康明斯柴油机气门摇臂的结构分析

全套设计（图纸）加扣扣194535455第一章概论19世纪80年代，英国工业革命的发展，促使了世界首辆汽车现世。从此，汽车工业正式从无到有，并且逐步走上了正规化道路。随着科技的不断进步，汽车工业也如火如荼的飞速发展。至今，汽车产业已然成为一个国家的重要国民经济产业，还是国家经济实力发达和国力强盛的重要标志。伴随着时代的进步，汽车产业的发展已经遍布全球，各式各样的汽车在人们的生活中扮演着各种不同的角色。现如今，我国一般居民大部分都有能力购买和使用汽车，促进居民消费水平的提升，同时也满足了国内汽车市场的消费需求，从而进一步带动了我们国家汽车工业的快速发展。现如今，我国已成为全球汽车保有量最多的国家，一跃成为全球汽车生产大国。但随着汽车的产量不断增加，附带的一些负面影响也逐渐凸显，能源耗费、空气污染、交通阻滞、人身安全等问题逐渐引起人们的重视，安全、节能、环保已然成为汽车行业可持续发展所急需解决的主要问题。如今，新能源汽车已经成为汽车研究的重要方向，虽然市场上已经有出售的新能源汽车，但其核心技术仍然没有得到重大突破，而且制造成本高，导致目前还得不到推广。当下，仍然是传统的内燃机汽车占据着汽车生产的主导地位。在保证汽车使用可靠性的前提下，减轻其整体重量，不仅可以节约燃料，而且还能减小对环境的危害，所以结构轻量化是汽车行业需要有所突破的重要方向之一。当前，汽车轻量化技术可以分为[2]：结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺等3个主要方面。其中，结构优化设计方面包括：汽车结构的尺寸优化、形状优化和多学科设计优化；轻量化材料的应用方面包括：高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料等；先进制造工艺方面包括：液压成型和激光焊接等。本论文主要是通过CATIA三维软件建模，利用CAE有限元分析手段对某款汽车发动机的气门摇臂体结构进行性能模拟分析，并根据分析数据对摇臂结构进行优化，参照生产实际，对摇臂体进行加工工艺设计。1.1课题研究的背景1.1.1课题研究的意义目前，汽车发动机一般全都使用气门式的配气机构，配气机构是汽车发动机两大机构之一，控制着进、排气门的开闭，气门摇臂是发动机中不可或缺的重要零件之一。发动机在工作时，摇臂始终与凸轮轴间接或直接保持接触，并在凸轮轮廓的推动下承受着较大的循环变化的载荷。此外，摇臂（按布置情况）始终处于高速接触的摩擦中，这种摩擦和交变载荷不仅损耗了发动机的功率，同时也使得摇臂接触面发生疲劳失效以及疲劳断裂，所以摇臂在结构、材料、性能等方面要求很高。以前的零件设计大部分都是依据以往经验来估算产品的性能，需要在制作成样件后方能进行对应的试验来检验。由于样件在试验的过程中经常报废，所以需要较高的制造费用和较长的设计周期，并且只有通过相互对比，才能大致判断产品设计的是否合理，是否达到最优化设计。现如今采用概念设计，在摇臂承受一定载荷冲击的情况下首先要保证其强度和刚度满足条件要求，再进行合理地去掉不必要的的部位，降低质量，而轻量化设计通常需要对摇臂体的结构进行优化，再分析，甚至再优化。优化设计的思路是充分利用材料的力学特性，合理设计零件结构，并且保证一定的零件使用的安全系数。以上说明，采用计算机辅助工程（ComputerAidEngineering，简称CAE）技术在产品开发前期阶段具有重要意义，也是一种必定的趋势。FEM分析即有限元分析法，基于CAD/CAM/CAE系统核心理论，克服了经典理论的不足，在产品设计领域得到广泛应用，已有很多通用的商品化有限元软件和分析程序，如ANSYS、HyperWorks、AVLFire软件等。目前，FEM分析已成为一种非常成熟的验证手段[3]。1.1.2国内外研究现状摇臂体结构在汽车发动机中，由于摇臂的工作条件复杂，使其必须具备相应的工作性能，大致如下：1）对于为摩擦副工作的圆弧面来说要求其具有较好硬度、耐冲击和耐磨性，以及较低的摩擦系数，以减小能量消耗；2）摇臂整体应有较高的刚度，强度、较长的疲劳寿命以及较小的转动惯量；3）轴孔处有较好耐磨性。锻钢镀铬摇臂、镶块式摇臂和滚轮式摇臂是目前主要采用的三种结构形式，国内外对气门摇臂所做的研究大部分都是针对上述三个方面进行的。