配。 最后，本文尝试建立了双质量飞轮零件扭振可靠性的分析模型。 关键词：双质量1 5 l 轮，静强度可靠性，三标度模糊层次分析法，扭振叮靠性 武汉理t 大学硕上学位论文 a b s t r a c t d u a l - m a s sf l y w h e e lt o r s i o n a lv i b r a t i o nd a m p e r , r e f e r r e dt oa sd u a l m a s s f l y w h e e l ，w h i c hi st h eb e s td e v i c et h a tc a nr e d u c ev i b r a t i o na n dn o i s eo fv e h i c l e t h e d e s i g nt e c h n o l o g yo fd u a l m a s sf l y w h e e lh a sb e e nv e r ym a t u r ei nf o r e i 印c o u n t r i e s b u ti no u rc o u n t y , w ea r er e l a t i v e l yl a t ep a y i n ga t t e n t i o nt ot h ed u a l m a s sf l y w h e e l d u et oh i s t o r i c a lr e a s o n so fo u ra u t o m o b i l ei n d u s t r y , a n dt h er e s e a r c ho nd u a l m a s s f l y w h e e lh a sj u s tb e g u n t h i sy e a r w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd o m e s t i c a u t o m o b i l ei n d u s t r y , a sw e l la st h eg r a d u a l l yi n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t so fp a s s e n g e rf o r s t a b i l i t y , c o m f o r t , e n e r g y - s a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o no fa u t o m o t i v e ，d u a l - m a s s f l y w h e e lh a sv e r yg o o dm a r k e tp r o s p e c t s a n ds o m ed o m e s t i cc o m p a n i e sa n d u n i v e r s i t i e sa l s oh a v es t a r t e dt h er e s e a r c ho nd e s i g nt e c h n o l o g yo fd u a l m a s sf l y w h e e l b u tt h ed u a l - m a s sf l y w h e e lw o r kb e t w e e ne n g i n ea n dg e a r b o xw h i c hi sap o o rw o r k c o n d i t i o na n dh a sg r e a ti n f l u e n c eo nl i f eo fd u a l - m a s sf l y w h e e l t h e r e f o r e ，s t u d y i n g o nr e l i a b i l i t yo fd u a l - m a s sf l y w h e e li sv e r yi m p o r t a n t t h i sp a p e rm a i n l yc a r r i e do u tt h ef o l l o w i n gr e s e a r c ho nd u a l m a s sf l y w h e e l w h i c hw a sm a t c h e dw i t has p o r tu t i l i t yv e h i c l ej m c f i r s t ，t h i sp a p e ra c c u r a t em o d e l st h et h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo ff l y w h e e l u s i n g3 dd e s i g ns o f t w a r es o l i d w o r k s ，a n da n a l