4125A型柴油机曲轴结构有限元模态分析毕业设计论文

1、毕业设计(论文)课 题 名 称 4125A 型柴油机曲轴结构有限元模态分析 摘 要曲轴是发动机的主要受力构件之一，也是发动机重要的构成部件，其尺寸和参数决定着发动机整体构成以及其性能和机构尺寸与发动机的寿命和可靠性。曲轴的工作环境决定曲轴受力比较复杂，曲轴不仅要受压力，惯性力还要受弯矩，由于曲轴受力比较复杂，所以在对曲轴进行设计时要求也比较高。为了避免曲轴在工作时发生共振，导致曲轴失效需要对曲轴进行模态分析，这样可以求出曲轴共振频率，以及曲轴在工作时的振型及其载荷的变化规律，从而在设计时可以规避共振对曲轴损坏，这对提高曲轴的寿命和可靠性是很有效的。该课题研究的是4125A型柴油机曲轴有限元分析

2、。通过ANSYS有限元分析软件对此柴油机的曲轴进行建模然后进行静力学分析和模态分析，由此可以了解曲轴在工作时所受的工作载荷，以及工作危险截面和曲轴工作的共振频率、振型。这样可以了解曲轴的实际工作情况，就可以在进行曲轴设计时合理的安排曲轴的结构和尺寸，在设计时采取各种措施提高曲轴危险截面的强度更好的规避曲轴的共振区间，以提高曲轴设计和工作的可靠性，减少开发周期，从而提高柴油机曲轴的设计质量。 运用ANSYS14.0建立曲轴的三维实体模型以及确定网格单元的相关参数类型。先在ANSYS中确定网格划分精度和网格划分密度等，然后对所建立的三维实体模型进行网格划分，限制模型的自由度以及对其进行加载力。用A

3、NSYS中的相关模块对所建立的三维实体模型进行静力学分析和模分析，就可以的得到相应的结果 关键字：曲轴；模态分析；有限元分析ABSTRACTCrankshaft is one of the main components of the engine and the important engine of the stress components, the size and parameters determines engine overall structure, performance and organization size and engine life and reliabili

4、ty. Crankshaft working environment decided to entertain the crankshaft complex, the crankshaft must not only pressure, inertia force but also by the moment, because the crankshaft accept more complex, so in the design of the crankshaft requirements are relatively high, in order to avoid showing off

5、the crankshaft at work when resonance occurs, resulting in failure of the crankshaft to the modal analysis of the crankshaft, so that we can find the resonance frequency of the crankshaft, and crankshaft at work and the mode of vibration load variation, which in the design can avoid resonance of cra

6、nkshaft damage, which to improve the service life and the reliability of the crankshaft isvery effective.The paper is on the study of 4125A diesel engine crankshaft finite element analysis. Through the finite element analysis software ANSYS in this regard diesel engine crankshaft modeling and static

7、 analysis and modal analysis, then we can know the work load of crankshaft, and dangerous work section and crankshaft of resonance frequency, vibration mode. Thus the actual working condition of crankshaft can be in for the crankshaft design reasonable arrangement of the crankshaft structure and siz

8、e to improve the crankshaft design and working reliability, At design time, take various measures to improve the strength of crankshaft resonance interval to avoid the dangerous section of the crankshaft，reduce the development cycle，So as to improve the design quality of the crankshaft of the diesel

9、 engine.The use of ANSYS14.0 to build three-dimensional model of the crankshaft and theparameter determination unit and grid type.first in ANSYS determine the meshing accuracy and mesh density, then carries onthe grid division of the three-dimensional solid model established, the restricted model de

10、grees of freedom and the for loading. Using ANSYS module in 3D model based on the static analysis and modal analysis.Keywords:Crankshaft; Modal Analysis; Finite element analysis目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc420905609 摘 要 PAGEREF _Toc420905609 h I HYPERLINK l _Toc420905610 ABSTRACT PAGEREF _Toc

11、420905610 h II HYPERLINK l _Toc420905611 1 绪论 PAGEREF _Toc420905611 h 3 HYPERLINK l _Toc420905612 1.1现代设计理论和方法在柴油机设计中的应用 PAGEREF _Toc420905612 h 3 HYPERLINK l _Toc420905614 1.2柴油机曲轴有限元分析的目的和意义 PAGEREF _Toc420905614 h 3 HYPERLINK l _Toc420905616 1.3柴油机曲轴有限元分析国内外研究现状 PAGEREF _Toc420905616 h 3 HYPERLIN

12、K l _Toc420905617 1.4本论文的研究内容 PAGEREF _Toc420905617 h 3 HYPERLINK l _Toc420905618 2有限元理论及其分析软件 PAGEREF _Toc420905618 h 3 HYPERLINK l _Toc420905619 2.1 有限元分析法 PAGEREF _Toc420905619 h 3 HYPERLINK l _Toc420905623 2.2 ANSYS 软件的介绍 PAGEREF _Toc420905623 h 3 HYPERLINK l _Toc420905626 2.3 ANSYS14.0的分析流程 PAG

