（光学工程专业论文）基于ansys的曲轴强度有限元分析.pdf

摘要 摘要 曲轴是柴油机中最重要的部件之一，也是受力情况最复杂的部件，它的尺寸 参数影响着柴油机整体尺寸和重量，并且在很大程度上影响着柴油机的性能和可 靠性。随着柴油机技术的不断进步和完善，曲轴的工作条件也愈加恶劣。因此， 曲轴的结构强度分析在柴油机的设计和改进过程中占有极其重要的地位。 本文以六缸柴油机曲轴为研究对象，计算分析了曲轴的静态性能和动态性能， 为今后曲轴设计中强度计算提供了可行性方案。 本文利用a n s y s 软件建立曲轴的三维模型，然后对曲轴进行网格划分和边界 条件的施加，进行了基于有限元方法的曲轴静态强度分析，分析了曲轴的变形和 应力状态，并完成了曲轴的强度计算，结果表明，该曲轴的强度满足设计和运行 ”工况的要求。 本文还基于上述有限元模型对曲轴进行了模态分析，计算了曲轴前1 0 阶自由 振动模态，分析了模态的振型及固有频率。曲轴的模态频率能够用来预测柴油机 各部件之间动态干扰的可挠性，通过合理静结构设计可以避开共振频率。这为柴 油机曲轴优化、改进设计提供了有价值的理论依据。 本文研究结果对于柴油机曲轴的改进设计，提高柴油机设计水平及提高柴油 机整机性能有着重要意义，是既经济又有效的科学化手段。 关键词曲轴；应力；a n s y s ；有限元分析；模态分析 m 山东大学硕士学位论文 曼曼皇曼曼鼍皇罡曼曼曼寡皇皇曼曼皇曼曼曼曼! 曼曼量曼曼曼曼量皇! ! ! 曼量皇! 曼鼍量曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼量蔓- - - - 2 皇曼喜皇皇曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼! 曼曼鼍曼曼曼 a b s t r a c t c r a n k s h a f ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fd i e s e l ，a n da l s oi st h ep a r t 诵mt h e m o s tc o m p l e xf o r c es i t u a t i o n 1 1 1 es i z ep a r a m e t e r so ft h ec r a n k s h a f ta f f e c tt h eo v e r a l l d i m e n s i o n sa n dw e i g h to ft h ed i e s e l ，a n da f f e c tt h ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo fd i e s e l t oal a r g ee x t e n t w i t ht h ec o n t i n u o u sa d v a n c e m e n ta n di m p r o v e m e n to ft e c h n o l o g y d i e s e l ，t h ew o r k i n gc o n d i t i o no fc r a n k s h a f tw i l lb e c o m eh a r s h e r t h e r e f o r e ，t h es t r u c t u r e s t r e n g t ha n a l y s i so f t h ec r a n k s h a f th a sa l le x t r e m e l yi m p o r t a n tp o s i t i o na tt h ep r o c e s so f t h ed e s i g na n di m p r o v e m e n to fd i e s e l i nt h i sp a p e r , a ss i x - c y l i n d e rd i e s e lc r a n k s h a f ta st h es t u d yo b j e c t ，t h es t a t i c p e r f o r m a n c ea n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec r a n k s h a rw a sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d ， w h i c hp r o v i d ea f e a s i b i l i t ys c h e m eo ft h es t r e n g t hc a l c u l a t i o na tt h ep r o c e s so ft h e c r a n k s h a f td e s i g n t 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 ft h ec r a n k s h a f ti se s t a b l i s h e dw i t ha n s y s a f t e rc o n v e r t i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h ec r a n k s h a f tm e s h e sa n db o u n d a r y c o n d i t i o n si m p o s e da r er e a l i z e d 1 1 1 ef i n i t ee l e m e n tm e t h o