基于CAD∕CAE的曲轴设计研究.pdf

第3 9 卷第6 期 2 0 1 0 年1 2 月 小型内燃机与摩托车 S M A I LI N T E R N A LC O M B U S T I O NE N G I N EA N DM O T O R C Y C L E V 0 1 3 9N o 6 D e c 2 0 1 0 基于C A D C A E 的曲轴设计研究 夏长高1潘茂辉1束永平2 1 一江苏大学汽车与交通工程学院江苏镇江2 1 2 0 1 32 一东华大学机械工程学院 摘要 在分析发动机曲轴结构的基础上 对曲轴结构进行规格化处理 确定曲轴模型参数 并利用 C A T I A 二次开发工具C A A 开发了曲轴的快速建模系统 利用A N S Y S 提供的A P D L 语言进行编程 实现 了曲轴栽荷的参数化加载和快速分析 该系统为曲轴设计人员提供了一个简单 方便的建模方法和强 度分析手段 有利于提高曲轴的设计质量和效率 缩短设计周期 关键词 C A A 二次开发参数化建模有限元分析参数化加载 中图分类号 T K 4 1 2 1文献标识码 A文章编号 1 6 7 1 0 6 3 0 2 0 1 0 0 6 0 0 0 8 0 4 S t u d yo nC r a n k s h a f tD e s ig nB a s e do nC A D C A E X iaC h a n g g a 0 1 P a nM a o h u il S h uY o n g p in 9 2 1 一S c h o o lo fA u t o m o b il ea n dT r a f f icE n g in e e r in g J ia n g s uU n iv e r s it y Z h e n j ia n g J ia n g s u 212 013 C h in a 2 一C o l l e g eo fM e c h a n ic a lE n g in e e r in g D o n g h u aU n iv e r s it y A b s t r a c t O nt h eb a s eo fa n a l y z in gt h es t r u c t u r eo fe n g in ec r a n k s h a f t n o r m a l iz e dh a n d l in go ft h ec r a n k s h a f t s t r u c t u r e d e t e r m in e dp a r a m e t e r so ft h ec r a n k s h a f tm o d e l T h ef a s tm o d e l in gs y s t e mo ft h ec r a n k s h a f tise s t a b l is h e db yu s in gt h eC A T I As e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o o l C A A U s in gA P D Lp r o g r a m m in gl a n g u a g ep r o v id e d b yA N S Y St op r o g r a m t h ep a r a m e t r icl o a d in ga n dr a p ids t r e n g t ha n a l y s iso ft h ec r a n k s h a f tisr e a l iz e d T h is s y s t e mp r o v id e sas im p l ea n dc o n v e n ie n tm o d e l in gm e t h o da n da n a l y s ism e t h o df o rt h ed e s ig n e r itish e l p f u lt o im p r o v et h ed e s ig n in gq u a l it ya n dw o r k in ge f f ic ie n c ya n ds h o r t e nt h ed e s ig nc y c l e K e y w o r d s C A A S e c o n d a r yd e v e l o p m e