13、EREF _Toc420905626 h 3 HYPERLINK l _Toc420905628 2.4 影响有限元分析精度的因素 PAGEREF _Toc420905628 h 3 HYPERLINK l _Toc420905629 2.5 提高有限元分析精度地方法 PAGEREF _Toc420905629 h 3 HYPERLINK l _Toc420905630 3柴油机曲轴三维模型的建立 PAGEREF _Toc420905630 h 3 HYPERLINK l _Toc420905667 3.3 曲轴建模的准备工作 PAGEREF _Toc420905667 h 3 HYPERLI

14、NK l _Toc420905668 3.4 曲轴有限元模型的建立 PAGEREF _Toc420905668 h 3 HYPERLINK l _Toc420905670 3.5曲轴网格单元的划分 PAGEREF _Toc420905670 h 3 HYPERLINK l _Toc420905672 3.6本章小结 PAGEREF _Toc420905672 h 3 HYPERLINK l _Toc420905673 4柴油机曲轴的静力分析 PAGEREF _Toc420905673 h 3 HYPERLINK l _Toc420905675 4.1 施加约束 PAGEREF _Toc4209

15、05675 h 3 HYPERLINK l _Toc420905680 4.2 施加载荷 PAGEREF _Toc420905680 h 3 HYPERLINK l _Toc420905685 4.3柴油机曲轴的静力分析 PAGEREF _Toc420905685 h 3 HYPERLINK l _Toc420905688 4.4柴油机曲轴的静力分析结果 PAGEREF _Toc420905688 h 3 HYPERLINK l _Toc420905693 4.5结论分析 PAGEREF _Toc420905693 h 3 HYPERLINK l _Toc420905698 5柴油机曲轴的模态

16、分析 PAGEREF _Toc420905698 h 3 HYPERLINK l _Toc420905699 5.1 柴油机曲轴模态分析的概述 PAGEREF _Toc420905699 h 3 HYPERLINK l _Toc420905700 5.2模态分析的理论基础 PAGEREF _Toc420905700 h 3 HYPERLINK l _Toc420905701 5.3模态分析的基本方法 PAGEREF _Toc420905701 h 3 HYPERLINK l _Toc420905702 5.4模态分析的基本步骤 PAGEREF _Toc420905702 h 3 HYPERLI

17、NK l _Toc420905707 5.5模态分析结果 PAGEREF _Toc420905707 h 3 HYPERLINK l _Toc420905710 5.6 结果分析 PAGEREF _Toc420905710 h 3 HYPERLINK l _Toc420905723 6结论与展望 PAGEREF _Toc420905723 h 3 HYPERLINK l _Toc420905724 6.1 结论 PAGEREF _Toc420905724 h 3 HYPERLINK l _Toc420905725 6.2 展望 PAGEREF _Toc420905725 h 3 HYPERLI

18、NK l _Toc420905726 参考文献 PAGEREF _Toc420905726 h 3 HYPERLINK l _Toc420905727 / PAGEREF _Toc420905727 h 3在ANSYS中对所建立的三维实体模型进行网格划分，限1绪论现代设计理论和方法在柴油机设计中的应用柴油机是所有热机中热效率最高的，也是当今人类社会中应用最广的一种热机，它广泛地应用于包括汽车在内的各个领域。近年来，由于市场激烈的竞争，许多企业希望通过提高转速和增压等各种方法来提高柴油机的动力性能指标，以及改善它的经济性和排放性能等指标。在对通用非增压柴油机进行增压改进时，首先考虑的是原发动机主

19、要受力零部件的结构强度以及动力性能是否满足增压的要求，这要求柴油机厂商通过技术积累以及结合国内外先进技术来提高自己的设计和制造水平。当下市场竞争越来越激烈，这就要求不断退出性能更高的产品并且缩短自身产品开发周期，以满足市场需求。同时，为了提高产品质量以及降低生产成本，再设计产品时需做大量的分析实验和数据的处理，这都增加了设计的工作量，依靠传统手段进行分析和设计是不能满足现代设计要求的。所以当前各大发动机生产厂商在做产品设计时，大量采用现代设计理论和方法1。柴油机设计的一个基本要求便是要保证其主要零部件在设计的使用期限内可靠的工作，同时又尽可能的减小柴油机的体积、重量。为了达到这一要求，就需要在

20、设计过程中评估柴油机各个零部件的强度性能以及其可靠性，这就需要掌握零件的热负荷和机械负荷等性能以及其应力、应变的情况。传统设计方法的特点有：静态的、手工式的、经验的，而现代设计方法具有科学和动态特点。这就是说，传统设计方法是被动的和重复的分析产品性能，而现代设计方法则可能做到主动的设计产品和参数2。现代柴油机设计的重点应放在综合应用现代设计方法和理论，将复杂的柴油机工程问题抽象出来，然后建立该工程问题的物理和数学模型，并通过在计算机上进行分析、模拟实际的工程状况，这样就可以在设计阶段就将柴油机产品的性能以及未来产品品质确定下来。而无需试制出产品在检验产品的性能，现代设计方法和理论中的有限元分析

