195柴油机飞轮组有限元分析.doc

山东建筑大学毕业论文目 录摘 要ABSTRACT1 前 言 1.1 195柴油机飞轮组有限元分析的目的及意义11.2 195柴油机飞轮组有限元分析研究历史、现状和发展21.3 本课题研究的主要内容32 飞轮组的概述和受力 2.1 195柴油机飞轮组概述42.1.1 195柴油机飞轮螺栓的材料 42.1.2 195柴油机飞轮螺栓的工作条件 42.2 195柴油机飞轮的概述42.3 195柴油机飞轮螺栓的受力分析52.3.1 195柴油机飞轮螺栓的预紧力 52.3.2 195柴油机飞轮螺栓承受的曲轴扭矩62.3.3 195柴油机飞轮螺栓承受的飞轮的惯性力矩62.4 195柴油机汽缸内的气体作用力62.5 195柴油机曲轴的输出扭矩 83 飞轮组三维实体建模3.1 Pro/E软件简介103.2 195柴油机飞轮的三维实体建模113.3 195柴油机曲轴轴颈端的三维实体建模133.4 195柴油机飞轮螺栓连接螺母的三维实体建模143.5 195柴油机飞轮螺栓连接各实体模型的装配153.6 建立有限元模型的策略和考虑的一般问题173.7 有限元模型的简化184 飞轮组有限元分析4.1 有限元分析法及ANSYS软件应用简介204.2 195柴油机飞轮组简化模型导入ANSYS214.3 195柴油机飞轮组有限元模型网格划分的概述24 4.3.1 网格划分的数量25 4.3.2 网格划分的修改25 4.3.3 网格划分的质量25 4.3.4 网格的分界面和分界点264.4 195柴油机飞轮组有限元模型网格划分的步骤264.5 195柴油机飞轮组有限元模型边界条件的处理31 4.5.1 195柴油机飞轮组有限元模型位移边界条件的处理31 4.5.2 195柴油机飞轮组有限元模型载荷边界条件的处理32 4.5.3 195柴油机飞轮组有限元模型载荷边界条件施加的具体步骤325 有限元计算分析的结果及后处理5.1 195柴油机飞轮组有限元模型计算分析的方法35 5.1.1 绘制变形图35 5.1.2 绘制等值线图365.2 功率提高20%后的有限元分析385.3 计算结果的分析395.4 预紧力的分析405.5 疲劳强度的校核416 结 论42致 谢44参考文献45 IV摘 要195柴油机飞轮组包括飞轮以及飞轮螺栓。飞轮螺栓利用预紧力的作用将飞轮压紧在曲轴上，使它们之间靠摩擦作用来传递扭矩。螺栓本身承受着曲轴的输出扭矩。本文采用有限元法对195柴油机的飞轮螺栓连接强度问题进行了分析。为了更准确的建立三维实体模型，本文采用Pro/E软件建立飞轮螺栓的实体模型，在建模的过程中采用了拉伸、旋转、拉伸、除料等方法，然后将其导入到ANSYS软件中。在用ANSYS进行有限元分析的过程中，主要包括前处理（定义单元类型、定义材料参数、平面划分）、加载、后处理。利用软件的自动生成网格功能进行网格划分。通过有限元的计算和分析，发现飞轮组的薄弱环节为螺母的与螺杆交接处，该处是应力最为集中的地方，也是最容易产生失效的地方，同时本文得出在195柴油机功率提高20%以后飞轮螺栓连接依然是安全的结论。同时对其疲劳强度进行了校核。关键词：螺栓；飞轮；曲轴；实体建模；有限元分析 The Finite Element Analysis For 195 Diesel Engines Flywheel BlotABSTRACT195 diesel engine flywheel group includes a flywheel and a flywheel bolt. The flywheel bolts are compressed on the end surface of the crankshaft by pre-tighten force. The torque is transmitted between flywheel and crankshaft by friction. The blot bears the torque which is transmitted by the crankshaft.The paper analyses the link of the flywheel blot of 195 diesel engine by using the finite element analysis. In order to establish a more