基于ANSYS的曲柄压力机曲轴刚度分析

基于ANSYS的曲柄压力机曲轴刚度分析 【摘 要】：运用ANSYS建立某型压力机曲轴的有限元模型,研究分析结果为压力机的优化设计提供了理论依据。利用ANSYS有限元分析软件对曲轴模型进行分析并按照不同的加载方式对曲轴进行加载：按曲轴变形前的均布载荷形式给曲轴加载,得到的挠度值与实测值相比;按曲轴变形后的集中力形式给曲轴加载,得到的挠度值与实测值相比。从而得出利用有限元分析法分析曲轴时应按照均布载荷形式对其加载,这样得到的分析结果更可靠,更接近曲轴变形的真实情况。研究结果为压力机的优化设计提供了理论依据。 【关键词】： 曲轴 刚度 有限元 模态分析 压力机曲轴 【引言】:曲轴是压力机传递运动和动力的重要零件,受力复杂。它的强度是限制滑块负荷大小的主要因素,从而决定了压力机的滑块许用负荷图,对于这方面已有很多人做过研究计算。而曲轴的刚度分析也很重要,如果曲轴弯曲刚度不足,就会大大恶化连杆、滑块等重要零件的工作条件,影响它们的工作可靠性和耐磨性。所以,设计曲轴时应保证它有尽可能高的弯曲刚度。确定曲轴刚度的方法有两种:一是试验研究,二是分析计算。由于试验研究要花费很长的时间,而且某一根曲轴的试验,往往也不能代表整批曲轴的刚度,在对压力机的标称压力、下压次数等改型设计时,还需要重新进行刚度试验,因此,通过试验的方法研究曲轴的刚度不仅周期长,而且试验费用高昂。另外,试验研究只能在已制成的曲轴上进行,无法在设计阶段应用,因此,人们很早就致力于用分析计算的方法。现在流行用纯弯梁性质来研究曲轴刚度问题,这种研究结果与实测结果相差虽不是很大,但仍有一定差距。随着计算机技术的不但发展,现在我们可以用模拟实体的有限元分析方法来进一步研究曲轴,同时可以把解析法和有限元分析法得出的计算结果与实测结果进行比较,从而得出最优的分析曲轴的方法。 利用ANSYS对压力机曲轴进行分析(1) 有限元模型的建立 压力机曲轴是形状不规则的长轴类零件，具有轴向线不连续、长径比大等特点。从总体上看，曲轴既不是对称体也不是反对称体，因此对曲轴进行有限元分析时取整体为研究对象。在曲轴建模时，因其结构形状复杂，需做一些不影响其动力学性能的简化。描述建立并建立模型的集合边界，然后建立对单元体大小及形状的控制，最后命令ANSYS程序根据控制要求自动生成所有的节点和单元。采用SOLID45单元。划分网格时采用自由网格方式。单元大小20mm。 曲轴模型图 曲轴有限元模型图 (2)刚度分析 压力机具有良好的动平衡性能、惯性力对曲轴受力影响较小，冲压力是曲轴承受的最主要的作用力。压力机曲轴在工作过程中受到冲击载荷的作用，但冲击力的最大值也不能超过公称压力值。曲柄颈和连杆是面面接触，作用力垂直于曲面，对曲轴的受力可等效为公称压力机值沿轴向均布，作用在曲柄颈上表面的均布载荷为800KN。 （3）约束条件 分析中我将选择三维八节点SOLID45号单元，已经约束了所有节点的3 个方向的转动自由度, 因此只进行3个移动自由度UX 、UY、UZ 的约束处理, 将径向约束UX 、UY 加在直径130mm的支承颈上，具体位置待定。 （4）施加载荷 曲轴在带动连杆滑块运动的时候，在下压过程中冲压力是最大的,但其最大值也不能超过压力机的标称压力值,所以在校核曲轴的刚度时可以把标称压力值加载在曲轴上。 对于载荷的加载方式有以下几种分析:一是曲轴在变形前的瞬间可以看成是受均布载荷,如图4a所示,将标称压力值以压力值的均布形式加载在曲柄颈的上表面上二是考虑曲轴受力后,产生的弯曲变形是两端小、中间大的如图4b所示所以认为曲轴变形后的作用力是非均布载荷的,是两端大、中间小的,如图4c所示,故在曲柄颈上距离曲柄臂2r处加两个集中力载荷。对于这两种加载方式,在下面的ANSYS分析当中将分别施加上述两种力,并比较哪种力的加载方式更加符合实测值。 加载荷后图 加约束后图在对曲轴施加载荷和约束后，曲轴会发生变形，如下图 变形形状的结果图 （5）计算结果分析 执行求解运算，求得结果 求解后图 计算结果（6）节点位移云图 节点Von Mises应力图 节点位移云图 节点Von Mises应力图【结论】1、 通过对压力机曲轴建立模型进行基于有限元法的刚度分析，并且与按变截面梁挠度理论公式进行相互印证。计算压力机曲轴刚度的时候两种方法可以有选择的使用。2、 最大变形发生在曲柄颈中点处，轴变形前的均布载荷形式给曲轴施加载荷与实测值相比误差较小。3、在建模时对曲柄颈两端的圆角进行简化,这样得出的简化模型不仅计算效率大大提高,分析结果也更加符合实际【参考文献】 （1）苏铁熊，李小雷，崔志琴，发动机曲轴动态设计研究J，车用发动机，2002，4（2）；13-15 （2）周志鸿，李晓，孙常盛，基于ANSYS