21、技术和模态分析在柴油机设计上得到了不同程度的应用3。随着计算机技术、数值计算方法以及有限元分析软件的发展。当前的国内外软件已经从单纯的结构设计，发展到变量设计和参数化设计阶段，在建立机体模型时所需要花费的时间较少，大部分设计时间是用在对原机体进行调整和修改，利用 3D CAD 技术可大大提高设计的效率，曲轴的三维实体模型不但可以对曲轴进行静力学分析，还可以进行动力学分析计算，并且可以方便的转化为二维的工程图4。柴油机曲轴有限元分析的目的和意义目前，柴油机设计应用更加向着大功率、高转速、轻质量的方向发展，与此同时它的刚度也不断减小，这使得曲轴等零部件的振动更加剧烈了，这直接影响了柴油机的可靠性和

22、寿命。所以在柴油机进行产品设计开发过程中对其进行强度分析和模态分析就成为设计过程中必不可少的环节，因此，对柴油机进行动态特性的研究，揭示出外界振源与结构本身固有特性之间的关系具有重要的意义5。这向产品设计人员设计出低振动、高强度的柴油机提供了理论基础。曲轴是柴油机的重要部件之一，其尺寸参数在很大程度上影响着柴油机整体的尺寸和重量，曲轴也在很大程度上决定了柴油机的寿命和可靠性，且曲轴承担着在柴油机中承担着燃料化学能向动能转换的功能，因此，改善曲轴的性能在柴油机设计与改进中占有很重要的地位。曲轴也是柴油机中受力最复杂的零件，它承受着气缸内气体作用力、旋转运动惯性力以及往复运动惯性力引起的周期性变化

23、载荷且要对外输出扭矩，所以曲轴要承受交变的扭转、弯曲和压缩的复合应力，同时还会产生扭转振动和弯曲振动。在周期性交变载荷的作用下，曲轴在柴油机工作频率会内产生共振、附加动态应力，导致曲轴过早的出现扭转疲劳破坏和弯曲疲劳破坏。掌握曲轴在工作过程中载荷变化规律和振动规律，对提高曲轴寿命和可靠性具有十分重要的意义。柴油机曲轴有限元分析国内外研究现状当今世界科学技术飞速发展，汽车工业作为技术和知识密集型产业一直都是技术发展及应用的最前端。随着计算机技术的发展，利用有限元方法解决结构静、动态特性分析计算成为一种有效的辅助设计的手段与方法6。有限元方法是结构分析的一种数值方法，随着计算机的发展应运而生，并得

24、到了广泛应用7。有限元方法是结构分析的一种计算方法，它是矩阵方法在结构动力学和弹性力学领域的应用和发展，它的基本思想是将弹性体划分为有限个计算单元，并对每个单元用有限个参数来描述其力学特性，而整个连续弹性体的力学特性可以认为是这些小单元力学特性总和，由此建立起连续体的力平衡关系，这种方法常用于复杂弹性振动系统8。作为一种现代设计方法，有限元技术越来越广泛地应用于汽车设计工程领域。由于其具有较高的简单的应用方法和广阔的计算能力深受工程界的欢迎，也是最有效的强度计算方法9。柴油机零部件设计是有限元技术最早应用的领域之一10。在发达国家和地区有限元技术早已成为一种基本的设计手段，如在柴油机产品开发中

25、，有限元技术的应用提高了柴油机零部件设计的可靠性，缩短了设计周期，大大推动了柴油机工业的发展11。尽管目前柴油机有限元技术应用有了较大的进展，但在实际应用中也存在许多的问题，主要有： （1）采用特定类型的单元进行有限元分析时，计算精度和网格的密度之间没有可供参考的量化关系。但对复杂的缸盖、机体等分析模型，通常情况下，硬件资源很难达到所要计算的要求。今后，对特定的分析课题，这方面的研究具有重要的选题价值12。 （2）对大多数几何结构复杂的零件如曲轴等，自动生成的有限元网格一般为四面体单元（该种单元精度不高），要达到一定的计算精度则网格必须具有相当的密度或提高单元的阶次，这样增大了计算量。六面体的

26、使用可以在较小的计算规模下达到较高的计算精度，但这种单元的网格自动划分是比较困难的。复杂零部件六面体单元的完全自动划分仍是有限元前处理技术方面一个很有意义的课题13。 （3）柴油机曲轴的工作状态一般都比较复杂，全面准确地确定它的边界条件非常困难，特别是作动态分析，确定诸如激励等边界条件时，问题更为突出。另外，对铸造件的分析，铸造残余应力的确定无论从理论计算上还是实验都存在一定困难，影响此类零部件的分析精度14。 （4）基于有限元法的优化分析是近年来 CAA（计算机辅助分析）领域的一项重要研究课题。有限元方法已经成为结构优化设计中常用方法。但是由于优化分析往往需要大量的迭代计算，特别是对于最具工