accurate 3-dimensional model, the paper adopts Pro/E software to build 3-dimensional model of flywheel bolt combination, thus making it into the ANSYS software. The methods of stretching, revolving, material removing are used in the modeling process. In the finite element analysis process which mainly includes first processing (definition of unite type and material parameter, and plane division), the loads-exerting and the post-processing, the model of flywheel bolt combination is plotted by using the free grid division method. According to the calculation and analysis on the finite element, the weak link of flywheel is found in the connection point between screw nut and screw. This connection point is the most intensive place of stress and also the place which is easy to lose control. It is found that the 195 diesel engines flywheel group is still safe after it is enhanced by 20% of 195 diesel engines power. At the same time the paper checks the fatigue strength.Key Words: Blot；Flywheel；Crankshaft；Geometric modeling；Finite element analysis 山东建筑大学毕业论文1 前 言1.1 195柴油机飞轮组有限元分析研究的目的及研究意义内燃机是现代各种机动车辆和大多数工程设备的动力输出装备，而柴油机是一种应用非常广泛的内燃机，尤其是在载重车辆和工程设备上，所装备的绝大多数是柴油机。在柴油机上所装备的大多数零部件工作环境较差，工作强度较大。因此，内燃机尤其是柴油机零部件的设计是工程设计中重要的一个方面。在本次课题的研究过程中本文选择了195柴油机飞轮组这样一个零部件的受力分析和强度校核。195柴油机适宜做手扶拖拉机、小四轮拖拉机、小履带拖拉机、小型排灌和农副产品的加工机械（如脱粒机、碾米机、饲料粉碎机等）的动力以及运输车辆和翻斗车的动力等，通用性非常好1。 图1.1 195柴油机的实物图在195型柴油机上螺栓连接是最重要的零部件连接方式之一，发动机上的一些高强度螺栓，如连杆螺栓和飞轮螺栓等，他们与被连接件一起高速运转，承受交变载荷，因而除需要达到一般的机械性能外，对疲劳性能也有很高的要求。发动机曲轴功率输出端装有飞轮并输出转矩。飞轮一般由定位销或者键等安装在曲轴上。螺栓应拧的足够紧以保证飞轮与曲轴间依靠摩擦来传递转矩，故曲轴和飞轮连接的可靠性非常重要。螺栓螺纹部分的几何形状十分复杂，它与螺母的接触面是一个空间的螺旋面，长期以来，很多人在对螺栓连接的分析中作了大量的工作，取得了一定的成果。本次课题是根据前人的研究成果，尝试着做一些简单的分析和研究。由于自身水平和研究条件的限制，分析和研究的结果可能达不到很高的精度，但我们看重的是一种分析、研究方法的掌握以及对整个分析过程中所做工作的乐趣的享受。所以能够学习并掌握解决问题的方法是本次课题的最大的目的和意义。它能使在今后的学习和工作过程中遇到同样的问题可以轻车熟路，迅速解决所遇到的相同或者相似的问题。1.2 195柴油机飞轮组有限元分析研究历史、现状和发展 螺栓连接是一种非常普遍的连接方式，在各种机械和建筑设施中有着广泛的应用，在过去，一般是用解析法对螺栓连接结构的力学问题进行简化的分析。