y z et h ef o r c ec o n d i t i o no fd u a l - m a s s f l y w h e e la n di t sp a r t sb a s e do nt h ea c c u r a t em o d e l ，w h i c hi sp r e p a r i n gf o rt h es t a t i c s t r e n g t ha n a l y s i so fd u a l m a s sf l y w h e e l s e c o n d l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t a t i cs t r e n g t h a n dn a t u r a l f r e q u e n c y o f i m p o r t a n tc o m p o n e n t so fd u a l m a s sf l y w h e e lu s i n gt h el a r g e s c a l eg e n e r a l - p u r p o s e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，w h i c hi sp r e p a r i n gf o rt h ef o l l o w i n g r e l i a b i l i t ya n a l y s i s a g a i n ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e sr e s p e c t i v e l yt h es t a t i cs t r e n g t hr e l i a b i l i t ya n a l y s i s m o d e lf o rd u a l m a s sf l y w h e e la n di t sc o m p o n e n t sa c c o r d i n gt os t r e n g t h - s t r e s s i n t e r f e r e n c et h e o r ya n df a u l tt r e ea n a l y s i sm e t h o d s r e s p e c t i v e l y , a c c o r d i n gt ot h e m o d e le s t a b l i s h e da b o v e , t h i s p a p e ra n a l y s e s t h es t a t i c s t r e n g t hr e l i a b i l i t yo f d u a l m a s sf l y w h e e la n di t sc o m p o n e n t sa n dc o n f i r m e dt h em o d e l sa b o v ea r ec o r r e c t a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l ta b o v e i na d d i t i o n t h ep a p e ra l s op r o p o s e dt h et h r e e s c a l e 舢pw h i c hi ss u i t a b l et o r e l i a b i l i t yd i s t r i b u t i o no fd u a l - m a s sf l y w h e e ls y s t e m a n dt h ep a p e rc o n c l u d e st h e c o n c l u s i o nt h a tt h r e e - s c a l ef a h pi ss u i t a b l et or e l i a b i l i t yd i s t r i b u t i o no fd u a l m a s s f l y w h e e lb a s e do nc o m p a r i n gt h ed i s t r i b u t i o nr e s u l ta n da c t u a lf a i l u r er e s u l t o f 武汉理工火学硕l 学位论文 c o m p o n e n t so fd u a l m a s sf l y w h e e l f i n a l l y , t h ep a p e ra t t e m p t st oe s t a b l i s ht h ev i b r a t i o nr e l i a b i l i t ya n a l y s i sm o d e lf o r c o m p o n e n t so fd u a l