27、程实用意义的 CAD 技术，在几何结构优化设计的迭代过程中需要重构有限元模型，这样一方面增加了计算量，另一方面几何量变化后有限元模型的重新生成存在困难 15。 但其分析结果能到满足生产实际的要求。1.4本论文的研究内容该课题研究的是4125A型柴油机曲轴有限元分析。通过ANSYS有限元分析软件对此柴油机的曲轴进行建模然后进行静力学分析和模态分析，由此可以了解曲轴在工作时所受的工作载荷，以及工作危险截面和曲轴工作的共振频率、振型。这样可以了解曲轴的实际工作情况，就可以在进行曲轴设计时合理的安排曲轴的结构和尺寸，在设计时采取各种措施提高曲轴危险截面的强度更好的规避曲轴的共振区间，以提高曲轴设计和工

28、作的可靠性，减少开发周期，从而提高柴油机曲轴的设计质量。在本课题研究是所做的具体工作如下：运用ANSYS14.0建立曲轴的三维实体模型以及确定网格单元的相关参数类型。用ANSYS中的相关模块对所建立的三维实体模型进行静力学分析和模分析,就可以的得到相应的结果。先在ANSYS中确定网格划分精度和网格划分密度等，然后对所建立的三维实体模型进行网格划分，限制模型的自由度以及对其进行加载力。2有限元理论及其分析软件2.1 有限元分析法2.1.1 弹性力学基本假设由于结构有限元分析是以弹性力学为理论基础的，它必然遵守弹性力学的基本假设11：（1）连续性假设：组成固体的物质不留空隙地充满固体的体积，这样才

29、能保证应力、应变、位移等物理量作为位置的连续函数表示它们的变化规律。（2）匀质性假设：整个固体内到处有相同的物理性质，这样才能保证各点具有相同的弹性。（3）各向同性假设：物体在各个方向都具有相同的物理性质，这样才能保证在每个方向上都有相同的弹性。（4）完全弹性假设：载荷取出后变形的物体能够完全恢复原形而没有任何剩余变形量，这样才能保证单元的应力、应变符合胡克定律。2.1.2 有限元法的基本原理实体离散化是有限元法的基本思想，也就是把弹性连续体分割为有限个实体单元，并且这些单元之间仅在节点处相连。根据物体的几何形状特征、边界约束特征、载荷特征等，单元有各种类型，节点一般在单元边界上，节点的位移分

30、量作为结构的基本未知量。这样就组成有限单元集合体，并引进节点约束条件与等效节点力，因为节点数目有限，就将原来的无限多自由度的不间断的实体等效转换成有限多自由度的有限元计算模型。2.2 ANSYS 软件的介绍ANSYS软件是由20世纪70年代诞生的美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如 HYPERLINK :/baike.baidu /view/4601556.htm t _blank Creo, HYPERLINK

31、 :/baike.baidu /view/1245537.htm t _blank NASTRAN, Alogor, IDEAS, HYPERLINK :/baike.baidu /view/25199.htm t _blank AutoCAD等 ANSYS是一个功能强大的设计分析以及优化并集热、流体、电磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件之一。自20世纪70年代诞生以来，伴随着计算机技术和有限元思想的快速发展，以其易操作性、通用性、分析模拟准确使其在生产生活得到了广泛的运用。ANSYS 广泛运用于机械工程、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利工程、国防军工、电子、生物医学科研等领

32、域16。2.3 ANSYS14.0的分析流程（1）分析问题在有限元分析之前，必须对所分析的问题进行考察：所分析问题的领域、怎样建模、是否可以简化、载荷是集中载荷还是均匀载荷。（2）建立分析模型 ANSYS14.0的建模有多种方法：自上而下建模、自下而上的建模方法、参数化建模、从其他软件中导入。定义单元类型 ANSYS14.0中提供了各种单元类型，如Link、Solid、Beam、Shell等不同的单元类型，我们需要根据分析类型确定单元类型。定义单元常数单元实常数是由不同的单元类型的特性所决定的，在ANSYS中不一定要定义实常数，需要根据不同的分析问题所确定。定义材料的参数 ANSYS14.0提

33、供的材料特性有：线性的和非线性的;正交异性的或非弹性的;也有随温度变化的和不随温度变化的，如果定义线弹性材料只需定义其泊松比和杨氏模量。创建几何图形创建几何图形也就是建模，这是所有分析的前提，所有的分析都需要建立正确地三维模型。（3）网格划分网格划分是有限元分析重要的一环，网格化分的质量和精度直接影响计算的精度，所以在划分网格时需要进行网格的质量评估。施加载荷定义分析类型和分析选项在进行有限元分析时需要定义合适的分析类型，ANSYS14.0提供了模态分析、静力学分析、瞬态分析、谱分析、屈曲分析和谐响应分析等不同的分析类型。施加载荷施加载荷是有限元分析的重要组成部分，在ANSYS14.0中有自由