人们应用材料力学、结构力学或弹性力学的方法来计算并做出分析结果。虽然这些方法是建立在严密的理论基础之上的，是科学的，但为了便于计算作了很多简化。由于这种简化与实际结构有很大的差异，因而计算结果不可避免地与实际情况有很大的差别。这样，设计时为了保险，不得不采用较大的安全系数，致使结构笨重 。应用解析分析法在对螺栓结构进行简化的过程中作出了三种假设2：(1)各螺栓的拉伸刚度或剪切刚度（即各种螺栓的材料、直径、长度）和预紧力大小相同；(2)被连接件作为刚体，受载后连接结合面仍保持平面；(3)螺栓的应变在弹性范围内；由于这些假设，解析计算的误差必然影响到设计的精度。所以人们迫切的希望有一种更准确、更高效的方法产生。由此，有限元分析法开始产生并迅速地应用到机械设计中去。有限元法最初产生于二十世纪五十年代，此后便随着计算机技术的发展而飞速的发展。时至今天，有限元法已经成为现代结构分析的重要方法。在现代工程结构（如汽车、飞机、机床等的结构部件设计中，有限元法分析应用的越来越广泛，为工程设计提供了一个强有力的工具。采用有限元法之后，人们把实际结构划分（离散）为一个个的“单元”，而单元与单元之间仅在节点处相连，这样就把无限个相互连接的实点所组成的真实结构，用有限个节点相连的离散单元组合体的有限元网络计算模型所近似代替，这样的模型显然无比接近于真实结构。由于有限元法采用虚拟模拟，从而使设计周期更短，费用更低，质量更高。在现代内燃机的设计过程中，有限元法无疑节省了大量的时间和设计成本，提高了劳动生产率3。具体到飞轮螺栓连接的有限元分析上，大部分采用接触分析法对机械应力进行三维有限元的计算，对螺栓的疲劳强度进行校核。人们采用温降法对螺栓预紧力进行分析，其分析结果与实际情况相差很小，而且分析结果表明螺栓连接是一种弹塑性模型，需要较多的计算资源和功能强大的计算设备4。可以预见，对螺栓连接的分析还会随着计算机的发展和相关软件的功能进一步完善而有着更大的发展。其具体的建模、分析过程会更科学，更接近于螺栓连接的实际情况。这样会对整个机械零部件的研究、分析产生巨大的推动和影响。这需要我们各种专业人才的努力来实现。1.3 本课题研究的主要内容(1) 查阅和本课题有关的技术文献资料，对本课题的研究项目首先有整体性的把握，对课题的设计流程有了总体的安排；(2) 分析195发动机的飞轮及连接螺栓的零件图，理解各个部分的工作情况和基本的构造状况；(3) 根据195发动机的飞轮及连接螺栓的零件图，利用Pro/E软件完成其三维实体模型，并建立要导入ANSYS软件的简化模型；将用Pro/E软件完成的简化模型导入ANSYS软件，并在ANSYS软件中进行网格划分和边界条件的处理，以及模型的求解。这就是使用ANSYS软件对结构进行的静力分析；(4) 在ANSYS软件中，对飞轮螺栓连接简化模型进行网格的划分，边界条件的处理和求解计算，其中包括约束的边界条件和力的边界条件，求解的工作主要在于螺栓的扭转计算上；(5) 根据分析的结果，得到分析的结论。2 飞轮组概述和受力分析2.1 195柴油机飞轮组概述飞轮组包含飞轮以及飞轮螺栓，其中飞轮螺栓是发动机上高强度连接螺栓之一。而195柴油机飞轮连接螺栓又不同于其它大功率柴油机上的飞轮连接螺栓，而是独特的特征。最突出表现为螺栓和曲轴本身一个整体结构。我们也可称之为曲轴螺栓。这种螺栓的结构在195柴油机这样一个小功率柴油机上相当实用，简化了结构，降低了制造成本。曲轴一般采用中碳钢或中碳合金钢模锻而成，因此飞轮螺栓和曲轴是采用的同一材料。曲轴的轴颈具有锥度，以便使有着同样锥度的飞轮安装上面，然后靠螺栓的预紧力压紧其接触面，使其之间产生摩擦而传递转矩。同时曲轴和飞轮之间装有平键用于定位和传递转矩。工作时，飞轮在曲轴的带动下高速旋转，飞轮螺栓受力大而且复杂，并承受交变负荷的冲击作用。因此，飞轮连接螺栓的可靠性极为的重要。图2.1 195柴油机曲轴2.1.1 195柴油机飞轮螺栓的材料195柴油机曲轴一般用中碳钢或中碳合金钢模锻而成，广泛采用中碳钢45模锻而成，并经调质处理。195柴油机飞轮螺栓与曲轴是一个整体，因此，195柴油机飞轮连接螺栓是采用与曲轴相同的材料。同时为了计算时的简便和简化模型，螺帽采用与螺杆同样的材料。2.1.2 195柴油机飞轮螺栓的工作条件（1）承受螺栓预紧力，曲轴输出转矩，曲轴和飞轮的离心力；（2）螺栓本身几何形状复杂，应力集中严重；（3）螺栓随飞轮高速运转，所受载荷为交变载荷。