db a s e do nt h ec r a n k s h a f t s t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i st h ec r a n k s h a f to ft h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s ss t a t e ，a n dt h er e s u l t s s h o wt h a tt h es t r e n g t ho ft h ec r a n k s h a f td e s i g na n do p e r a t i n gc o n d i t i o nm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fw o r k i n gc o n d i t i o n sp e r f e c t l y m o d a la n a l y s i sw e r ef i n i s h e db a s e do nt h ea b o v ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f c r a n k s h a t t h ec r a n k s h a f tb e f o r elo - o r d e rf r e ev i b r a t i o nm o d a la n a l y s i so fv i b r a t i o n m o d es h a p e sa n dn a t u r a l f r e q u e n c i e s w e r ec a l c u l a t e d m o d a lf r e q u e n c yo ft h e c r a n k s h a f tc a l lb eu s e dt op r e d i c tt h ed i e s e lc o m p o n e n t so ft h ep o s s i b i l i t yo fd y n a m i c i n t e r f e r e n c e ，s ot h er a t i o n a ls t r u c t u r a ld e s i g nc o u l da v o i dt h er e s o n a n c ef r e q u e n c y o p t i m i z ef o rt h ed i e s e lc r a n k s h a f tt oi m p r o v et h ed e s i g nb a s e d0 1 1v a l u a b l et h e o r e t i c a l b a s i s ，n l er e s u l ti so ft h eg r e a ts i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h ed e s i g no ft h ed i e s e l c r a n k s h a r ，i m p r o v i n gt h el e v e lo f t h ed i e s e ld e s i g ne n g i n ep e r f o r m a n c e ，w h i c hi sb o t h a b s t r a c t e c o n o m i c a la n de f f e c t i v es c i e n t i f i cm e a l l $ k e y w o r d s ：c r a n k s h a f t ，s t r e s s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 曲轴是柴油机的主要运动部件，它与连杆、活塞等组成曲柄连杆机构，作用 是将活塞连杆组传来的气体作用力转化为曲轴的旋转力矩并向外输出功率，同时 还驱动配气机构及其它辅助装置工作。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。曲轴被誉为发动机的“脊梁骨，是柴油机中最重要、载荷最 大、价格最高的零件之一，它的性能优劣将直接影响到柴油机的可靠性和寿命。 曲轴承受着活塞连杆组传来的气体爆发力、往复及旋转及其组合运动的惯性 力，以及附属机构的载荷，故在工作过程中曲轴内部会产生弯曲应力和扭转应力， 从而可能会产生失效或断裂现象，如果曲轴一旦断裂，将直接引起其它重要零部 件随之损坏乃至整个柴油机报废，所以曲轴强度在很大程度上决定了柴油机的可 靠性，对曲轴强度的分析至关重要，必须保证曲轴有足够的强度。此外，曲轴的 刚度也非常重要，如果刚度不足将加剧纵向振动和扭转振动，产生附加应力，使 其它零部件的工作条件出现恶化并降低其寿命，增大柴油机的噪声，故曲轴也应 确保具有足够大的弯曲和扭转刚度。因此有必要深入研究曲轴的强度和刚度，以 保证整机的可靠性。 1 2 国内外曲轴强度的研究现状 1 2 1 国外曲轴强度研究情况分析 国外一些相关机构很早就开始了对曲轴强度的试验以及研究工作，早在上世 纪3 0 年代就已发表了相关的研究论文，其中多数主要研究飞机发动机曲轴的疲劳 强度。随着内燃机的应用越来越广泛，对曲轴的强度问题提出了更高的要求。现 代柴油机广泛采用中冷增压技术后，使得曲轴负荷又增加了近两倍，从而曲轴疲 劳强度不足的问题变得更加突出。当前如果按照老的研究方式已经不能满足日益 提高的要求。