n t P a r a m e t r icm o d e l in g F in it ee l e m e n ta n a l y s is P a r a m e t r icl o a d in g 引言 曲轴是发动机中最重要的运动部件之一 它的尺寸 参数和加工工艺水平不仅影响着发动机整体尺寸和质 量 并且在很大程度上影响着发动机的可靠性 在发动 机的设计与改进中 曲轴占有极其重要的地位 为了实 现曲轴模型的快速建立和方便快捷地进行强度有限元 分析 笔者通过对曲轴结构分析 利用C A T I A 提供的二 次开发工具R A D E 和组件应用架构C A A C A T I AA p p l i c a t io nA r c h it e c t u r e 的C A P I 函数接口 创建曲轴参 数化建模应用程序 从而实现曲轴的快速参数化建模和 局部结构尺寸的修改 利用A n s y s 提供的A P D L 语言编 程 实现曲轴有限元模型的载荷参数化加载和自动求解 1 曲轴参数化建模 1 1 曲轴结构分析 q 1 尽管不同型号发动机的曲轴结构差异较大 但曲 轴的基本结构都是由前端轴 主轴颈 连杆轴颈 曲柄 和后端凸缘组成 为了实现曲轴参数化建模 同时尽 量减小建模的程序规模 可将曲轴划分成4 个小的单 元 如图1 所示 分别对每个小单元进行建模 然后通 过将小单元旋转和镜像 即可生成整根曲轴 1 2 单元模型参数的确定 对曲轴进行规格化处理 分析确定各单元的主要 参数 图2 为单元l 的剖视图 单元1 由两段轴颈和 夹在中间的曲柄组成 而曲柄的形状是该单元中最复 作者简介 夏长高 1 9 6 5 一 男 教授 博士生导师 主要研究方向为汽车零部件现代设计与试验技术 汽车系统动力学与控制研究 第6 期夏长高等 基于C A D C A E 的曲轴设计研究9 1 丛 叶 5 l n il 毹 彦至弋 甲 一呵百 L 下 矿阿 一 乡 一 m 一 矽珥 王专 三 i q L一Lj 1 1 宝 圳 L T 遭 厂 e 阻匕 J 十一于 一 图1 曲轴结构简图 杂的部分 其外轮廓线是由几段圆弧以一定的约束关 系组成的 忽略曲柄的小圆角 则确定该单元需要以 下参数 主轴颈的半径尺 长度L 凸台厚度h 凸台 半径R 连杆轴颈的半径马 长度乞 凸台厚度h 凸 台半径R 曲柄厚度日 曲柄大弧半径尼 小弧半径 尺 曲柄减重圆弧半径R 曲柄过渡圆弧半径r r 6 图2 曲轴单元1 结构图 1 3 参数化建模应用程序 目前大型通用C A D 软件如U G P r o E S o l id W o r k s 等都可以通过二次开发方式实现零件的参数化建模 C A T I A 作为一款优秀的三维C A D C A M 软件 有着相 当优良的扩展性能 它可以通过C A A 实现达索系统产 品扩展和客户进行二次开发 C A A 的实现 是通过快 速应用开发环境R A D E 和不同的A P I 接口程序来完成 的 R A D E 是一个可视化的集成开发环境 它提供完 整的编程工具组 C A A 采用C O M 技术和O L E 技术 C O M 作为一种软件架构具备了更好的模块独立性 可 扩展性 使C A A 的程序设计更加容易且趋于标准化 使程序的代码更加简洁p J 本文将曲轴建模系统分为功能嵌入模块 数据存 储模块和三维建模模块三大功能模块 功能嵌入 模块在C A T I A 中生成对应的菜单项和按钮项 分为 按钮嵌入和按钮响应两部分功能 数据存储模块对零 件的设计参数和尺寸参数进行统一调度管理 可以采 用的方式有O r a c l e S Q I S e r v e r A c c e s s 等 数据库存 储了曲轴三维建模的尺寸参数 三维建模模块需要对 数据库模块发送来的参数信息进行分离处理 以供建 模使用 在参数接收这部分程序中利用上面的自定义 数据格式将参数分离出来 然后使用这些参数进行三 维模型的建立 利用二次开发工具C A A 在V C 6 0 环境下 通过编程 实现曲轴三维模型的快速生成 当用户需 要建立曲轴模型时 点击曲轴建模按钮即可打开曲轴 建模对话框 图3 所示为单元1 的模型生成对话框 通 过输入各主要参数 点击确定 即可生成三维模型 其 他单元也可按相同的方法建模 然后将各单元按照相 互位置关系旋转和镜像 即可生成整个曲轴的三维模 型 如图4 所示 图3 曲轴单元1 模型对话框 图4 整体曲轴三维模型 