2.2 195柴油机飞轮的概述 飞轮是一个边缘质量很大的铸铁圆盘，用来贮存能量，通过曲轴、连杆带动活塞完成进气、压缩和排气过程，飞轮还可以在发动机启动时帮助克服气缸中的压缩阻力，使发动机可以在低速下平稳运转和克服短时间出现的超负荷，并使内燃机运转均匀平稳。飞轮尺寸大小与内燃机的气缸数、转速及运转均匀度有关。在四缸或者四缸以上的发动机上，由于各气缸行程互相衔接，对飞轮的转动惯量的要求特别小，因而飞轮的尺寸就可以小些。这也可以说明为什么单缸的发动机往往装有沉重的飞轮8 9。飞轮用螺钉或者螺栓螺母按照规定力矩紧固在曲轴后段的凸缘上。图2.2 195柴油机的飞轮实物图2.3 195柴油机飞轮螺栓的受力分析要进行飞轮螺栓连接的分析就必须明白飞轮螺栓的受力状况。由于195柴油机的运转很不平稳，各种工况又有不同的运转状况，所以我们所分析的195柴油机的飞轮螺栓受力是在一般的发动机工况下的受力。2.3.1 195柴油机飞轮螺栓的预紧力 预紧力的大小由柴油机厂家根据自己的产品的使用特点在设计过程中计算得出。在本课题的计算过程中，我们采用的莱阳动力机械厂的195柴油机的设计图纸，因此预紧力的大小根据其装配图上所给出的预紧力为标准，但图纸只给出了最小值，其大小为：343。本文出于计算的方便和更加接近实际取略大于其最小值的力矩为本次课题的螺栓连接的预紧力。2.3.2 195柴油机飞轮螺栓所承受的曲轴扭矩飞轮连接螺栓承受着曲轴的输出扭矩。由于在195柴油机的动力输出的实际情况中，飞轮是动力输出的工具，飞轮在与曲轴的连接过程中采用平键和螺栓共同连接。这样曲轴输出的转矩由飞轮与曲轴的摩擦、键和压紧螺栓三方承担。由于在实际过程中三方受力的分配很难测出，所以我们根据所查资料以及经验总结出的飞轮螺栓所承受的曲轴扭矩为曲轴输出扭矩的0.3-0.5之间，我们取一个折中值，取为曲轴输出转矩的0.4。2.3.3 195柴油机飞轮螺栓所承受的飞轮的惯性力矩飞轮在实际的运转过程中不是匀速旋转的。由于曲轴的转动有波动，自然飞轮的旋转就会时快时慢，这样飞轮就必然会存在着旋转时的角加速度。这样飞轮就会产生旋转时的惯性力矩。这样一个力矩也同样会加在飞轮螺栓上。但在我们本次的研究课题中尚无法知道这样一个惯性力矩的大小。我们可以认为飞轮的旋转是匀速的，这样我们就把这样一个惯性力矩近似视为零。2.4 195柴油机缸内气体作用力作用在活塞顶上的气体压力 ，它可以根据内燃机的示功图10，通过工作过程的模拟计算（对新设计内燃机）或试验方法（对现有内燃机）确定。本文中195柴油机的最大爆压为已知的条件，为7.08494。如图2.3所示，气体作用力的值为： (2.1)式中， 气缸直径；气缸内的绝对压力；曲轴箱内气体的绝对压力；对四冲程的内燃机来说，一般取。图2.3 195柴油机缸内气体作用力图2.4 195柴油机曲柄曲柄连杆机构中力的传递图力在曲柄连杆机构中的传递情况如图2.4所示。由于连杆的摆动，除了对连杆产生拉压力外，还对气缸壁产生侧向力。 (2.2)式中，连杆摆角按式计算，为曲轴半径与连杆长度的比值。连杆力使连杆轴承受载并在曲柄销中心产生切向力和法向力 (2.3) (2.4)法向力使曲轴受弯曲，并使主轴承受载。切向力与构成力偶，其力偶矩即为发动机的转矩： (2.5)2.5 195柴油机曲轴的输出扭矩单缸发动机的曲轴主轴颈所受扭矩可以认为是发动机所输出的扭矩，其值为： (2.6)式中，发动机的有效扭矩； 发动机的转速；发动机的有效功率根据原始的设计参数：，此时的曲轴转角为，在模型简化时假设此曲轴转角为，当活塞运动到压缩冲程的上止点时，曲轴受到最大的压力，此时。缸内的气体作用力为为：沿气缸中心线的总作用力为：轴主轴颈所受扭矩为：3 飞轮组三维实体建模3.1 Pro/E软件简介Pro/ENGINEER是美国PTC（Parametric Technology Corporation）公司开发的3D产品设计软件，简称Pro/E。其功能十分广泛，包括实体建模、曲面设计、工程图、NC加工等。Pro/E的功能很全，而且非常强大。Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数(不但包括几何尺寸，还包括非几何属性)，然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发5。