基于此，研究人员一般都是通过静强度试验来探讨结构参数对曲轴 强度的影响，即所谓“参数试验 ，然后再根据静强度研究得到的规律和疲劳强度 之间建立一定的联系，以此来考核曲轴的疲劳强度。 前联邦德国的斯塔耳( g s t a h l ) 在1 9 5 7 - 1 9 5 8 年期间进行了最早的比较系 山东大学硕士学位论文 统的参数试验n ，他运用测量手段得出了曲轴单拐的四个主要参数对圆角形状参 数( 即理论应力集中系数) 的影响曲线。1 9 6 0 年，克诺赫( w k n o a h ) 和哈塞尔 格鲁伯( h h a s s e l g r u b e r ) 根据斯塔耳的试验数据，整理成无因次参数对弯曲和 扭转形状参数的独立影响曲线，并近似地用数学公式进行表达，从而得出了一种 最大曲轴应力的计算方法嘲。 1 9 5 8 年前联邦德国内燃机研究协会( 简称f w ) 在“空间的应力状态及物理 参数对力的传递和元件结构强度的影响 的课题中专门成立了曲轴研究小组，进 行研究曲轴尺寸参数对其结构强度的影响。该研究工作分为两部分，第一部分主 要研究曲轴单拐各参数对重型柴油机的实心曲轴结构强度的影响：第二部分则 侧重于曲轴曲柄较薄的高速内燃机曲轴，此类曲柄半径小，另外还研究了空心的 连杆轴颈1 。 英、美等国家也有不少学者对曲轴强度进行了一些研究工作，如英国的威尔 逊( w k w i l s o n ) ，他的有关曲轴结构强度嘲和振动口1 方面的论文为人们研究此 方面的问题提供了很好的参考价值。美国的洛厄尔( c m l o w e l l ) ，多年前就从 事曲轴结构强度研究工作，并得出近似计算公式，他还采用其他研究人员的方法 对大量曲轴进行了比较计算，目的是为曲轴设计提供参考，并对这些方法进行了 一定的评估和改进睁姗。 日本在曲轴研究方面，特别是船用柴油机曲轴的结构强度的试验研究方面也 开展了大量的工作。为了制定船用中、低速柴油机曲轴强度的设计标准，以日本 海事协会为中心专门成立了曲轴强度研究委员会，从1 9 6 3 年开始，研究委员会利 用了十几年的时间对曲轴结构强度进行了比较全面的试验研究，其中包括静态弯 曲、扭转的形状系数1 1 。1 嗣、实际工作应力测量n 7 1 町、疲劳强度和振动强度研究删 以及其它方面的研究一1 。在上述研究中，以植田靖夫、新井淳一、新野次郎等人 的工作较为基础，其中植田靖夫最早系统地研究了几个主要结构参数对曲轴强度 的影响，并提出了理论计算方法n ，但未对形状系数给出明确的计算公式。随后， 新井淳一主要就形状系数即曲轴最大应力的计算进行了大量的静载研究和动应力 测量工作，并总结出了计算方法和公式n 2 h h 8 埘。 近年来，国外主要通过利用大型有限元软件对曲轴进行动态特性分析来研究 曲轴强度，如o k a m u r a 等建立了曲轴精确的三维有限元模型，并计算出曲轴三维 振动的振幅啪1 ，其计算结果与试验测量结果相当吻合。l i d a 乜7 1 和b u c k e n s 哺1 等人研 2 第1 章绪论 究了由于传动比变化引起的横振和扭振的耦合方面的问题，研究表明轴系的固有 振动频率会因为耦合效应而发生变化。 1 2 2 国内曲轴强度研究现状 国内对于柴油机曲轴强度方面的研究起步较晚。早期的曲轴强度研究主要是 通过试验法对曲轴进行应力的测量和圆角应力集中系数的计算，但由于试验条件 的不一致和试验件数量少，导致研究结果往往存在很大差异，无法建立比较系统 的计算方法，因此曲轴强度计算主要还是依据国外的相关资料和经典计算公式。 长春汽车研究所的黄佐贤翻译了大量国外曲轴强度研究资料，并对各种曲轴强度 计算方法进行了总结和系统的论述泅砌，为国内开展曲轴强度方面的研究提供了 宝贵的依据。 上世纪8 0 年代初，国内一些大型汽车企业，如第一汽车集团公司从国外引进 了大型有限元分析软件，还有一些高校或研究所如大连理工大学也自行开发了有 限元计算程序，开始从事曲轴强度的有限元研究。由于当时计算机运算速度的限 制，有限元模型多采用平面模型，虽然吴昌华等人进行了三维有限元模型的分析 计算m 删，但均为1 4 或1 2 单拐模型并且网格划分比较粗，因此计算得到的应力 结果不够精确，与实测应力的平均偏差为1 1 1 7 。当然利用三维单拐模型计 算出的刚度以及应力集中系数结果与曲轴空间刚架模型相结合后，还是较大地提 高了后者的计算精度。由于当时国外限制中国获取高性能有限元分析软件，因此 当时国内关于曲轴强度有限元研究进展相当缓慢。 到了上世纪9 0 年代，随着计算机硬件技术的飞速发展和国外对有限元分析软 件出口限制的解除，国内曲轴强度有限元研究走上了快速发展的道路。方华等人 对4 9 3 柴油机曲轴单拐模型进行了应力分析并做了可靠度计算泓1 ；王良国等人应用 有限元分析软件s u p e r - s a p 建立了3 6 8 汽油机曲轴的整体有限元模型并对其疲劳 强度进行了校核汹1 ，还探讨了不同有限元建模方法对计算精度的影响，研究了轴 颈圆角应力分布、形状优化以及强化工艺处理等问题：孙连科等人使用a n s y s 分析 软件对6 1 1 0 柴油机曲轴进行了静态应力分析和模态分析嘲】，研究了曲轴圆角部位 的疲劳强度和曲轴振动特性：蓝军等人对曲轴油孔的应力集中问题进行了三维有 限元分析姗，初步研究了油孔形状对曲轴强度的影响。 特别是随着柴油机强化程度的不断提高，曲轴轴系的强烈振动成为柴油机故 3 山东大学硕十学位论文 障的主要诱因之一。此外，基于环保法规对柴油机低噪声的研发要求，人们越来 越多的关注曲轴系统的动态特性。刘永红等人利用a n s y s 分析软件对某四缸内燃 机轴系和机体组合进行了有限元模态分析汹3 ，建模过程中充分考虑实际约束条件 并妥善解决了接触问题，计算结果发现这一机型易产生曲轴振动：雷宣扬等人运用 梁单元对曲轴进行了简化并分析了曲轴的动态特性啪1 ，通过进行试验论证证实了 此方法的合理性：梁兴雨等人使用n a s t r a n 、a d a m s 软件建立了某四缸柴油机的刚 柔耦合多体动力学系统模型用来分析轴系扭振响应呻3 ，研究结果与实测结果具有 较高的等同性，取得了较好的研究效果。 