m a s sf l y w h e e l k e yw o r d s ：d u a l m a s sf l y w h e e l ，s t a t i cs t r e n g t hr e l i a b i l i t y , t h r e e s c a l ef a h p , t o r s i o n a l v i b r a t i o nr e l i a b i l i t y 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：查速幽 日期团旦：圣哆 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究生签名：坶导师签名妇同期一 武汉理工大学硕十学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 根据统计数据分析，我国目前汽车产量将保持至少1 5 的增速，同时，燃油 消耗的增长速度也会大幅上升。但是，由于保护环境和国家可持续发展的需要， 能源消耗必须走向高效化、清洁化、多元化。这对汽车行业的发展提出了新的要 求。 目前，汽车上的发动机大多为汽油发动机，因为汽油发动机转速高、制造维 修费用低、质量轻、易启动、工作噪音小，但是汽油机的燃油效率低，二氧化碳 和其他有害气体排放量高，已经逐渐不适应现在的环保和可持续发展的要求了。 现在可以替代汽油发动机的内燃机是柴油发动机，与汽油发动机相比，柴油发动 机具有功率大，二氧化碳排放量低，燃油效率高等系列有点。但是，柴油发动 机功率大的同时，产生的振动与噪声更强烈，且排放的有害颗粒量大。目前， 国内汽车上的减振装置采用的大都是离合器从动盘式扭振减振器。但是，离合器 从动盘式扭振减振器的减振效果有限，虽然可以满足汽油发动机的要求，但是对 于振动和噪声更大的柴油发动机，其减振降噪功能远不尽人意。 目前，国外的汽车发动机上安装的都是一种新型的减振降噪装置，双质量飞 轮式扭振减振器。该装置可以有效的减振降噪，很好的满足了人们对汽车越来越 高的稳定舒适的要求。 双质量飞轮式扭振减振器，简称为双质量飞轮( d u a l m a s sf l y w h e e l ) ( 下文 统称为双质量飞轮) ，是上世纪8 0 年代出现在汽车上的一种新型隔振减振装置， 上世纪9 0 年代在欧美得到了广泛的推广，是当前汽车上隔振减振效果最好的装 置。目前，双质量飞轮的技术在欧美比较成熟，产品已经从早期简单的机械干摩 擦式发展到液力阻尼式的机液一体化的现代产品，一些技术先进的汽车厂商都有 自己开发的双质量飞轮应用在相应汽车上。在国内，对双质量飞轮技术的关注和 研究比较晚。近年来，随着国内汽车行业的发展，竞争越来越激烈，各汽车零部 件厂商为了在激烈的市场竞争中占有一席之地，纷纷丌始在生产和技术上寻求突 破，双质量飞轮技术越来越受到重视【2 】。 双质量飞轮是在离合器从动盘式扭振减振器的基础上发展出来的一种减振 器，它和离合器从动盘式扭振减振器一样，都由三部分组成：第一质量、第二质 量、扭转减振器。第一质量直接和发动机曲轴输出端的法兰盘联接，第二质量通 过刚性离合器与变速器相连，两质量之间通过扭转减振器连接在一起。扭转减振 武汉理t 大学硕士学位论文 器可以传递发动机的扭矩并隔离曲轴与变速器间的扭振。改变第一、第二质量的 惯量和扭转减振器的刚度及阻尼可以调节动力传动系的扭振特性。 双质量飞轮装在发动机和变速器之间，发动机产生的扭矩通过主轴直接传到 双质量飞轮上，双质量飞轮将发动机传递来的不稳定的扭矩过滤后，传递给变速 器。双质量飞轮由于其特殊的结构和装置，过滤了发动机传递出来的大部分高频 和低频振动，传给变速器相对平稳的扭矩，达到隔振和减振的目的。 由于整个双质量飞轮系统装在高速旋转的发动机和变速器之间，承受着发动 机传递进来的巨大无规则震动以及变速箱传递过来的时刻变化的外载荷的作用， 其工作环境十分恶劣，有必要对双质量飞轮系统的各个零部件进行可靠性分析设 计，以提高双质量飞轮工作的可靠性。 1 2 机械可靠性发展的历史和现状 可靠性作为衡量产品质量的一个重要指标，早已不是一个新的概念。在现代 生产中，可靠性技术已经贯穿于产品的开发研制、设计、制造、试验、使用、运 输、保管及维修保养等各个环廿【引。 早期对可靠性的所有描述都只停留在概念层面上，实际上，早期的可靠性是 一门边缘性学科，可靠性真正成为一门科学被系统的加以研究是始于二战后期。 当时，德国的火箭专家r l u s s e r 提出用概率乘积法则，将系统的可靠度看成是各 个子系统的可靠度乘积，首次定量的表达了产品的可靠性。正是由于r l u s s e r 首次将可靠性从简单的概念层面提高到了可以定量描述的科学层面上，可靠性作 为一门科学被系统的研究l 成为了可能。在后面的几十年时间里，可靠性理论不 断被完善，最终形成了我们今天的可靠性科学。 美国很早就丌始了对可靠性的研究工作，刚开始因为当时的雷达系统发展很 快，而电子元件却经常发生故障，导致整个雷达系统发生故障，由于现实的需要， 美国主要发展电子产品的町靠性技术。