34、度约束、力、表面分布载荷，惯性载荷等。指定载荷步载荷步是指进行求解的在和配置，指定载荷步就是指对载荷步进行控制。进行求解在上面的设置完成后对模型进行相关分析。观察结果当ANSYS计算完后就可以通过后处理器对计算结果进行观察、分析和评估。计算结果可以以不同的形式表现出来如通过云图、图表和曲线等不同的形式表现出来16。图2-1有限元分析流程2.4 影响有限元分析精度的因素有限元分析精度主要取决于单元尺寸的选取和插值函数阶次，通常情况下，由于所解决实际工程问题一般都比较复杂，不容易确定，所以影响分析结果的因素也比较复杂，主要有： 1) 单元类型的选取，不同的单元类型的插值精度和计算量是不同的，采用三

35、维等插值函数精度较高,由于其力学模型更完善,同时计算量也比较大。 2) 网格形式，包括网格类型的和网格精度以及网格划分的密度。但是随着选择的计算精度提高和网格化分密度的细化，模型计算分析也会更复杂，所以在选择网格划分精度和网格划分密度时需要考虑计算机硬件所能达到的计算要求。2.5 提高有限元分析精度地方法 提高有限元分析的精度可以使得分析结果更精确，更符合工程实际，提高有限元分析精度的方法有： 1）充分考虑实际的工程问题，由于建模是会对模型进行简化，就需要确定影响数学物理方程的因素，使所建立的数学模型更合理。这样才能使分析结果更接近实际。 2）通过各种相关软件建立更精确合理的三维实体模型，不同

36、的软件对所建模操作复杂程度不同，选择操作简便，建模精度高的软件，以减小不合理模型对结果的影响。 3）通过理论分析确定合理的边界条件以及合理的加载边界条件，由于不同的模型在分析时边界条件和所受载荷差异较大，所以需认真分析模型的边界条件和所受载荷。使模拟结果更精确。 4）通过材料实验，确定材料常数在不同条件下的变化情况。 5) 选用更精确地差值函数,提高插值精度，不同的差值函数精度是不同的，阶数越高精度越高，但选择时需要考虑硬件水平。6）合理安排精度和计算规模的协调问题。3柴油机曲轴三维模型的建立3.1 4125A型柴油机曲轴简介本课题研究的是4125A型柴油机曲轴，相比于单缸机四缸柴油机稳定性好

37、，同时柴油机燃油效率高，并且四缸机设计制造技术比较成熟，所以该曲轴广泛用于汽车、船舶等机械领域。3.2曲轴三维实体模型相关参数表3.1曲轴的基本参数主轴颈直径：85mm连杆轴颈直径：85mm曲柄壁厚b：23mm曲柄宽度L：132mm曲柄半径d：76mm主轴颈长度l：50mm连杆轴颈长度：50mm缸径D：125mm最大爆发力：7.5MPa转速n：1500r/min行程S:152mm材料：45 钢表3.2材料的力学性能弹性模量泊松比密度抗拉强度屈服强度2GPa0.37800600MPa355MPa3.3 曲轴建模的准备工作本课题在对曲轴进行三维建模时，在满足课题研究的前提下，结合实际生产生活对曲轴

38、模型做了相应的简化工作，在简化后的模型中没有平衡重、曲柄的形状也简化成在建模时比较容易创建的形状以及曲轴上相应的润滑油孔也省略了，这些对曲轴模型的简化的措施会使建模过程简单易控，但会使课题的研究结果偏离实际，会导致曲轴的刚度降低，从而使得曲轴共振频率区间向下移，（当前，发动机朝着高转速的方向发展，通过提高发动机转速来提高发动机功率是一种常用的措施，这使得发动机的工作转速范围更广。）建模过程中省略了平衡重也会加剧曲轴的振动，降低曲轴的使用寿命。所以实际生产生活中可以通过改善曲轴的结构等措施尽可能的提高曲轴的刚度以提高曲轴的共振频率以及通过添加平衡重防止在曲轴的工作转速下发生共振，导致曲轴的失效，

39、提高发动机的使用寿命。曲轴的实体模型如下图:图3.1曲轴实体图3.2 曲柄侧向简图上图中L为曲柄宽度且L=132，因为d1 =85mm d2=85mm d=76mm又因为（3.1）所以（3.2）这样就可以确定主轴颈和连杆轴颈相对于曲柄中心的位置，这是曲轴建模所必需的计算数据。3.4 曲轴有限元模型的建立3.4.1 ANSYS 软件建模的介绍 ANSYS程序为用户提供了四种模型生成方法：直接生成法、在 ANSYS中创建实体模型、在计算机辅助设计（CAD）系统建模、参数化建模。直接生成法直接建模方法是指直接在 ANSYS 中建立有限元模型，而不必先建几何模型。其方法与较早编制的程序系统基本相同，即