2 曲轴强度有限元分析 2 1 有限元模型及边界条件的处理 曲轴在工作时 主要的失效部位位于连杆轴颈和 主轴颈圆角处以及连杆轴颈油孑L 附近 其承受的载荷 按照经典的处理方法简化处理 5 曲1 即载荷沿连杆轴 颈和主轴颈轴线方向为二次抛物线规律分布 沿轴颈 圆周1 2 0 0 范围内为余弦规律分布 如图5 所示 根据 曲轴受力特点及结构的对称性 可取单个曲拐的1 2 作为有限元计算的模型 划分网格时 可选用精度较 高的二次单元s o l id l 8 7 并对重要部位如轴颈圆角处 的网格进行局部细化处理 保证圆角处至少四层节点 合理控制个别面上的单元尺寸及数量 以获得更好的 1 0 小型内燃机与摩托车 第3 9 卷 网格质量 约束条件为 在曲柄销轴线附近取两点约束其水 平方向的位移 在主轴颈下部取两点约束其竖直方向 的位移 图5曲轴上危险部位及连杆轴颈载荷分布 载荷的计算公式为 0 门 1 Q c z p 2 盎 1 主 z 1 2 c o s 3 0 2 式中 Q 为作用在曲轴上的总载荷 D 为轴颈直 径 Z 一L L 0 一6 0 0 6 0 2 2 载荷加载 约束及求解的自动实现 A P O L 是A N S Y S 参数化设计语言 提供一般程序 语言的功能和简单界面定制功能 实现参数交互输入 界面驱动和运行应用程序等 利用A P D L 的程序语言 与宏技术组织管理A N S Y S 的有限元分析命令 就可以 实现参数化建模 施加参数化载荷与求解以及参数化 后处理结果的显示 从而实现参数化有限元分析的全 过程 在参数化的分析过程中简单地修改其中的参数 就可以达到反复分析各种尺寸 不同载荷大小的多种 设计方案或者序列性产品 极大地提高分析效率 减少 分析成本 J 本文利用A P D L 语言编写了曲轴强度分析宏文 件 包括实现载荷参数化加载和自动求解的宏文件c a l c r a n k m a c 计算输出各节点的主应力和E F R E q u iv a l e n tF u l l yR e v e r s e dS t r e s s 应力的宏文件e f r r u n 3 0 m a c 计算各节点安全系数的宏文件p l o t 3 0 m a c 当 计算不同压力工况时 只需修改宏文件c a l c r a n k m a c 中的拉工况和压工况所施加力的参数h o t t e n s io n 和 r io t c o m p r e s s io n 的大小 对于不同材料的曲轴 计算各 节点应力值时 可修改宏文件e f r r u n 3 0 m a c 中材料 的属性参数大小 即材料抗拉极限t u s 拉伸屈服极限 t y s 压缩屈服极限c y s 及疲劳极限e n s 从而能够方便 快速地完成不同工况下 不同材料曲轴的疲劳强度分 析 c a l c r a n k m a c 中部分代码如下 r io t t e n s io n 2 6 4 8 7 1 51 定义拉工况需要施加的力 单位 N f t o t c o m p r e s s io n 1 7 7 0 8 8 0 51 定义压工况需要施加 的力 单位 N 串d im s t a n d a r d n m a x 311 一一c o n l o a d 2 一一m b c 1 0 a d 枣v m a s k n m a s k 1 1 术v il l i s t a n d a r d 1 1 r a m p p i 31 确定施加载荷的边界角度 半v m a s k n m a s k 1 2 宰v il l i s t a n d a r d 1 2 r a m p p i 31 确定施加载荷的边界角度 术v m a s k n m a s k 1 3 宰v il l i s t a n d a r d 1 3 r a m 0 卓v m a s k n m a s k 1 1 书r o p e r n m a s k 1 4 f u n c 1 1 0 l e s t a n d a r d 1 1 C o n l o a d 上1 2 0 度施加载荷 的屏蔽矢量 n m a s k 1 4 牛v m a s k n m a s k 1 2 l cv o p e r n m a s k 1 5 f u n c 1 1 1 l e s t a n d a r d 1 2 M b c l o a d 上1 2 0 度施加载荷 