到了上世纪6 0 年代，美国开始进行航天 技术的开发，这时候经常出现的故障大多是由于机械故障引起的，又是由于现实 的需要，美国开始转向机械系统可靠性的研究。例如，将可靠度指标直接落实到 应力分布和强度分布都随时间变化的机械零部件的设计中去等等，这些方法都大 大提高了产品最后的可靠性。 日本对于可靠性技术的研究始于上世纪5 0 年代，当时的可靠性技术是直接 由美国引进的。可靠性技术早期一直被用于军事相关领域，日本从美国引进后率 先将其应用到民用工业部门，大幅度提高了月本产品的可靠性。在激烈竞争的市 场环境下，日本产品以其高可靠性抢占了大量的市场，给日本企业带来了巨大的 2 武汉理- t 大学硕士学位论文 经济效益。日本将可靠性技术从军事相关领域应用的民用工业部门取得了巨大的 成功，也正式开启了民用产品可靠性设计研究的先河。 国内的可靠性工作也是从电子元件的可靠性研究开始，最先是由电子工业部 门开展的，在上世纪6 0 年代初进行了可靠性评估的开拓性工作。机械可靠性的 发展相对缓慢，这是由现实需要和机械可靠性的特点决定的。现在随着人们对机 械可靠性要求的提高，机械可靠性的研究工作将会越来越受到重视。 1 3 双质量飞轮的研究现状 1 3 1 双质量飞轮的发展情况 双质量飞轮是从离合器从动盘式扭振减振器发展而来的。1 9 8 4 年，日本丰 田汽车公司的“m a r k i i ”汽车上首次出现了双质量飞轮。该车当时虽然还是采 用了传统的离合器从动盘式扭转减振器的形式，但这是汽车双质量飞轮式扭转减 振器发展史上的转折点。 随后，宝马公司于1 9 8 5 年正式将双质量飞轮装备在型号为“b m w 3 2 4 d ” 的汽车上，取得了很好的效果，该车当时有“世界上最安静的柴油车的美誉。 之后宝马公司将双质量飞轮相继安装在b m w 5 2 4 t d 、b m w 5 2 5 、b m w 5 2 8 e 等 车型上，大大降低了汽车的扭振和因此产生的噪声【4 0 】。 于此同时，世界上其他一些汽车工业发达的国家相继进行了双质量飞轮产品 的开发和研制。其中，成果最为显著的是德国和法国。到上世纪9 0 年代初，双 质量飞轮产品基本上趋于成熟，此时大量的专利产品丌始出现，在s a e 上也出 现了研究双质量飞轮的论文。并且此时的双质量飞轮产品也从最初简单的机械干 摩擦式向液力阻尼式的机液一体化式发展，产品也由最初仅仅应用在柴油机车上 发展到可以用于中低档轿车、汽油车甚至是大客车上，传统的离合器从动盘式扭 振减振器在欧洲也正逐步的退出历史舞台。 在国内，由于历史原因，国内汽车汽车工业起步晚，起点低，长期以来都是 靠引进吸收国外技术制造汽车。从八十年代开始，我国汽车工业开始了大规模的 技术改造，汽车制造技术显著提高，并逐步消化吸收了国外离合器从动盘式扭振 减振器的设计制造技术，但是在双质量飞轮的技术领域，国内只有一些汽车公司 和大学进行了研究，并且也开发生产出了样机，但是还没有能力进行批量生产， 国内装备了双质量飞轮的国产汽车，使用的都是国外的产品。 目前国内正在开发柴油车和混合动力车，柴油车能提供比汽油车更大的功 率，但是它的振动也更激烈，动力混合车在开发过程中也遇到了很大的振动的问 u 嗽8 t 学l 学位论业 题。在这种情况下传统的离台器从动盘式扭振减振器满足不了减振的要求只 能将目光转向职质量e 轮目时国内对双质量飞轮的开发和研究具有很重要的现 宴意义。 双质量飞轮在国外经过二十几年的发展，产品已经定型，各项技术也比较成 熟。现在国内的技术研究犬都是在现肯国外产品的基础e ，摸索设计方法，对现 有产品进行改进等工作，这就必然涉及到双质量飞轮可靠性的分析。 目前，国外没有专门钊对双质量e 轮可靠性分析的 仑文旋表，对其可靠性的 研究乜只有一些公司做过，但没有任何可以借鉴的公开资料。国内对双质量飞轮 的研究主要集中在设计方面，对其t 叮靠性的研究也没有公丌的资料可以查阅。 13 2 本文研究的双质量飞轮 双质量飞轮根据扭转减振器采用的弹性元件、阻尼类型以及支撑轴承的小可 可以有多种彤式，l ：要订撕轻掸骑式、弧形螺旋弹簧式、橡胶弹簧式、长螺旋弹 簧式、限制弹簧位胃式、液力武和多层弹簧武等结构形式”1 。其中最常h j 的是 k 螺旋弧形弹簧式双质量e 轮，本文研究的也足一款改类型的双质量e 轮。 长蝶旌弧形弹簧式般质艄e 轮将传统离台器从动盘式扭振减振器的扭转减 振器取出将其布置在发动机e 轮中间这样就使得双质量e 轮兼有传统飞轮可 以改善曲轴转速均匀性的功能和离合器从动盘式扭振减振嚣的减振降噪功能。该 娄h 的双质景飞轮主要山i 部分组成，上b 轮总成也叫第一质量、副飞轮总成也 叫笫：质量，和布胃在主e 轮和副飞轮之h j 的扭转减振器。主e 轮总成由内盖和 外盘朋螺耄j 连接而成，剐b 轮总成由剐b 轮和拨盘通过铆钉连接而成。主b 轮总 成和剐e 轮总成由扭转减振器连接起来组成双质量飞轮，在工作过程中，与芨动 机曲轴连接的主飞轮总成通过井【转减振器的减振弹簧，带动拨盘运动，副飞轮总 成再将转矩传递给与之舶i 连的变速箱。