在本文中应用的主要是Pro/E软件的三维实体造型功能、特征造型以及尺寸驱动功能等。使用Pro/E软件可以很轻松的创建三维实体模型，可以一目了然地看到零件或装配部件的实际形状和外观。这些模型和真实世界中的物体一样，具有密度、质量、体积、曲面区域以及重心等属性。特征是Pro/E软件中最惹眼的概念。特征就是一组具有特定功能的图元，是设计者在一个设计阶段完成的全部图元的总和。特征是模型上的重要结构，例如特征可以是模型上的一个圆角，特征也可以是模型上切除的一段材料，特征还可以是用来辅助设计的一些点、线、面。Pro/E软件创建的模型以尺寸数值作为设计依据。如果某个特征的尺寸有所变更，相应的实体模型也将自动更新，这种变更会自动传递到模型中的其他特征上，从而更新整个零件。三维实体模型是当前CAD技术中最典型的模型形式，能够全面描述物体的形状、大小以及质量分布等综合信息。实体特征是构建实体模型的基本组成单元，具有特定的形状，具有质量、体积以及厚度等物理属性。在实际的三维实际建模中，飞轮虽然是旋转体，但由于其纵切面形状不规则，带有一定的斜度，直接在ANSYS软件中建模需要耗费大量的时间，效率较低。在当今，CAD和CAE这两个领域最具代表性的软件分别是Pro/E和ANSYS。Pro/E拥有强大的实体和曲面造形功能，而ANSYS具有完善的有限元分析功能，但是这两个软件各自的长处又有各自的短处，解决这一问题有效途径是在Pro/E中建模，然后将模型导入ANSYS进行有限元分析，从而实现用计算机完成零件的设计与分析。所以本次课题也是在Pro/E中建模，将建好的模型转化为Pro/E图形通用的IGES文件格式或者SAT文件格式，然后导入ANSYS软件中进行网格化分并作相应的分析。本课题在实际建模过程中分别对飞轮、曲轴轴颈段、螺母分别建模，然后在Pro/E中进行三个实体模型的装配。在实际的建模过程中，进行了必要的省略和简化，如一些影响不大的倒角、圆角和小孔。把各个零件模型建好以后，利用Pro/E的组件设计功能进行装配。3.2 195柴油机飞轮的三维实体建模利用Pro/E软件进行飞轮三维实体建模的具体操作步骤如下(1)选择“Pro/E”桌面快捷方式，启动Pro/E软件；(2)在Pro/E软件已打开的界面中选择“文件”菜单，选择“新建”，在弹出的菜单种类型一栏选择“零件”，在子类型一栏中选择实体，定义文件的名称为“195FL”,进入三维绘画的界面；(3)选择“旋转”特征，单击“放置”“定义”，选择“TOP”基准平面，为绘图面选择RIGHT基准平面作为向“右”，定义参考面单击“草绘”按钮进入草绘模式；(4)建立一条中心线：单击右方工具栏中“中心线”按钮，在草绘平面中根据需要建立一条中心线。在旋转拉伸的过程中定义中心线是必须的；(5)绘制截面：根据所给飞轮纵剖面的尺寸，我们在草绘平面内绘制出基本的截面图，然后按要求修改尺寸，最后对图形进行修剪，直到没有多余的曲线，重点放大查看曲线交点处，看是否存在没有闭合的点（此时经常出现的问题是软件提醒你你画的2D图形不封闭，在这时候要反复检查，甚至重新画，千万不要着急），最后单击右方工具栏中的“”按钮；(6)修改旋转特征：将旋转角度改为360，然后将旋转特征改为实体，单击下方工具栏的“”按钮；此时没有经过倒角和修整的飞轮三维图形如下：图3.1 195柴油机的未经倒角处理的飞轮实体模型(1)对旋转出的三维实体的一些边线进行倒角和倒圆角处理，只需用鼠标选择要倒角的边，然后按“倒角” 或“倒圆角” 按钮，输入要倒角的尺寸或者要倒圆角的半径，点击右下方的“”，倒角过程即完成；(2)点击“拉伸”按钮，单击“放置”“定义”，选择RIGHT基准平面为绘图面，单击基准按钮，进入草绘模式；(3)在绘图平面内按给定的尺寸画出三个大小相同的圆，圆心在同一个圆周上，完成后点击“”；(4)点击左下方的建立实体控制按钮，选择拉伸方向为向里，点击“去除材料”，输入拉伸深度，然后点击“”按钮，飞轮上便拉伸出三个圆孔。飞轮三维实体模型建立基本完成。再点击“文件”菜单，选择“保存”，在弹击的对话框中选择要保存的地址，按“确定”完成保存。完成后的飞轮三维实体模型如下：图3.2 195柴油机的飞轮实体模型3.3 195柴油机曲轴轴颈段的三维实体建模曲轴轴颈段的三维建模过程同样使用了Pro/E软件的旋转拉伸特性。其基本的操作步骤和飞轮三维模型的建立基本相同，只是在定义文件名称时改为“195QZ”。