1 2 3 目前曲轴强度研究的重点内容 通过国内外的曲轴强度研究现状可以发现，当前曲轴轴系研究的重点内容主 要集中在轴系的动态特性上。曲轴振动特性的研究概括起来包括以下几点蜘： ( 1 ) 振动计算模型越来越精确，逐步由集中参数模型向分布参数模型过渡； ( 2 ) 分析模型涉及到的物理现象更加复杂，充分考虑了多物理场的耦合问题： ( 3 ) 老式的计算方法不断被完善充实，而且新的高精度、高效率的算法也不 断被开发出来。 这些发展都为曲轴动态特性的深入研究打下了坚实的基础。 当然，从目前的研究水平来分析，按照现有的理论模型和计算方法所做的曲 轴振动分析计算与直轴振动计算相比，还存在着一定差距，主要体现在以下两各 方面礼蜘： ( 1 ) 未考虑曲轴轴承对轴系振动的影响。目前国内的曲轴振动研究中基本上 都没有考虑曲轴轴承油膜的刚度和阻尼，在国外的一些研究中虽然涉及到轴承油 膜的刚度和阻尼，但是所用数据的准确性也有待于进一步考究，如o k a l i i r a 等汹3 的研究中虽然考虑了主轴承油膜的刚度，但其数据是来自于p r i e d e 等1 根据试验 方法得到的平均油膜刚度； ( 2 ) 振动计算中采用的刚度、阻尼系数等参数不够精确。目前国内外在进行 曲轴振动计算时所采用的阻尼系数往往还是发表于上世纪六、七十年代以前的经 验公式，很显然这些经验公式已经不能满足当前精确计算曲轴振动的要求了。由 此可见，在曲轴系统的动态特性精确分析方面还有待研究人员去进一步开拓。 4 第1 章绪论 1 3 应力计算 计算曲轴的实际工作应力是相当困难的，因为曲轴实际上是一个多支承的静 不定系统：曲轴以及支承都是弹性体( 轴) ，承载后两者均会产生弹性变形：曲轴载 荷并非均匀分布，而且载荷分布情况复杂多变：曲轴的各主轴颈与支承孔并不同 心，两者之间的工作间隙也不完全一样，并且随着零件的磨损而发生变化；再加上 曲轴形状复杂和承载随时间变化，使对曲轴应力的计算变得极为复杂，因此在一 般实用计算时只能作近似的简化计算，先计算出名义上的工作应力，然后再乘上 应力集中系数得到实际最大工作应力。 现有的简化计算方法有两种：一种是简支梁法，一种是连续梁法。 简支梁方法是通过垂直于曲轴中心线并过主轴颈向中心的平面将曲轴分成若 干个单独曲拐，每个曲拐均视为简支梁蜘。 连续梁法是将曲轴看作为多支承的静不定连续梁，应用三弯矩或五弯矩方程 求解各支承处的内弯矩。根据几何一力学模型的假设不同，连续梁法主要分为以下 芝三种情况啪川删： ( 1 ) 曲轴简化为多个弹性支承的变截面空间曲梁： ( 2 ) 曲轴简化为多个弹性支承的等圆截面或变圆截面直梁； ( 3 ) 曲轴简化为多刚性支承的等圆截面直梁，其直径与主轴颈直径相同或相 当。 连续梁法仍然保留了曲轴在主轴颈中央截面处作铰支承等假设，然而有研究 文献认为m 1 ：内燃机曲轴的主轴承宽度相对曲拐长度占有较大比例，计算分析中 如若忽略轴承约束力矩的影响并不妥当，应该假设曲轴与轴承接触表面受到沿轴 向的均布载荷。显然，这个力学模型更接近于实际工况。 曲轴承载时在轴颈与轴颈油孔旁和曲柄的过渡圆角处存在着严重的应力集中 现象，一般实用计算方法通常用应力集中系数修正由简支梁法或连续梁法计算出 的名义应力，以得到曲轴的实际最大工作应力。 在过去应力集中系数一般通过实验分析法进行研究啪1 ，所得到的应力集中系 数计算公式也都是经验计算公式，使用时应该注意参数取值范围、公式的适用试 验条件以及应用场合，否则有可能导致较大的计算误差。此外，实验分析法也未 考虑轴颈过渡圆角处三维形状的影响，所以无法用于应力的精确计算。 5 山东大学硕十学位论文 特别是随着计算机软、硬件技术和数值分析理论的迅速发展，应用有限元和 边界元方法为精确地计算曲轴应力或应力集中系数提供了条件。 传统实用计算方法是通过名义应力和应力集中系数求取曲轴危险部位的最大 工作应力。但由于曲轴形状复杂，而应力集中系数一般由有限样本数量的曲轴试 验数据推算或由单拐平面有限元模型计算得到，这种情况下根据综合名义应力和 应力集中系数很难准确反映实际最大应力，因此传统实用计算方法存在一定的局 限性。而随着现代有限元理论的快速发展和三维有限元软件的广泛应用，可以较 全面地分析曲轴弯曲与扭转的变形和应力状况，使得研究人员精确计算曲轴应力 成为可能。 边界元方法在内燃机计算机辅助工程( c a e ) 中有一定应用，但在曲轴等复杂 零件上要得到疏密适当、单元畸变小、外形准确的三维边界元网格则很不容易实 现，一方面划分网格非常困难，另一方面节点数量较多，计算求解所用时间较长， 所以目前边界元方法一般在有限元应用的基础上用于计算曲轴局部区域应力旧1 。 然而，鉴于边界元方法具有一般只需对零件表面进行网格划分的突出优势，数据 准备工作比较简单，因此仍然有学者在研究适合曲轴等复杂零件的边界夫子算法 ，新算法可以使用非均匀规则网格，在应力集中的局部区域采用较小的单元， 而在其它部位尽可能采用较大单元，疏密网格之间实现快速过渡，并允许单元有 一定程度的畸变等，克服了常规边界元方法要求网格过渡均匀和比较规则的限制， 从而有效地降低了节点数量，缩减了计算规模。 1 4a n s y s 功能简介 a n s y s ( a n a l y s i ss y s t e m ) 是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大 型c a e 通用有限元软件，可广泛用于机械制造、航空航天、汽车交通、铁道、核 工业、能源、石油化工、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、 地矿、水利，以及日用家电等一般工业及科学研究。