图1 - 3 一i 足本文研究的长螺旋弧形弹簧式 般质艟e 轮上面可以比较f ， 戆的看到其零部件的种类和装配情况。 l l 砌噶 刚1 3 一l 本文研究的双质量e 轮 武汉理t 人学硕上学位论文 1 4 本课题的来源及本文的研究内容 本课题来源自湖北省科技攻关项目“发动机双质量飞轮性能检测系统及其关 键技术和重庆海通机械制造公司的项目“v m 双质量飞轮新产品开发 ， 本文首先建立了所研究双质量飞轮的三维实体模型，在该模型的基础上主 要做了下面几个方面的研究工作。 ( 1 ) 双质量飞轮系统的力学分析 本文根据与v m 汽车发动机匹配的某款双质量飞轮的各种参数，对该款双质 量飞轮进行了力学分析。主要包括双质量飞轮的静强度分析、双质量飞轮固有频 率的分析，为后面可靠性分析做准备。 ( 2 ) 双质量飞轮静强度可靠性分析 该部分包含两个方面的内容，双质量飞轮零部件静强度可靠性分析和双质量 飞轮系统静强度可靠性分析。本文分别建立了双质量飞轮零部件可靠性分析的模 型和双质量飞轮系统可靠性分析的模型，并利用这两个模型分别对双质量飞轮零 部件可靠性和双质量飞轮系统可靠性进行了分析。 ( 3 ) 双质量飞轮系统可靠性分配方法研究 可靠性分配是产品可靠性设计中很重要的一环，直接影响到产品最后的可靠 性。本文尝试应用三标度的模糊层次分析法对双质量飞轮系统的可靠性指标进行 分配。然后对比结果与实际双质量飞轮各部件的失效情况，证实三标度模糊层次 分析法对双质量飞轮系统的可靠性分配具有较好的适用性。 ( 4 ) 双质量飞轮振动可靠性分析 由于双质量飞轮工作在强烈振动的环境下，振动对其可靠性有很大的影响。 本文尝试对双质量飞轮的振动可靠性进行分析，建立了双质量飞轮零件振动可靠 性分析模型。 武汉理t 大学硕+ 学位论文 第2 章双质量飞轮系统的力学分析 本章对双质量飞轮的力学分析是基于三维设计软件s o l i d w o r k s 和大型有限 元分析软件a n s y s 进行的。首先利用三维设计软件s o l i d w o r k s 建立双质量飞轮 系统的精确模型，然后将各个零件导入大型有限元分析软件a n s y s 里，对其进 行力学分析。然后根据分析结果，对双质量飞轮系统的各个零件提出改进意见。 2 1s oi d w o r k s 三维设计软件和a n s y s 分析软件 2 1 1 三维设计软件s o li d w o r k s s o l i d w o r k s 是s o l i d w o r k s 公司的c a d 产品，该公司成立于1 9 9 3 年。 s o l i d w o r k s 是该公司于1 9 9 5 年推出的一款三维机械设计软件，也是世界上第一 个基于w i n d o w s 开发的三维c a d 系统。s o l i d w o r k s 从推出至今，在激烈的市场 竞争中，以其优良的性能、易用性和创新性，占据了三维设计软件大块的市场份 额，成为三维机械设计行业的标准，也大大提高了机械设计师的设计效率。 s o l i d w o r k s 软件的优点主要表现的以下几个方面【2 9 。4 】： l 、s o l i d w o r k s 软件是第一个在w i n d o w s 操作系统下开发的c a d 软件，采 用w i n d o w s 系列，与w i n d o w s 系统全兼容，是w i n d o w s 的o l e 2 产品。 2 、s o l i d w o r k s 软件菜单少，使用直观、简单，界面友好。 3 、s o l i d w o r k s 支持的数据转换接口丰富，转换成功率高，它主要支持的标 准有：l g e s 、d x f 、d w g 、s a t ( a c s i ) 、s t e p 、s t l 、a s c 或二进制的v d a f s ( v d a ，汽车工业专用) 、v r m l 、p a r a s o l i d 等，且与c a t i a 、p r o e n g i n e e r 、 u g 、m d t 、i n v e n t o r 等设有专用接口。s o l i d w | o r k s 与i - d e a s 、a n s y s 、 p r o e n g i n e e r 、a u t o c a d 等之间的数据转换均非常成功、流畅。 4 、s o l i d w o r k s 软件功能配置独特。s o l i d w o r k s 允许建立个零件而有几个 不同的配置( c o n f i g u r a t i o n ) ，这对于通用件或形状相似零件的设计，可大大节 约时间。 5 、s o l i d w o r k s 软件拥有独特的特征管理器。特征管理器( p r o p e n ym a n a g e r ) 是s o l i d w o r k s 的独特技术，在不占用绘图区空间的情况下，实现对零件的操纵、 拖曳等操作。 