40、先对结构进行节点和单元编号，然后输入节点坐标，这种方法是直接建立节点和单元的编号，从而建立有限元模型。这种方法对于小型简单模型生成比较方便，但是对于大型复杂模型的建模非常复杂，且对于3D 实体模型靠人工去划分网格容易出错。在 ANSYS中创建实体模型实体模型在ANSYS程序中包括两种建模方法：自底向上构造实体模型。这种方法按照点、线、面、体的顺序来创建模型首先建立点，再由点生成线，然后由线组成面，最后由面生成体。自顶向下构造实体模型。这种生成实体的方法比较高级，在这种方法下ANSYS在生成一种体素时就会自动生成所有的从属于该体素的低级图元。在计算机辅助设计系统建模虽然ANSYS有强大的建模工具

41、但是与专门的CAD软件比起来还是比较弱的，对于复杂的实体模型可以在CAD软件中创建，然后再导入到ANSYS程序中进行处理。ANSYS14.0提供了丰富的CAD接口，大部分主流CAD文件可以直接导入ANSYS中进行分析。ANSYS14.0支持Pro/E、Solidworks、CATIA、UG等设计软件。参数化建模参数化建模就是用参数变量而不是数字建立和分析模型，在ANSYS程序中除了结构尺寸可以参数化以外，对其他特征也可以，如材料属性、约束数、温度、应力以及最大纵向变形都可以参数化17。3.4.2 4125A型柴油机曲轴的建模在实际生产中曲轴的模型往往比较复杂，曲轴复杂的结构导致其建模非常复杂，

42、为了减少建模的工作，在不影响对曲轴分析的情况下在对曲轴建模时进行相应的简化。这些措施可能导致曲轴的分析与曲轴实际工作情况有偏差。这就需要控制简化程度，防止分析结果严重偏离工作情况。曲轴的建立步骤：建立曲轴曲柄的矩形图元以整体坐标原点为矩形的中心建立长为132，宽为48，厚为23的矩形单元,其在ANSYS中的操作如下:GUI: ANSYS Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesBlockBy Dimensions输入坐标如下图：图3.3 矩形图元输入参数图3.4 矩形图元移动工作坐标建立圆柱单元把工作坐标向y轴正方向以24，得到一个新的工作原点，建立

43、下一个半径为66，厚为23的圆柱,其在ANSYS中的操作如下:GUI: ANSYS Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesCylinderBy Dimensions输入坐标如下图：图3.5 圆柱图元输入参数图3.6圆柱图元移动工作坐标建立下一圆柱单元将工作坐标向下移48，同上建立一个圆柱行图元，其在ANSYS中的操作如下:GUI:ANSYS Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesCylinderBy Dimensions建立如下图元：图3.7圆柱图元移动工作坐标建立下一圆柱单元 把工作坐标向上移62，建

44、立一个主轴颈图元，其半径为42.5，长度为50，其在ANSYS中的操作如下:GUI: ANSYS Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesCylinderBy Dimensions 输入坐标如下图：图3.8连杆轴颈参数图3.9连杆轴颈生成图按照以上步骤在ANSYS中通过软件中的各种命令(图元创建命令、工作坐标的移动命令等)建立组成曲轴实体模型的各个图元通过布尔运算把各个图元连成一个整体，其在ANSYS中的操作如下: GUI: ANSYS Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansAddVolumes然后选

45、中所有实体单元，执行该命令，得到曲轴实体模型图3.10曲轴模型3.5曲轴网格单元的划分3.5.1曲轴网格单元的划分概述 将形体结构离散为简单的单元组合的过程即为网格划分的过程，划分网格式有限元分析的一个重要环节，网格划分的精度和质量直接影响着最终的结果的精度。网格划分的步骤为：定义单元属性-定义网格生成控制-生成网格。网格划分一般有3种方法：自由网格、映射网格和扫掠网格。自由网格一般对于形状没有严格的限制，也没有特定的行动准则。划分的网格一般是三角形或是三角形于四边形的混合。划分网格时系统会根据具体的模型的形状来自行选择不同的单元类型、密度以进行自由搭配。但会在特殊情况下会出现奇异单元。映射网

46、格和扫掠网格一般会对单元的形状限制，映射网格包括映射面网格和映射体网格，这种不易出现奇异单元。 扫掠网格是从一边界面网格扫掠贯穿整个实体模型，将已有的未划分的实体生成单元18。定义单元属性划分网格之前，必须赋予模型一定的单元属性，对不同的模型，选用不同的单元类型。主要包括：定义单元类型（Element type：单元类型应该根据模型的结构来选择）；定义实常数（Real Constants：主要定义截面积、厚度等参数）定义材料的参数（Material Props主要定义材料的泊松比、弹性模量、密度的属性）定义单元坐标系19 GUI: ANSYS Main MenuPreprocessorMate