从1 9 7 1 年首次推出的2 o 版 本到今天的1 2 0 版本，a n s y s 从操作界面到分析功能等方面都有了巨大改进。可 广泛应用于航空航天、机械制造、造船等领域。该软件提供了c a d 导入导出接口， 方便地实现与c a d 之间的模型转换工作，没有直接转换接口的c a d 程序可以通过 如i g e s 和s a t 等格式进行转换输入到a n s y s 。 6 第1 章绪论 i 4 1 软件功能简介 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。前处理 模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模 型：分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分 析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分 析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理 模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立 体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可 将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了1 0 0 种以上的单元类型， 用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人 机到大型机的多种计算机设备上，如p c ，s g i ，h p ，s u n ，d e c ，i b m ，c r a y 等。目 前版本为a n s y s i o 0 版， 从开始平台( 主菜单) 可以进入各处理模块：p r e p 7 ( 通用前处理模块) ， 圣 ：s o l u t i o n ( 求解模块) ，p o s t l ( 通用后处理模块) ，p o s t 2 6 ( 时间历程后处理模块) 。 1 4 2 前处理模块p r e p 7 双击实用菜单中的“p r e p r o c e s s o r ，进入a n s y s 的前处理模块。这个模块 主要有两部分内容：实体建模和网格划分。 实体建模 a n s y s 程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。 自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱， 称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接 构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向 下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出 一个实体模型。a n s y s 程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、 粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相 当可观的建模工作量。a n s y s 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝 实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转 生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建 山东大学硕士学何论文 曼! ! ! 曼i i i=ii i 。一一i - 一 一一一i 曼曼! ! ! ! 皇! ! ! 鼍 立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构 造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。 网格划分 a n s y s 程序提供了使用便捷、高质量的对c a d 模型进行网格划分的功能。包括 四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划 分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分 解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。小s y s 程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户 对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格 划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元 网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估 计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。 