6 、s o l i d w o r k s 软件独有的自上而下的装配体设计技术( t o p t o d o w n ) 。目前 只有s o l i d w o r k s 提供自上而下的装配体设计技术，它可使设计者在设计零件、 毛坯件时于零件间捕捉设计关系，在装配体内设计新零件、编辑已有零件。 6 武汉理工大学硕十学位论文 7 、比例缩放技术。可以给模具零件在x 、y 、z 方向给定不同的收缩而得到 模具型腔或型芯。 8 、曲面设计工具。用s o l i d w o r k s ，设计者可以创造出非常复杂的曲面。 单然，s o l i d w o r k s 也是一款逐步改进完善的软件，它也有某方面的不足。例 如：s o l i d w o r k s 的曲面造型功能不够强大，远不能跟u g 、p r o e 等软件相比。 2 1 2 大型有限元软件a n s y s a n s y s 软件是世界上最大的有限元分析软件公司a n s y s 的产品。该软件 集结构、流体、电场、磁场、声场、热分析功能于一体，且能与多数c a d 软件 接口实现数据共享和交换，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。a n s y s 软件经过3 0 多年的发展，特别是a n s y s 公司相继收购i c e m 、c f x 、c e n t u i w d y n a m i c s 、a a v i dt h e r m a l 、f l u e n t 等世界著名有限元分析程序制造公 司并将其产品与a n s y s 整合之后，目前的a n s y s 实际上已成为世界上最通用 和有效的商用有限元软件。 a n s y s 软件的思想实际上就是有限单元法思想，该思想早在2 0 世纪4 0 年 代初期就已经出现了，但是到1 9 6 0 年，该思想才第一次在论文中被使用。到2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，有限单元法理论已经基本成熟了。 有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并在每一单元中 设定有限个节点，将连续体看成事只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时 选定场函数的节点值作为基本未知量，在每一单元中假设一近似插值函数以表示 单元中场函数的分布规律；进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点 未知量的有限元法方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的 有限自由度问题。经过求解，就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单 元上以至整个集合体上的函数。 计算机辅助分析软件的结构一般都可以分为前处理器、后处理器以及分析器 等三个基本模块。同样，a n s y s 也由这三个模块组成，但是a n s y s 还包含优 化设计等特有的模块。在这些基本模块罩面，分析器是最重要的核心模块，前处 理器产生的有限元模型，可以在该模块里设置边界条件进行分析。分析器具体的 功能包括下面几个方面【3 5 4 3 】： ( 1 ) 确定分析方式及其求解法选项： ( 2 ) 设置约束条件； ( 3 ) 设置外力( 也叫能量源) 的边界条件； ( 4 ) 设置输入输出控制并求解。 7 武汉理工大学硕t 学位论文 2 2 双质量飞轮系统零部件的建模 本文对双质量飞轮的建模是基于s o l i d w o r k s 软件进行的。在s o l i d w o r k s 软 件里，三维实体模型有两种格式：p a r t 格式，即零件文件，和a s s e m b l y 格 式，即装配体文件。s o l i d w o r k s 采用的是自底向上的装配体建模方式，即先建立 装配体各个零件的模型，然后根据各个零件的装配关系，把零件装配成一个装配 体。在建立零件模型的时候，要先分析零件的特征，搞清楚零件是由哪些特征组 成，明确各个特征的形状、相对位置以及表面连接关系，然后按照特征的主次和 一定的顺序进行建模。 2 2 1 主飞轮盘的建模过程 在对主飞轮进行建模前，首先分析主飞轮的特征。可以看到主飞轮的外形就 有对称性，由旋转特征组成，是主飞轮最大的基本特征。该特征相对比较简单， 由一次旋转草绘截面就能得到。这时，主飞轮的大概模型已经出来了。 接下来是在这个大概模型的前后内外两端面上的凸台特征。从分析可以看 到，外端面的凸台特征可以直接由拉伸草绘截面实现。而内端面凸台特征同时也 具有旋转特征。可以看到，用旋转特征完成该凸台特征更方便。但这时需要建立 草绘截面的基准平面，可以取与上视基准面和右视基准面垂直的前视基准面为草 绘基准面，然后3 6 0 度旋转该草绘即可。 