其他如倒角等步骤也完全和飞轮的建模相同。因为螺纹受力状态复杂，通常只考虑光杆螺栓。这样在实际的分析过程中并不影响分析的结果。在一般的螺栓连接有限元分析报告中，建模时大都是这样对螺栓模型进行处理的。实践证明这种方法是可行的。图3.3 195柴油机的曲轴轴颈端的实体模型3.4 195柴油机飞轮螺栓连接螺母的三维实体建模本文在螺母实际的建模过程中同样忽略螺母的内螺纹，而把螺母的螺孔简化为具有同一直径的光滑圆形通孔。同时把这个拆分的螺母简化为具有相同刚度的六角形柱体。在Pro/E软件中，对螺母的建模过程主要是利用了软件的“拉伸”命令，其具体步骤如下：(1)选择“文件”，在下拉菜单中选择“新建”，选择新建的类型是“零件”将零件的名称改为“LM”；(2)用鼠标单击右方工具栏“拉伸”按钮；(3)用鼠标单击左下方的“放置”“定义”按钮。然后点击“TOP”为基准平面，以“RIGHT”基准面的法线方向为基准方向。从而进入草绘平面；(4)在“草绘”平面内进行2D绘图，完成后单击右方的命令按钮“”；(5)用鼠标点击左下方的实体按钮，并输入拉伸的厚度，然后点击右下方的“”，从而螺母的Pro/E建模完成。螺母的三维实体模型如下：图3.4 195柴油机的螺栓螺母装配图螺母和曲轴轴颈段装配在一起的实物图形如下：图3.5 195柴油机的螺栓螺母装配在一起的实物图3.5 195柴油机飞轮螺栓连接各实体模型的装配195柴油机飞轮螺栓连接实物图如下：图3.6 195柴油机的飞轮螺栓连接的实物图将设计好的零件组装起来，必须新建一个组件文件，组件的扩展名为“asm”.下面具体介绍零件实体的装配过程。(1)单击“文件”，在下拉菜单中选择“新建”，在打开的对话框中选择“组件”。定义名称为“ZP”；(2)选择命令菜单栏中的“插入”“元件”“装配”，从保存零件的文件夹中选择要装配的“飞轮”三维模型。桌面上便显示要装配的飞轮元件图；(3)在出现的“元件放置”对话框中。约束类型该为“坐标系”。选择元件的基准坐标系为“PRT-CSYS-DEF”，选择组件的基准坐标系为“ASM-DEF-CSCYS”；(4)单击“元件放置”对话框中的“确定”按钮；(5)单击右方工具栏“插入”按钮，选择保存有曲轴轴颈部分的三维模型的文件夹，从而将“曲轴”调入装配窗口；(6)在新打开的“元件放置”对话框中选择约束类型为“匹配”，选择“飞轮”的一个面为参考面，选择“曲轴”轴端上的一个面为参考面。把匹配距离改为“0”；(7)将第二个约束改为“对齐”，选择“飞轮”旋转中心线为一参考线，选择“曲轴”的中心线为另一参考线；(8)将第三个约束改为“匹配”。选择“飞轮”上具有一定锥度的内曲面为一参考面，选择“曲轴”上相应的具有同样锥度的外曲面为另一参考面，把匹配距离改为“0”。至此“飞轮”和“曲轴”装配完毕；(9)点击“元件放置”对话框上的“确定”按钮；(10)再次点击右方工具栏中的“插入”按钮，将“螺母”调入装配窗口；(11)在弹出的“元件放置”对话框中选择“对齐”，选择“飞轮”的旋转中心线为一参考线，选择“螺母”的上的中心线为另一参考线；(12)将第二个约束改为匹配，选择“飞轮”的外侧面为一参考面，选择“螺母”的一个面为另一参考面，将匹配距离该为“0”；(13)点击“文件放置”对话框的“确定”按钮。195柴油机飞轮螺栓的整个装配过程已经完成。起装配好的三维实体模型如下：图3.7 195柴油机的飞轮螺栓连接的三维实体模型3.6 建立有限元模型的策略与考虑的一般问题目前，应用有限元分析求解工程问题日益广泛，市面上流行的微机版本大型有限元分析软件，如Algor, ANSYS,Cosmos,Strand等，功能强大，人机交互性好，前后处理完善，使用方便，使有限元分析的应用日益普及。几万个节点、几万个单元的工程结构有限分析问题已不是什么难事。现在的发展趋势是CAD与有限元分析的集成，有人更提出了有限元自动化的设想，即所谓的“傻瓜有限元”的设想，但是如何将实际结构简化为合适的有限元计算模型，仍是一个很棘手的问题。如何对实际结构进行简化，建立计算力学模型，目前没有普遍适用的规律及有效的方法。关于这方面的文献也很少，虽然有限元法手册在其第四篇第三章专门论述了“有限元模型和前处理”，但也只叙述了一般性的原则，难以用来具体指导实际结构的有限元建模。该手册指出，有限元建模像一门艺术，是对工程理论和判断的巧妙运用。这充分说明了有限元建模问题的性质与现状。