1 4 3 求解模块s o l u t l 0 n 前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。 点击快捷工具区的s a v e _ d b 将前处理模块生成的模型存盘，退出 p r e p r o c e s s o r ，点击实用菜单项中的s o l u t i o n ，进入分析求解模块。在该阶段， 用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求 解。 a n s y s 软件提供的分析类型如下： 1 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对 结构的影响并不显著的问题。a n s y s 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而 且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 2 结构动力学分析 结构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。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。a n s y s 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。 。 第1 苹绪论 3 结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化，a n s y s 程序可求解 静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 4 动力学分析 a n s y s 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可 使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、 应变和变形。 5 热分析 程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型 均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔 解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热一结构耦合分析能力。 6 电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、 磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发 电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。 7 流体动力学分析 a n s y s 流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结 果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生 压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热一 流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。 8 声场分析 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体 中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐 大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。 9 压电分析 用于分析二维或三维结构对a c ( 交流) 、d c ( 直流) 或任意随时间变化的电流 或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部 件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模 态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析 9 山东大学硕士学位论文 l 一 i i i , i , , 曼! 鼍鼍 1 4 4 后处理模块p o s t i 和p o s t 2 6 。 a n s y s 软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块p o s t l 和时间历程后 处理模块p o s t 2 6 。通过友好的用户界面，可以很容易获得求解过程的计算结果并 对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输 出形式可以有图形显示和数据列表两种。 通用后处理模块p o s t l 。 点击实用菜单项中的“g e n e r a lp o s t p r o c 力选项即可进入通用后处理模块。 这个模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。例如，计算结果( 如应力) 在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色，代表了不同的值( 如 应力值) 。浓淡图则用不同的颜色代表不同的数值区( 如应力范围) ，清晰地反映 了计算结果的区域分布情况。 