现在就剩下孔特征，和凹槽特征这些小特征了。孔特征可以通过拉伸切除和 镜像功能完成，凹槽特征就比较麻烦了。由于凹槽的位置不好确定，需要首先确 定其所在的基准平面，这个可以通过参考几何罩面的基准面功能实现。然后在设 置的该基准平面上，运用拉伸剪切功能即可实现该特征了。 最后是整个模型的一些修饰特征了，如倒角，圆角等辅助修饰特征。这些可 以直接实现。 根据这个思路，具体的建模过程图2 2 2 所示，建立的主飞轮模型如图2 2 1 所示。 8 武汉理t 学确f 岸也论空 图2 - 2 - l 主乜轮建模步骤 2 2 2 副飞轮盘建模过程 图2 - 2 2 主飞轮 相比主飞轮，副飞轮的特征要简单的多。从外形上看，副飞轮的轮廓是一个 拉仲凸台特征。然后是一个带孔的凸台，经过镜像就得到了副飞轮的大概模型， 然后经过倒圊角等修饰特征就得到了完整的副飞轮模型了。其建模过程如图 2 - 2 3 所示。组后建立的模型见图2 2 4 三垂l|詈亍 “c 攫理t 人学坝f 学位论z 图2 - 2 3 副飞轮建模步骤 2 23 拨盘的建模过程 幽2 - 2 4 剐e 轮 拨盘的形状特征相比主飞轮年”剐b 轮向。比较简单，首先t f 以垴过拉伸凸台 形成拨盘的大概轮廓，然后通过枉太概轮蜥l ：进”拉仲切除形成孔特i l i ：，然后镜 像孔特征。最后通过一个旋转2 0 度f f j 度的旌转毕绘形成拨盘的柄，然后镜像， 形成对称的两个柄。然厉经过适专的倒角等修饰特征就建立的培后的拨盘模型 了。蛀厉建立的拨盘模型如图2 - 2 5 所1 j 。 阁2 - 2 5 拨珊 武议月r 人 m i 学位论z 224 弧形弹簧的建模过程 双质量飞轮最重要的减振部件是弧形弹簧，它布置在主飞轮f l 勺滑道罩。弧形 弹簧分为外弧形弹簧和内弧形弹簧两种，两种都是半圆形。内弧形弹簧嵌套在外 弧形弹簧里面，形成一组两组相同的弹簧组有拨盘连在起纽成一个整圆。 与发动机处在怠速工况时，拨盘压缩外弧形弹簧；当发动机转速丁卜高至工作工况 转速时，外弧形弹簧的雎缩量增大，这时拨盘接触到内弧形弹簧，使内外弧形弹 簧一起被压缩。内外弧形弹簧的结构相同，只是尺寸不一样，它们的建模过程也 是一样的。 弧形弹簧的建模过程比较简单。首先通过扫描特征，建立直螺旋弹簧模型， 直螺旋弹簧的螺距和圈数与弧形弹簧相等然后通过弯曲特征将直螺旋弹簧弯曲 成弧形弹赞即可。鞋后建立的外弧形弹簧和内弧形弹簧的模型如图2 2 6 所示。 闺2 - 2 6 外弧肜弹簧和内弧形弹簧 2 2 5 离合器壳的建模过程 离合器壳从外形卜看，形状复杂，特征较多。但是仔细分析u f 以再虬整体 外形是一个旋转特征，形成个圊盘壳然后在圆盘壳的基础上进 r 礼特征，拉 伸切除特征，以及一些孔特征和拉伸切除特女l 的镜像即可。母后对建立的模型进 行圆角等修饰性特征就可以了。建模步骤如f ：首先进行个旋转特征建立圆 盘壳，在圆盘壳的基础j + 进行拉伸切除搽作，形成外圈的孔特缸，然后对馥孔特 征进行镜像操作，使外豳形成对称却胃的? 、个孔。然后重复i ：面孔特扯的步嚣 形成外圈六个对称布胃的+ 4 ，接着迎赳扣仲切除，将实心圆黜壳裁剪成最后的 窄心圊盘壳。晶后在改空心网盘壳的牡础 ：，对离合器壳的特征进行增加i ，直至 形成最后我们所看到的离台器壳模型。最后矬口的离合器壳模州如图2 2 7 所示。 t 汉璀t 人学碰+ 学位论文 一 22 6 双质量飞轮的装配过程 在s o l i d w o r k s 早，模型有两种格式。一种是p a r t 格式，及零件格式另一 种是a s m 格式，即装配体格式。装配体格式模型是山零件格式模型通过一定的 约束关系组合形成的。 双质量e 轮是| i 许多零部件装配起柬的，所以它在s o l i d w o r k s 罩是一个装 配体格式模型。根掘取质量飞轮的具体结构我们可以把它看成是由主e 轮总成、 副飞轮总成和离合器总成t 个装配体组装起来的。 主e 轮总成是盏盘、滑道、内弧形弹簧、外弧形弹簧、启动齿圈、主e 轮 盘组成的。这蝗零件帚面，内外弧形弹簧和主飞轮盘的建模过程有点复杂，前面 介绍过他们的建模过程。盖盘、滑逆、启动齿圈的建模过程比较简单，它们的模 型如图2 2 8 所示。 戳 幽2 2 8 盖盘、滑道和启动芮罔 图2 2 9 是主e 轮总成和它的爆炸视图。从图上我们r 以报消楚的焉出主 b 轮总成各个零件之划的约束天系。主飞轮的装配过程如下：首先是启动齿嘲和 主飞轮盘通过同轴约束和面接触约束装配在一起，然后是主b 轮t ，两个街道通过 同轴约束和面重合约束装配起来外弧形弹簧和主飞轮盘通过嗣轴约束和面重台 约束固定内弧形弹簧通过与圭e 轮盘的同轴约束和与外弧形弹簧的距离约束吲 定，最后盖盘和te 轮通过通过州轴约束和一个面的距离约束装配起来这样主 飞轮总成完成了装配。 彝 武攫理i 大学硕j 学位论空 图2 - 2 9 主飞轮总成和其爆炸视图 副飞轮总成由螺钉、拨盘、定位销、副飞轮盘、副飞轮盘铆钉、密封片、密 封片铆钉缀成。