锻钢镀铬摇臂早期的一种发动机摇臂，基体材料一般为调质后的锻钢，在圆弧工作表面处进行采用淬火处理，以改善其硬度；进行抛光处理，以改善其接触的摩擦系数；最后镀铬，以加强圆弧面的耐磨性，如图1.1所示。图1.1汽车发动机锻钢镀铬式摇臂这种锻钢镀铬式摇臂在刚度和疲劳强度上有较好的性能，轴孔处也有较好的耐磨性，但其重量和转动惯量偏大，对发动机的动力性能造成直接的不良影响；而且，圆弧面在工作时容易出现镀铬层掉落情况，磨损情况比较严重。除了表面镀铬这种方式外，还有一种表面处理技术——激光表面合金化处理。使用优化的激光工艺参数，对体积小，形状复杂的发动机气门摇臂工作圆弧面采用多道激光扫描进行表面合金化处理，可以获得厚度大、搭接较好、硬度高且均匀的合金化层[4]。镶块式摇臂镶块式摇臂是根据“组合”原理设计出的产物。根据摇臂的工作条件要求，为摇臂基体和工作圆弧面分别选取两种不同性能特点的材料来分开制造，再通过技术手段将其组合到一起,完全发挥各种材料所具有的性能特点,从而来提高产品使用性能,降低材料的耗费，如图1.2所示。图1.2汽车发动机镶块式摇臂目前,已经制造出的镶块式摇臂有两种：一种是粉末冶金镶块摇臂,另一种是陶瓷镶块摇臂。早在1977年,日本三菱(MMC)公司就开发出了采用铝合金压铸包容粉末冶金镶块的摇臂,并于20世纪80年代投入了大批量生产使用[5]。对于耐磨性而言，粉末冶金镶块摇臂比镀铬摇臂要提高了许多,但其质量仍然较重，以致配气机构的轻量化问题并没有完全解决。铝合金陶瓷镶块摇臂可使摇臂和凸轮轴的磨损寿命分别提高6倍和5倍。而铝合金密度小,用做摇臂基体可明显减小配气机构的等效质量。我国492QA型汽油发动机在采用了陶瓷配气机构后,使等效质量明显减轻,气门弹簧预紧力减小,从而在各种工况下可节油2%～8%[6]。滚轮式摇臂滚子接触大部分为线接触，线接触接触面积小，接触应力会立即转移或减小，对接触表面的磨损较小；滑动摩擦大部分为面接触，接触表面接触停留时间较长，接触位置容易产生比较多的热量，长时间会出现烧灼磨损，导致零件容易损坏[7]，如图1.3所示。图1.3汽车发动机滚轮式摇臂目前,滚子摇臂已应用于国内大部分发动机的配气机构之中。由于凸轮轴表面与气门摇臂总成为滚轮的表面线接触，凸轮轴与摇臂之间由滑动摩擦改为滚动摩擦，因此具有以下几个优点:a.降低摩擦力；b.减少了表面擦伤力；c.重量轻；d.提高耐久性；e.动力性和经济性得到改善；f.有利于发动机的高速化发展[8]。有限元技术应用在CAE技术中,有限单元法FEM(FiniteElementMethod)是其中运用最成功、最广泛的一种数值方法[9]。由于国外计算机技术发达，FEM分析技术已经大面积应用于制造行业，为新型产品的开发提供便捷。对于汽车轻量化设计的原则是须在保证具有必要的强度和满足一定的刚度标准条件下，既要确保其寿命，又要满足其装配和使用要求，同时最大限度地减轻汽车结构的自重[10]。国外汽车工业实施汽车零部件轻量化设计过程一般先使用CAD技术进行产品的三维建模概念设计，然后将模型导入CAE软件中，采用多体动力学方法进行汽车整车操纵稳定性和行驶平稳性的动态仿真分析；采用有限元法进行汽车碰撞分析，汽车噪声分析，结构强度和刚度分析，结构疲劳分析、振动模态分析、瞬态分析等[11]。由于我们国家的汽车工业发展较晚，先进技术明显比不上其他发达国家，CAD/CAE/CAM技术的使用也次于其他工业发展快的国家。随着先进技术的引入以及汽车市场竞争的残酷性，迫使国内一些汽车和零部件企业加大科研投入，开始发展CAE技术并运用到企业的产品开发当中，加之高校对人才的培养和输出，使得具备一定软件技术的毕业生加入国内不少汽车行业的研发团队中来，使得CAD/CAE/CAM技术在国内的应用和发展有了大幅度的上升。有限元技术普遍应用于工程技术问题，它的应用给设计人员带来更多的便捷，企业采用此技术使设计人员在产品的模拟设计阶段进行验证、检测潜在的缺陷，有问题时能及时第一时间加以改正。由此可见，有限元技术的应用能缩短产品开发周期，降低成本，提高产品品质，因此在汽车工业的发展过程中使用CAD/CAE技术是最有效的手段。加工工艺摇臂毛坯的加工过程中，油孔的加工是比较重要的。