实际上，有丰富实践经验的科技人员，可以凭他们的经验对实际结构进行恰当的简化，作出较合理的计算模型，但这些经验是潜意识的，而且只局限于某一类型结构或相似类型的结构11。将实际结构转换为有限元分析模型时，一般需考虑下面几点12：(1) 结构对称性的利用；(2) 删除细节； (3) 减维(选取合适的单元类型)； (4) 有限元网格划分； (5) 边界条件的处理；(6) 建立节点载荷；任何构件或零部件都是三维的，但是当其某一个方向或某两方向的尺寸远小于其他方向的尺寸时，就可以简化为杆或板，这种简化称为“减维”。由于本课题的曲轴和飞轮螺栓不存在减维的可能性，所以在此对于简化模型的“减维”就不再过多阐述了。建立计算模型的几个策略与方法，根据工程实践，在建立结构的计算力学模型时，下列几个策略往往是行之有效的，这是众多工程实践经验的总结：(1) 按照分析目标来选取计算模型；(2) 先整体后局部、先粗后细的分析方法；(3) 主从处理；(4) 等效结构；3.7 有限元模型的简化本文在实际的飞轮螺栓连接三维有限元模型导入ANSYS的过程中出现了一些问题，最大的问题是发现所建立的模型ANSYS 不予识别，为了解决这个问题作者曾查阅大量的资料，但在所有的有限元分析类的教材或者资料当中有关把Pro/E实体模型如何导入ANSYS中的介绍少之又少。在这种情况下，指导老师给了我很大的帮助，一起想办法，查资料。最后终于解决了问题，解决的办法主要是对原有模型的简化，如一些对计算、分析影响较小的倒角和小孔予以省略。因为在转化过程中这些倒角和小孔会使ANSYS软件认为你导入的模型不封闭，或者提醒你你所导入的模型有些线不在同一个平面上，造成某些面ANSYS不予识别或导入到ANSYS中去的模型不是一个实体。如何解决这些问题可能要花费大量的计划以外的时间，但我们也可以通过这样一个过程学到很多的东西，使我们再遇到同样的问题时知道从何入手。对我们今后的工作和学习都有很大的益处。飞轮螺栓连接的有限元的简化模型如下：图3.8 195柴油机飞轮螺栓连接的三维实体简化模型4 飞轮组有限元分析4.1 有限元分析法及ANSYS软件应用简介有限元法是根据变分原理求解数学、物理问题的一种数值计算方法。它最初是在50年代作为处理固体力学的方法出现的。它的基本思想是在40年代初就有人提出。到了50年代，由于工程上的需要，特别是高速电子计算机的出现，有限元法才在结构分析距阵方法的基础上迅速发展起来，并得到越来越广泛的应用。有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段6。ANSYS 软件是集结构、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，是世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS 开发的。可广泛应用于航天、土木工程、机械制造、车辆工程、生物医药、核工业、电子、造船、能源、水利、轻工等一般工业和科学研究。该软件可在大多数计算机和操作软件中运行。从PC机到工作站直至巨型计算机，ANSYS文件在所有的产品系列和平台上均兼容。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如NASTRAN、ALGOR、I-DEAS、Pro/ENGINEER、AUTOCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一7。ANSYS的典型分析过程由前处理、求解计算和后处理三个部分组成。(1) 前处理(前处理器：Preprocessor) 定义工作名(Jobname)和标题(Title）； 设置分析模块； 定义单元类型和选项； 定义实常数； 定义材料特性； 建立分析几何模型； 对模型进行网格划分； 施加载荷及约束。(2) 求解计算(求解器：Solution) 选择求解类型； 进行求解选项设定。(3) 求解后处理(后处理器：General Postproc/TimeHist Postpro) 从求解计算结果中读取数据； 对计算结果进行各种图形化显示； 可对计算结果进行列表显示； 进行各种后续分析。ANSYS的优越性发挥必须依赖于分析人员对分析对象合理的边界条件界定，载荷条件最大限度地与实际工况一致，既能有效地转化这些条件又不至于使分析对象产生附加的应力，这样计算结果才对设计有参考意义。