47、rial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIsotropic输入材料的弹性模量和泊松比，定义单元的属性。图3.11定义弹性模量和泊松比 GUI: ANSYS Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticDensity定义单元的密度。图3.12定义材料密度划分网格用所定义的网格单元（brick 8 node 185）(该单元有8个节点，这种网格能达到该课题的计算要求)对曲轴进行网格划分，采用智能网格划分，所用精度为五级精度（该精度能达到计算要

48、求，且计算量不是很大），得到节点数为14073，单元数为66687的单元实体。GUI: ANSYS Main MenuPreprocessorElement typeAdd/Edit/Delete定义元类型。图3.13定义网格单元GUI: ANSYS Main MenuPreprocessorMeshingMesh Tool设置单元的划分精度进行网格划分。图3.14曲轴网格图3.6本章小结本章对曲轴进行三维实体模型的建立和对实体模型进行网格划分，在对曲轴进行建模时，对曲轴模型进行了简化，这有利于减少建模的工作量，但会导致分析结果与实际不相符（比如在曲轴过渡处没有倒角会导致曲轴在此处产生应力集中

49、，分析结果会偏大，还有对曲柄进行了简化，使得曲轴的刚度下降，也会导致分析结果偏离实际。）4柴油机曲轴的静力分析对以上所建立的曲轴模型施加约束和相应的载荷，进行曲轴的静力分析。4.1 施加约束考虑柴油机的实际工作状况，对曲轴两端的主轴颈施加X,Y,Z三个方向的约束，通过以下命令选中所需面并进行施加约束，GUI: ANSYS Main MenuPreprocessorLoadsDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas图4.1限制自由度图4.2限制自由度效果图4.2 施加载荷在曲轴第二缸的连杆轴颈施加最大爆发压力7.5MPa。它在软件中的操作如下

50、：GUI:ANSYS Main MenuPreprocessorLoadsDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Areas图4.3施加载荷图4.4载荷施加效果图4.3柴油机曲轴的静力分析在对曲轴进行静力学分析时采用ANSYS默认的求解器进行求解。图4.5定义分析类型4.4柴油机曲轴的静力分析结果观察曲轴静力分析结果的路径如下：GUI: ANSYS Main MenuGeneral PostprocessorPlot ResultsContour PlotNodal SolutionStressvon Mises Stress。图4.6应力云图4.5结论分析

51、由分析结果可知，曲轴危险截面最大应力为67.5MPa，由于曲轴为45号钢（抗拉强度600MPa、屈服强度355MPa,安全系数取S=1.3；）， (4.1) (4.2)但是由于曲轴模型是简化的，在过渡的地方没有倒角，过渡不圆滑会，导致曲轴在过渡的产生应力集中，分析结果数据会偏大，综合各个因素，该曲轴的设计方案是比较合理的。由于在进行曲轴分析时没有考虑曲轴所受的动载荷会使分析结果有较大的降低。同时，通过分析可得到曲轴的危险截面,即可通过相应的措施改善曲轴的设计（如在危险截面进行倒角，减小应力集中）。5柴油机曲轴的模态分析5.1 柴油机曲轴模态分析的概述 任何物体都有其自己的固有频率和振型。它们是

52、系统承受动态载荷结构设计中的重要参数，也是其他动力学分析诸如谱分析、响应分析的基础和前提。这样一个系统的固有频率和振型的分析称为模态分析。5.2模态分析的理论基础 一般的计算计算方法是系统的建立一个数学模型（以二阶微分方程为例），并对方程进行变换，用变换后的方程来描述一个系统，而这个方程可以写成一个矩形的形式，典型的无阻尼的模态问题就是求矩阵的特征值问题： （5.1）式中：【M】为结构的质量矩阵；【C】为结构的阻尼矩阵；【K】为结构的刚度矩阵； 为结构的位移矩阵； 为结构的速度矩阵； 为结构的加速度矩阵； F为结构的载荷矩阵。 若在实际计算中不考虑结构的阻尼和外载荷，那么其动力方程可以简化为

53、（5.2）它的解为： （5.3）振型方程为： （5.4）转化为求广义特征值的问题，求解后得到N个方程的特征解就表示了N个固有频率和N个固有振型。5.3模态分析的基本方法模态分析的方法有Block Lanczos法、PCG Lanczos法、Reduced法、Unsymmetric法Damped法、QR Damped法、Supermode法。Block Lanczos法:它是ANSYS模态分析的默认求解器，计算速度快,可以在大多数场合中使用，无论采用何种命令，Block Lanczos法都可以自动采用稀疏矩阵方程来求解，而且在计算某系统特征值时所包含一定范围内的固有频率时，采用这种方法提取模态分

54、析十分有效。经常应用在具体的实体单元和壳体单元的模型中。PCG Lanczos法：它属于Lanczos法，所不同的是PCG求解器。当提取大型模型的时候的大型振型时，这种方法很有效；经常应用在具体的实体单元或壳体单元的模型中；在具有或没有初始截断点时同样有效；可以很好地处理刚体振型；需要较高的内存。Reduced法：如果模型中的集中质量不会引起局部振动，例如像梁和杆那样，可以使用缩减法，即选择一组自由度来减小【K】和【M】的大小；缩减的刚度矩阵【K】是精确的，但缩减的质量矩阵【M】是近似的，近似程度取决于主自由度的数目和位置；在结构抵抗弯曲能力较弱的时候不推荐此法。Unsymmetric法：该方