的屏蔽矢量 n m a s k 1 5 串v m a s k n m a s k 1 4 宰v f a c t 1 1 5 丰v f u n f u n c 1 1 2 C O S f u n c 1 1 0 存放C o n l o a d 上施加载荷 的余弦数值 f u n c 1 1 2 半v m a s k n m a s k 1 5 木v h c t 1 1 5 宰v f u n f u n c 1 1 3 C O S f u n c 1 1 1 存放M b c l o a d 上施加载荷 的余弦数值 f u n c 1 1 3 术g e t f c t f s u m it e m f s y m b o l d ir 1 p c t m a x a b s f io t t e n s io n f c t 术v f a c t 1 p c t m a x 书v f u n f d e 1 2 c o p y f d 1 2 率g e t f c c f s u m it e m f s y m b o l d ir 1 p c c m a x a b s f io t c o m p r e s s io n f c c 率v f a c t 1 p c c m a x 凇v f u n f d e 1 1 c o p y f d 1 1 确定拉压工况的最高爆压 3 曲轴设计实例分析 以6 1 8 0 型号发动机的曲轴为例 计算发动机转速 为1 5 0 0 r m in 最高爆压为1 7 M P a 时曲轴的疲劳 强度 首先利用通过二次开发建立的曲轴建模系统 输 入6 1 8 0 曲轴单元l 的结构参数 如图3 所示 快速生 成三维模型 然后将三维模型导人A N S Y S 划分网格 并定义单元类型和材料属性 整个模型共划分1 5 8 3 3 1 个单元 有限元模型如图6 所示 然后分别调用三个宏文件c a l c r a n k m a c e r r 第6 期夏长高等 基于C A D C A E 的曲轴设计研究 图6 曲轴有限兀模型 r u n 3 0 m a c p l o t 一3 0 m a c 即可完成曲轴强度分析过 程 得出各节点应力状态和安全系数 图7 图8 为 6 1 8 0 曲轴在最大爆压工况和最大拉力工况下的V o n M is s 等效应力云图 通过分析输出的各点应力大小和安全系数值可 知 在连杆轴颈及主轴颈过渡圆角处 连杆轴颈润滑油 孑L 附近存在着较高的应力水平 这些部位是曲轴最容 易破坏的部位 表1 列出了五个最危险部位的应力状 态和安全系数 图7 最大爆压工况v o n m is s 应力云图 图8 最大拉力工况v o n m is s 应力云图 表l曲轴危险部位的应力及安全系数 最大压力工况时主应力 M P a 最大拉力工况时主应力 M P a 危险部位安全系数 0 10 20 30 10 2 0 3 13 7 2 2 31 0 5 1 22 3 0 5 9 7 3 8 5 3一1 8 8 3 6 4 7 1 6 51 3 9 22 9 9 7 81 1 0 5 4 4 1 5 l l1 2 1 0 0 0 0 2 3 4 0 3 3 81 5 1 5 34 0 4 4 7 5 9 1 4 44 5 5 9 4 0 1 4 8 0 6 0 4 2 3 2 1 9 1 9 9 1 7 5 6 4 2 5 1 4 9 8 3 6 8 2 3 3 6 9 7 5 2 4 4 11 4 1 7 33 9 5 1 71 8 6 52 7 3 3 2 2 2 1 4 7 5 9 2 5 61 8 3 7 61 9 9 3 50 3 5 5 0 68 6 3 通过本次分析可知 在最高爆压1 7 M P a 转速 1 5 0 0 r m in 1 时 6 1 8 0 发动机曲轴最小工作安全系数 为1 3 9 位于连杆轴颈过渡圆角处 由于在计算安 全系数时已经考虑了材料和加工带来的影响 另外考 虑到扭振应力带来的影响 曲轴安全系数应大于1 3 从本次分析可知 该曲轴在1 7 M P a 时的安全系数大于 许用值1 3 但余量不大 需要严格控制爆发压力并保 证曲轴扭振振幅小于0 2 4 结论 利用C A T I A 二次开发技术建立曲轴建模系统 该系统能够快速生成曲轴三维模型 并能够对尺寸 结构进行修改 可以大大缩短建模时间 提高设计效 率 利用A n s y s 提供的A P D