时间历程响应后处理模块p o s t 2 6 点击实用菜单项中的t i m e h i s tp o s t p r o 选项即可进入时间历程响应后处理模 块。这个模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力或 支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率或其 它量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。另外，p o s t 2 6 还可以进行曲线 的代数运算。 a n s y s 软件并没有为分析指定系统单位，在结构分析中，可以使用任何一套自封 闭的单位制( 所谓自封闭是指这些单位量纲之间可以互相推导得出) ，只要保证输 入的所有数据的单位都是正在使用的同一套单位制里的单位即可。 所有的单位基本上都与长度和力有关，因此可由长度、力和时间( 秒) 的量纲推 出其它的量纲，用户可以根据自己的需要由上面的量纲关系自行修改单位系统， 只要保证自封闭即可。 1 5 本论文主要研究内容 传统的曲轴有限元分析，国内外多采用单拐或1 2 或1 4 曲拐模型，此时假 定曲轴的形状和载荷相对于曲拐平面对称分布，这种模型的计算工作时小，但这 种方法不能反映整体曲轴内部应力场的分布状态，有些学者也采用连续梁理论对 l o 第1 章绪论 曲轴进行分析计算唧，把象曲轴这样复杂的结构简化成连续梁，计算结果显然是 不准确的。因此，为准确地了解曲轴内部的应力状况，较为可靠的计算曲轴强度， 本文采用曲轴三维整体模型，使用该模型进行静强度和刚度的有限元分析及校核， 分析结果合理，计算精度高。 本论文主要工作内容为 l 、对曲柄连杆机构进行受力分析， 2 、应用a n s y s 软件进行曲轴的静态强度分析。 3 、应用a n s y s 软件进行曲轴的模态分析。 通过建立合理的发动机曲轴有限元模型，运用有限元分析软件对曲轴进行静 态分析和模态分析，由此可以清楚地了解曲轴工作过程中各部分的应力、应变， 迅速找到危险部位，为进行曲轴的创新设计，改型设计及优化设计提供了强有力 的技术保证。 山东大学硕士学位论文 第2 章曲柄连杆机构 曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传递系统，是发动机实现工作循环， 完成能量转换的主要运动部分。在作功冲程中，它将燃料燃烧产生的热能活塞往 复运动、由曲轴旋转运动转变为机械能，对外输出动力；在其它冲程中，则依靠 曲柄和飞轮的转动惯性、通过连杆带动活塞上下运动，为下一次作功创造条件。 曲轴是柴油机的主要零件之一，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。曲轴由于其几何形状、边界条件和作用载荷都极其复杂，要想得 到比较准确的计算结果，计算模型的建立以及边界条件的施加是非常重要的。 2 1 曲轴连杆受力分析 2 1 1 气体作用力 作用在活塞顶上的气体压力可由示功图表示，它通过工作过程模拟计算或实 验的方法确定。气体作用力疋的值为： 墨：譬以一p ) ( 2 - 1 ) 式中：d 为气缸直径； 足一一为气缸内的绝对压力； 尸为曲轴箱内气体的绝对压力。 2 1 2 惯性力 为了确定曲柄连杆机构的惯性力，必须知道加速度和质量的分布。加速度已 从运动学分析得知，下面讨论质量分布： l 、曲柄连杆机构的质量分布 曲柄连杆机构的所有运动零件可按运动性质不同分为活塞组、曲拐和连杆组 三部分，分别用m p 、m 。和蚋表示。 通过对曲柄连杆机构的运动分析可知，活塞组作往复运动，曲拐作回转运动， 连杆组作往复运动和回转运动的复合运动。工程上常将连杆组的质量等量换算为 两部分，一部分随活塞组作往复运动产生往复惯性力；另一部分随曲拐作回转运 1 2 第2 章曲柄连杆机构 动，产生离心惯性力。因此，连杆组可由连杆小头和大头的质量m ，和m ：来近似代 替。工程上通常近似取： m 。= ( 0 2 0 3 如，m 2 = ( o 7 o 8 h 由以上分析可知往复质量可表示为： 聊，= 垅p + m ( 2 2 ) 旋转质量为： m ，2 m c + m 2 ( 2 - 3 ) 2 、往复惯性力 。 与往复质量m ，相对应，往复惯性力c 与活塞加速度成正比，且方向相反 乃= 一y = - m r 国2 ( c o s a + 2 c o s 2 0 ：) ( 2 4 ) 往复惯性力作用在气缸中心线上，它的变化规律和活塞加速度相同，只是方 向和加速度方向相反而已。 4 3 、离心惯性力 与曲柄连杆机构的旋转质量历，相对应，旋转惯性力或离心力e 为： e = 所，尺缈2 ( 2 5 ) 当曲轴角速度不变时，e 大小不变，其方向总是沿曲柄半径向外。 2 1 3 活塞销处受力分析 活塞销处质量的往复惯性力与作用在活塞顶的气体压力之和为作用在活塞销 处的力，合力为： f = t + 乃 ( 2 6 ) 合成力可分解为两个分力冗和e ，如图3 1 所示： e = 聊卵砺s i i n ( 2 - 7 ) ff 只= 二= _ 7 丢一 ( 2 - 8 ) c o s f l 1 一名s i n 2 口 。 其中，e 垂直于气缸中心线，称为活塞侧推力；忍沿连杆中心线，称为连杆推力。 山东大学硕+ 学位论文 2 1 4 曲柄销处受力分析 图2 1 活塞销和曲柄销受力分析 连杆推力e 沿连杆中心线作用在曲柄销中心1 3 点，可分解为两个相互垂直的 力e 和e ，e 为切向力，e 为法向力。 一e = c s m ( 口+ ) = ，( s ；n 口+ i 彘 只= c c 。