55、法采用Lanczos算法适用于声学问题（具有结构耦合作用）和其他类似的具有不对称质量矩阵【M】和刚度矩阵【K】问题：计算以复数表示的特征是和特征向量，实数部分是固有频率，虚数部分表示稳定性的度量，负值表示系统的稳定的，正值表示系统的不稳定的。Damped法：阻尼法，该方法采用Lanczos算法。在模态算法中一般忽略阻尼，但如果阻尼的效果比较明显，就要使用阻尼法：例如主要用于回转体动力学中，计算以复数表示的特征是和特征向量，实数部分是固有频率，虚数部分表示稳定性的度量，负值表示系统的稳定的，正值表示系统的不稳定的。QR Damped法：能够比较好的解决大阻尼系统的模态解，阻尼也可以是任何型，建议

56、要提取足够多的基频模态21。5.4模态分析的基本步骤（1）建模模态分析建模与静力分析相同，主要步骤有：定义单元类型、单元实参数、材料性质、几何模型、有限元模型建立等。这里需要注意两个问题：在模态分析中只有线性行为是有效的。如果指定了非线性单元，它们会被当作线性的。如分析中包含接触单元，则系统取其初始状态的刚度并且不再改变此刚度的值。材料性质可以是线性、各项同性或正交各项异性、也可以是恒定或温度相关。在模态分析中必须要定义弹性模量 EX、泊松比以及密度 DENS。而非线性将会被忽略。GUI: ANSYS Main MenuPreprocessorLoadsAnalysis TypeNew Ana

57、lysis定义分析类型图5.1曲轴分析类型GUI: ANSYS Main MenuPreprocessorLoadsAnalysis TypeAnalysis Options定义模态分析的方法与频率范围。图5.2模态分析方法（2）加载及求解首先要定义分析类型、定义载荷以及边界条件、定义载荷步和定义求解选项，后进行固有频率的求解。（3）模态扩展扩展模态是指将振型写入结果文件，如果要在后处理器中察看振型，就必须先进行扩展。模态扩展的过程是在求解后完成后，再次进入求解层，用 MXPAND 命令定义响应的参数，然后再次求解就可以了。（4）观察结果模态分析的结果被写入Jobname.rst结果文件中，包

58、括：固有频率、振型以及相对应力分布情况。 5.5模态分析结果在工作中曲轴并不是处在自由状态，而是在机体内工作，是有约束状态。根据曲轴的支撑情况曲轴的计算模型进行约束，约束曲轴两端主轴颈的所有自由度，其他主轴颈x、y方向的自由度，然后进行计算。计算方法采用 Block Lanczos 方法，计算出的约束模态固有频率。GUI: ANSYS Main MenuGeneral PostprocessorPlot ResultsContour PlotNodal SolutionDOF SolutionDisplacement vector sum。下图是各阶模态的振型图:图5.3曲轴第一阶模态振型图5

59、.5曲轴第二阶模态振型图5.6曲轴第三阶模态振型图5.7曲轴第四阶模态振型图5.8曲轴第五阶模态图5.9曲轴第六阶模态振型图5.10曲轴第七阶模态振型图5.11曲轴第八阶模态振型图5.12曲轴第九阶模态振型图5.13曲轴第十阶模态振型通过ANSYS后处理模块观察曲轴的变形图，下图是曲轴在各阶频率下的变形图：图5.14曲轴第一阶变形图图5.15曲轴第二阶变形图图5.16曲轴第三阶变形图图5.17曲轴第四阶变形图图5.18曲轴第五阶变形图图5.19曲轴第六阶变形图图5.20曲轴第七阶变形图图5.21曲轴第八阶变形图图5.22曲轴第九阶变形图图5.23曲轴第十阶变形图5.6 结果分析4215A 型柴

60、油机曲轴模态分析的前 10 阶振型图。第 1 阶振型为曲轴左右两端的局部弯曲振动和其它地方的扭转振动；第 2阶振型是曲轴左端的局部弯曲振动；第 3阶振型是曲轴左端的局部扭转振动；第 4、5阶振型是曲轴整体的弯曲扭转振动；第 6 阶振型是曲轴左端的连杆轴颈局部扭转振动；第 7 阶振动是曲轴右端的局部扭转振动；第 8 阶振型是曲轴整体的弯曲和扭转振动的叠加振动；第 9 阶振型是曲轴左右端的局部弯曲振动；第 10 阶振型是曲轴右端的局部扭转振动，曲轴的各阶模态频率如下表：表5-1模态分析的各阶频率表一阶频率二阶频率三阶频率四阶频率五阶频率六阶频率七阶频率八阶频率九阶频率十阶频率1134.5Hz125