基于ANSYS的某型四缸发动机曲轴模态分析.doc

基于ANSYS的某型四缸发动机曲轴模态分析 学生姓名：徐勇 指导教师：业红玲摘要:本文主要介绍某型四缸发动机曲轴的模态分析，用Pro-e软件进行三维实体建模，然后生成实体导入有限元分析软件ANSYS中进行曲轴的模态分析，找出危险点的位置，运用疲劳强度校核公式计算出曲轴弯曲疲劳强度系数并对整个曲轴进行了各阶自由模态分析，得出曲轴的固有频率和振型，为曲轴的设计及改进提供参考依。关键词:曲轴；模态分析；固有频率；振型1.课题背景、作用及意义曲轴是四缸发动机最重要、价格最昂贵的零件之一，曲轴的强度、刚度能直接决定发动机的性能，强度足够、重量适中无疑是保障发动机正常运行的条件。曲轴设计是否可靠，对发动机的使用寿命有很大的影响。用ANSYS对某型四缸发动机曲轴模进行有限元模态分析，是影响工件加工质量的主要因素：即工件在加工过程中的受力变形和动态响应等奠定基础，而且能够得到其固有频率和振型，可为曲轴的动力学分析和曲轴的优化设计提供依据。2.研究现状ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 软件接口,实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I DEAS, AutoCAD 等,是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。利用ANSYS软件对四缸电动机的模态分析，使我们知道载荷边界条件的曲轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力，以及它们的力矩(转矩和弯矩)共同作用下工作的，曲轴在工作时发生扭转变形和弯曲变形，为曲轴的设计和改进提供依据。2.1 国内研究现状及趋势曲轴是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件，在发动机五大件中最难以保证加工质量。由于曲轴工作条件恶劣，因此对曲轴材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。国内曲轴生产厂家已经意识到形势的紧迫性，引进了为数不少的先进设备和技术，以期提高产品的整体竞争力，使得曲轴的制造技术水平有了大幅提高，特别是近5年来发展更为迅猛。为了提高生产质量，对于大批量生产的曲轴将采用微机控制的氨基气氛气体软氨化生产线是今后的发展方向。氨基气氛气体软氨化生产线由前清洗机、预热炉、软氮化炉、冷却油槽、后清洗机、控制系统及制气配气等系统组成。该工艺具有安全、节能、工艺控制可靠、气源成本低、产品质量稳定、性能重现性好、易实现自动化、计算机管理、生产率高的显著特点，具有较高的推广前景。目前国内发动机曲轴材质有球墨铸铁和钢两类。由于球墨铸铁的切削性能良好，可获得较理想的结构形状，并且和钢质曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理来提高曲轴的抗疲劳强度、硬度和耐磨性。国内采用球墨铸铁曲轴的趋势则更加明显，中小型功率柴油机曲轴85%以上采用球墨铸铁，功率在160kW以上的发动机曲轴多采用锻钢曲轴。 2.2 国外研究现状及趋势由于数控技术的飞速发展，国外的机加工自动线将具有更高的适应性和灵活性，大批量生产的曲轴粗加工，国外采用车削、铣削和车拉三种方式，其中数控内铣和车拉逐渐显示出其高效和经济性，是曲轴粗加工的趋势。曲轴的磨削广泛采用全数控、全封闭自动线上进行。广泛采用圆角滚压工艺强化圆角，轴颈抛光广泛CNC采用砂带抛光机。轴颈动平衡采用自动线，一般均为计算机控制，自动测量和修正。曲轴的检测将广泛采用在线自动检测和终检相结合的方式，关键设备设有电子量仪，能连续监控加工精度，提高生产率，保证生产质量。2.3 尚待研究的问题曲轴在热处理过程中，因为温度升高，材料本身要发生热变形。曲轴的热处理变形主要由于热处理应力造成的。曲轴自身的结构形状、质量、热处理前的加工状态、曲轴的自重以及曲轴在炉中加热和冷却时的支撑等因素也会引起变形。曲轴热处理过程后，曲轴的曲拐处尤其容易发生热变形。曲拐的热变形对曲轴的精度产生不利的影响，影响曲轴的质量。且热处理过程后，曲轴的前端和后端也要产生变形，曲轴的前端面和后端面的平行度误差增大。曲轴热处理后的变形使曲轴的加工余量增大，加工效率降低，加工成本增高。这些都是曲轴热处理过程中常遇到需要解决的问题。2.4 总结和展望现代化的机械加工技术正朝着高速高精度的方向发展，对机床的性能提出了更高的要求。随着计算机技术的飞速发展，使得人们可以在设计阶段对机床的性能进行数字化模拟仿真，为设计和生产高性能的产品提供了有力的手段。通过ANSYS对四缸电动机曲轴的模态分析，能够清晰的知道曲轴哪些部位容易发生变形和裂纹，为曲轴的曲轴的动力学分析和曲轴的优化设计提供依据。参考文献 1 戴旭东,马雪芬,赵三星,等. 曲轴主轴承油膜动力润滑与系统动力学的耦合分析J 内燃机学报,2003 ,21(1) 86-902 樊晓霞,张建斌,李海刚 基于ANSYS 的六缸柴油机曲轴的模态分析 机械制造与设计，2008,9 107-1083 王利，向阳，卢艳辉，刘文法. 曲轴的建模及其自由模态分析 洛阳高等专科学校学报J，2004，14（1）8-10 4 Mourelatos Z P. A crankshaf t2block interation modal for st ructural dynamic analysis of internal combustion e