s 9 卅= f ( c o s 口一丽s i n 2 1 4 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 第3 章曲轴有限元分析 第3 章曲轴有限元分析 曲轴应具有足够的强度和刚度，其设计是否可靠对发动机的使用寿命有很大 影响，因此在研制过程中需要高度重视。传统的设计方法所用的理论或者一些经 验公式很难准确地反映出这些复杂零件的实际运行状况。有限元法是一种强有力 的数值计算方法，由于计算机的出现，使这一方法近些年来得到了广泛的应用， 对于形状和受力都很复杂的结构系统，也能求解，并能得到较准确的结果。在本 文中主要采用有限元法对曲轴结构进行分析。 3 1 曲轴整体模型建立 在a n s y s 中可以用两种方法来生成模型：实体建模和直接生成。所谓直接生 成方法就是在定义实体模型之前，必须确定每个节点的位置，及每个单元的大小、 形状和连接。本文所用的a n s y s 直接建模其实就是这样一种思想。与之相比，实 i 体建模方法，就是首先描述并建立模型的几何边界，然后建立对单元大小及形状 的控制，最后令a n s y s 程序根据控制要求自动生成所有的节点和单元。由于导入 a n s y s 时模型会有出入，本文采用a n s y s 直接建模的方式。 进行曲轴有限元分析，首先要建立相应的有限元模型。对于使用有限元软件， 一般是先建立实体模型，然后通过网格划分来生成有限元模型。曲轴是形状不规 则的长轴类零件，具有轴线不连续、长径比大、结构复杂等特点。从总体上看， 曲轴不是对称或是反对称体，所以对曲轴进行有限元分析时本文以整体衄轴作为 研究对象。 曲轴主轴承为全支撑结构，传统的曲轴应力计算多是采用单拐或是1 2 曲拐模 型，这种模型不能很好地确定两端面的边界条件，误差比较大，不能反映出曲轴 内部的应力分布状态。把曲轴简化为连续梁模型，也有一定的局限性，因此本文 采用研究整体曲轴进行计算【5 1 1 。 根据曲轴的结构形状特点，以有限元计算匠数据准备工作量、求解时间及精 度等为基本尺度。在建曲轴整体模型时，因曲轴结构形状复杂，做了一些简化： 1 、忽略曲轴结构中的小圆角( 倒角) 和细油孔( 油道) ，以及加工时的退刀 槽砂轮越程槽。如果在曲轴模型建造时考虑这些因素，则会使有限元的网格非常 密，大大增加了节点方程的个数，继而增加了数据准各的工作量和计算机求解时 山东大学硕士学位论文 间，并造成单元形状的不理想，求解累计误差增大，反而降低了求解精度。 2 、忽略各种螺栓孔。因为安装上螺栓后螺栓孔刚度得到加强，同时也避免划 分网格时出现畸形网格。 基于以上简化，应用a n s y s 软件建立曲轴的三维模型，如图3 - 1 所示： 1 6 图3 1 曲轴的三维几何模型 第3 章曲轴有限元分析 曼皇曼! 量曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼! 曼曼量曼皇曼! 皇! 皇曼曼曼曼! 皇暑曼! 曼! 曼! 鼍量曼曼苎鼍! 曼曼曼! 曼i n i ； mi i ii ii i ii i 3 2 单元类型的选择 为了适应不同的分析需要，a n s y s 提供了2 0 0 多种不同的单元类型。从普通 的线单元、面单元、体单兀到特殊的接触单元、问隙单元和表面效应单元等。单 元类型的选择至关重要，它要考虑下列因素： l 、单元能够很好地反映所要计算的物体； 2 、单元必须要有较高的计算精度； 一 3 、单元必须尽可能地节约计算时间。 基于以上原则，本文采用s o l i d 4 5 单元对曲轴进行自由网格划分，此单元为 8 节点的六面体单元，每个节点有三个自由度：x 、y 和z 方向位移。并且该单元 有可塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大张力的能力。 3 3 定义材料属性 任何结构对象都由不同材料构成，不同的材料具有不同的力学、传热学、电 崞磁和流体行为特性，这些特性就是材料属性特性。本文所述曲轴的材料的机械特 性如表3 1 所示： 表3 1 曲轴的材料的机械特性 弹性模量泊松比密度强度极限 屈服极限 2 0 6 e 5 m p ao 3 7 8 e 3 k g m 3 1 0 8 0 m p a9 3 0 m p a 3 4 有限元网格的划分 静力学分析中，对曲轴实体模型采用s o l i d 4 5 单元进行自由网格划分， a n s y s 提供了一个网格划分工具m e s h t o o l ，用于曲轴模型智能网格划分，由于曲 轴结构比较复杂，如果实体建模时各种小的倒角和圆角以及油孔都考虑进去，网 格划分时非常复杂，会产生很多不良的单元。根据经验，曲轴受力最大处在连杆 轴颈和主轴颈过渡圆角处。考虑到这些因素，在对曲轴实体建模时忽略小的倒角 和圆角以及油孔，在划分网格时对连杆轴颈和主轴颈过渡圆角处进行网格细化。 划分后的曲轴有限元网格如图3 2 所示。图中曲轴模型共有4 6 8 8 1 个节点，2 2 7 8 6 9 个单元。 1 7 山东大学硕士学位论文 sep2 52 0 1 i 15 ：0 7 ：5 1 3 5 载荷状况确定 图3 2 曲轴的三维有限元模型 发动机发火顺序为1 5 3 6 2 4 ，根据实际经验，曲轴在受到最大燃烧压力时的 应力和应变最大【5 2 】。曲轴同时承受着缸内气体作用力、往复惯性力和旋转惯性力 的作用。根据发动机的结构参数和示功图，计算得连杆轴颈径向载荷的最大值为 6 4 8 5 0 ，位于上止点转过6 5 。，同时计算出随后曲轴转过1 2 0 。、2 4 0 。、3 6 0 。、 第3 章曲轴有限元分析 皇曼! 曼皇曼曼曼曼! 兰皇舅曼曼鼍曼曼曼皇曼曼! ! 曼量鼍! 曼皇曼曼曼i l l l 曼曼曼蔓曼皇! 曼曼鼍曼曼! 曼曼! 曼! 曼曼曼曼皇寰皇皇曼皇皇皇曼! ! 皇皇皇皇! ! ! ! 鼍詈 4 8 0 。、