前面介绍过拨盘和副飞轮盘的建模过程，图2 - 2 1 0 从左往右分 别是螺钉、定位销，密封盘、副飞轮盘铆钉和密封片铆钉的模型。 瑟 。j 2 2 1 0 副飞轮总成部分零件模型 图2 - 2 一l l 是副飞轮总成的总装图和爆炸视图，从图上可以看到各个零件之 自j 的相对位置关系。副飞轮总成的装配过程如下：密封片和副飞轮盘通过两个同 轴约束和一个面接触约束装在一起，然后是拨盘和副飞轮盘通过同轴约束以及和 密封片的面接触约束固定位置，最后是六个副飞轮铆钉和两个密封片铆钉通过同 轴约束和面接触约束分别固定在相应的孔位置。这样，副飞轮总成装配完成了。 瓣蘧纂 图2 - 2 ii 副飞轮总成和副飞轮爆炸视图 离合器总成由离合器壳、压盘、从动盘、膜片弹簧、压扳拉簧、长拉簧铆钉、 短拉簧铆钉、膜片弹簧口i 环等组成。图2 - 2 1 2 从 - 往右分别是膜片弹簧压环、 压板拉簧、长拉簧铆钉和短拉簧铆钉的模型图图2 2 一1 3 是压盘的模型图，圈 2 - 2 1 4 是从动盘模型。图2 - 2 - 1 5 则是离合嚣总成髑和离合器总成爆炸视图。 蔫 武担理t 学顺i 学位论史 图2 - 2 l 2 离台器总成部分零件图 龋赫 一 艄 图2 - 2 1 5 离合器总成图和其爆炸视图 从图2 - 2 一1 5 的爆炸视图上，可以比较清楚的看出离合器总成各零件的柑对 位置关系和装配天系。离合器总成的装配过程如f ：首先足膜片弹簧通过 离合 器壳的同轴约束和向接触约束将位置固定，然后是膜片弹簧压坷= 通过趴脱“弹簧 的同轴约束和接触约束固定，接下柬是爪盘0 离台器壳通过两个h 轴约求以及 一个面重台约束装配在一起，然后将压板拉簧通过两个同轴约束和个【“l 雹合约 束固定在压盘和高台器壳的连接位置，再将长短拉簧铆钉通过。个同轴约求和两 个面重台约束同定在相应的连接孔e ，最后是将从动盘通过一个同轴约束和一个 面重合约束与压盘装5 b 在一起这样离合器总成装配完毕。 图2 - 2 1 6 是双质量飞轮最后的总装图和山主飞轮总成、副飞轮总成以及离 一 弱 武目1 i 学颂l 学位论空 合器总成组成的爆炸视图。从图上，可以比较清楚的看出双质量飞轮和它的三个 总成之删的相对位冠关系和装配情况( 爆炸图从左往右的三个总成分别是离合嚣 总成、副e 轮总成和主飞轮总成) 。主飞轮总成和副飞轮总成通过六个副飞轮铆 钉，连接在一起，离台器总成和副飞轮通过定位销和螺钉连接在一起，这三个总 成这样装配成了双质量飞轮。 囝 图2 - 2 - 1 6 双质量飞轮和由三个总成组成的爆炸视削 2 3 双质量飞轮系统零部件的静力学分析 双质量飞轮系统的工作环境很恶劣它安装在高速旋转的发动机曲柄术端和 变速器之问，传递发动机扭矩的同时也要承受发动机传出来的剧烈扭转振动。 双质量飞轮系统具体传递扭矩的工作原理如f ：主飞轮由于和发动机曲柄通 过螺栓连接在一起，发动机的扭矩直接作用在差飞轮上从向带动卜e 轮旋转。副 飞轮通过一个外向联轴器与变速器连接在一起。拨盘与副飞轮铆结，与主e 轮通 过弹簧减振器连接在一起当离合器的两片摩擦片接触时，主e 轮垣过压缩弹簧 减振器弹簧臧振器被压缩到一定程度时带动拨盘旋转，拨盘 带动j 其铆结的 副飞轮转动，别b 轮最后将发动机的扭矩传递给变速器。这样，发动机的动力就 通过离合器的柠制通过双质量飞轮传递给了变速器。 从上碰的分析可以看到，拨盘实际上是整个扭矩传递过程中的中心环节，是 扭矩传递过程中的重要部件，很有必要对其受力进行分析。奉竹诅毡于大型仃限 元分析软件a n s y s 做般质量b 轮系统的静力学分析时主要做的赴拨盘和j ze 轮 盘的静力学分析， 在川a n s y s 处理问题的时候，最关键的是前处理、求解羊后处理i 个步骤。 前处理主要是撤据分析问题的甘的，将连续的实体结杜j 简化为理恕的数学模型 并用离敞化的网格代管连续的实体结构并最终形成计算所需的数据文件。这个 过程包括f 面几个内容： ( 1 ) 在a n s y s 中建立要求解结构的有限儿模型，井对模型进行简化使 其达到a n s y s 分析的要求。这个过程r 旺以利用a n s y s 本身的建模功能完成， 也可以通过其他的三维c a d 软件建模之后，将模型导入a n s y s 中。对于模型 11，咱1u 一吲慷日 p 口。o 熙簖 武汉理t 大学硕士学位论文 简单的问题，可以直接利用a n s y s 本身的建模功能完成，这样方便后续的工作。 但对于复杂的模型，则只能用三维c a d 软件的建模功能完成建模后，在导入 a n s y s 。a n s y s 提供了几乎与所有主流三维c a d 软件兼容的接口，这个步骤 也很方便。 ( 2 ) 选择单元类型，建立求解结构的有限元分析模型，也就是划分网格， 形成单元。 ( 3 ) 确定一些附加属性。如材料特征参数、实常数、边界条件或约束信息、 施加载荷等。 这些操作在a n s y s 的前处理模块中完成，经过上面的步骤后，就进入了求 解步骤了。经过求解步骤后，会得到结果文件，然后利用结果文件在后处理模块 中对结果进行后处理。这其中就包括形