4.2 195柴油机飞轮组简化模型导入ANSYS ANSYS提供了与大多数CAD软件进行数据共享和交换的图形接口。ANSYS自带的图形接口能识别IGES、ParaSolid、CATTA、Pro/E、UG、SAT等标准的文件。使用这些接口转换模型的方法很简单，只要在CAD中将建好的模型使用“另存为”或者“导出命令保存为ANSYS能识别的标准图形文件，通常使用的有IGES和SAT文件。在ANSYS中使用FileImport导入模型，然后进行模型拓扑结构的修改。对与CATIA和Pro/E等CAD软件，ANSYS能较容易的识别他们的文件，转化较为简单和直接13。对于如何把飞轮螺栓连接的Pro/E简化模型导入ANSYS是在本次课题的进行过程中遇到的非常棘手的问题。作者尝试了使用IGES和SAT 两种导入方式14，两种方法都较为简单和方便。但在具体的转化过程中我们发现用SAT方式更为稳定，尽管其转化方式略显复杂。因为在我们具体的使用过程中发现，把Pro/E中的简化模型转化为IGES格式后在进行保存，容易造成数据的丢失。具体原因是多方面的，它是在本文这个课题的进行过程中遇到的实实在在的问题。最后发现用SAT格式较为稳定，而且在多次保存和转移的过程中没有数据损失，也比IGES格式占用硬盘的空间小。所以本次课题采用SAT格式把飞轮螺栓连接简化模型导入到ANSYS软件中去。存在两种方式在ANSYS中导入SAT集合。直接输入SAT集合和分别输入集合中的部件以在ANSYS中形成集合。在本课题的进行过程中本文采用直接输入SAT集合。把Pro/E中的简化模型导入到ANSYS的具体步骤如下：(1)把在Pro/E中建好的飞轮螺栓连接的三维简化实体模型保存副本，保存副本的文件格式为“SAT”。当Pro/E窗口左下方出现已100%转化时，模型已全部转化完毕。然后将转化好的文件保存在指定的文件夹；(2)清除ANSYA中的数据库： 选择实用菜单Main Menu:fileClear&stat New ；在打开的Clear Database and Start New对话框中，选择read file，单击OK按钮； 在弹出的确认按钮中按YES。 图4.1 Cear Database and Start New 对话框(3)输入“asm0001.sat”SAT文件 选择实用菜单Main Menu :FileImportSAT；在打开的文件对话框“ANSYS Connection for SAT”中选择“asm0001.sat”SAT文件，然后点：“OK”；图4.2 ANSYS Connectino for SAT 对话框图4.3 以SAT 格式导入ANSYS的最初是一些轮廓线选择实用菜单Main Menu:PlotCtrlsStyleSolid Model Factes；在打开的对话框中，在下拉列表中选择“Nomal Faceting”，然后点“OK”。选择实用菜单Main Menu:PlotReplot；选择实用菜单Main Menu:PlotCtrlsNambering；在打开的对话框中，将实体编号设为“ON”。然后点“OK”；选择实用菜单Main Menu:PlotVolunes。然后保存数据库，在工具栏上按“SAVE_DB”按钮。到此飞轮螺栓连接的简化模型导入ANSYS的过程就全部结束，此时可以保存数据以便后续工作的展开。导入到ANSYS中的飞轮螺栓连接简化模型图如下：图4.4 ANSYS中的飞轮轮栓连接的有限元简化模型4.3 195柴油机飞轮组有限元模型的网格划分的概述模型的几何实体模型建成以后，就可以对其进行网格的划分了。有限元网格划分是将整体结构离散化,是数值分析的前提。划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。有限元网格划分的指导思想是首先进行总体模型规划，包括物理模型的构造、单元类型的选择、网格密度的确定等多方面的内容。在网格划分和初步求解时，做到先简单后复杂，先粗后精。为提高求解的效率要充分利用重复与对称等特征，由于工程结构一般具有重复对称或轴对称、镜象对称等特点，采用子结构或对称模型可以提高求解的效率和精度。有限元分析的精度和效率与单元的密度和几何形状有着密切的关系，按照相应的误差准则和网格疏密程度，避免网格的畸形。典型有限元软件平台都提供网格映射划分和自由适应划分的策略。映射划分用于曲线、曲面、实体的网格划分方法，可使用三角形、四边形、四面体、五面体和六面体，通