这种孔属于小孔径深孔，而且还带有一定的倾角，一般的加工方案是达不到预期目的的。这需要用到专用的夹具和细长的刀具，还需要合适的刀具转速和进给量。速度慢了，会影响加工的效率；速度快了，可能会损伤或折断刀具，带来成本损失。我们所在的工厂用的就是传统的加工方法，采用两面一销的夹具定位方式，用小型的立式钻床进行加工，由工人直接一对一直接操作。这种传统的加工方法存在一定的缺陷，例如：1）人工操作的专用夹具定位精度不够；2）每次装夹只一件，效率低；3）夹具通用性差，不能满足新产品的生产。国际上解决深孔加工的方案主要有两种：一是采用专用组合机床。优点显而易见，精度稳定，加工效率高。其动力部分可采用全数控式、液压式或液压与数控结合式。钻头可采用普通钻头或枪钻；二是采用通用设备。包括摇臂钻床、加工中心等[12]。据上可知，采用数控机床专门加工摇臂类零件小孔径深孔是不错的方法，该工艺方便，可靠，达到了产品效率好、质量高的定期目标。1.2课题研究的来源课题《气门摇臂的结构、有限元分析以及工艺设计》来源于湖北江华机械有限公司技术部的某种摇臂试制项目。根据公司技术部的指导，将对该种摇臂进行CAD建模并加以有限元分析，验证在正常的工作条件下是否能稳定的运行，并对其毛坯进行加工工艺路线设计，最终完成该试制项目。1.3课题研究的目的结合汽车发动机摇臂的结构设计，建立摇臂的三维模型，通过有限元分析软件，对摇臂进行静力学分析，模态分析以及疲劳分析，并对其加工工艺进行设计。实现对摇臂结构的轻量化改进和优化，减轻零件质量，为今后的其他产品前期开发阶段提供指导，实现缩短开发周期、降低开发成本的目的。1.4课题研究的内容本文主要具体内容有：（1）使用CATIA软件完成气门摇臂体的三维实体建模；（2）利用有限元软件（ANSYS-Workbench、Hyperworks）对摇臂体进行静强度分析、模态分析以及疲劳寿命分析，为摇臂结构改进提供依据。（3）根据分析的结果，在保证使用性能的前提下优化摇臂结构，并重新进行合理性分析。（4）结合生产实际，对摇臂的进行工艺设计，完成摇臂毛坯的工艺设计。第二章汽车发动机摇臂结构设计发动机是汽车的动力源泉，发动机的各种性能指标都是极其重要的。气门摇臂作为发动机配气机构的重要零件之一，其作用是不可或缺的。根据摇臂的实际工作情况可知，其自身必须具备较强的强度、刚度以及较小的转动惯量。2.1发动机配气机构气门配气机构是四冲程发动机所特有的机构，配气机构的设计是按照发动机每个气缸的工作循环和点火顺序要求，以一定的循环周期定时打开和关闭进气门和排气门，实现可燃混合气（汽油发动机）或新鲜空气（柴油发动机）及时进入发动机气缸，当燃烧完毕，产生的废气也要能及时排除气缸，废气排除越充分，则进入发动机的混合气或空气量越多，即各气缸换气过程越良好，充气系数就越高，发动机的工作性能越好[13-14]。图2.1汽车发动机顶置凸轮轴配气机构根据发动机的整体设计的不同，凸轮轴所在的位置也不一样，有三种形式：凸轮轴下置式、凸轮轴中置式和凸轮轴顶置式。不同形式的凸轮轴布置方法，其组成配气机构的各个零部件也不一样。在凸轮轴下置式和中置式中，需要用到较长的挺杆，这将使得配气机构的整体刚度下降，不易于发动机高速运转。在凸轮轴上置式的配气机构中，没有推杆，由凸轮轴外廓直接驱动摇臂，整体布置紧凑，刚度增强，如图2.1所示。2.2气门摇臂结构设计2.2.1CATIA简介CATIA软件的全称是ComputerAidedTri-DimensionalInterfaceApplication,它是法国DassaultSystem公司（达索公司）开发的CAD/CAE/CAM一体化软件。其中提供了多个功能模组，如图2.2所示。适用范围广泛于航空航天、汽车、造船、通用机械等诸多领域。CATIAV5作为一个大型CAD实用软件，拥有以下特征：（1）基于Windows平台开发的系统，易于使用；（2）先进的混合建模技术；（3）支持并行工程；（4）先进的电子样机技术；（5）知识驱动的CAD/CAM系统；（6）实现共享资源，构造数字化管理；（7）易于发展电子商务；（8）优良的可扩展性，保护用户投资。图2.2CATIAV5中的模组2.2.2模型创建根据现有的成品摇臂毛坯的相关参数，自行在三维建模软件CATIA设计摇臂结构。该摇臂为某款发动机上的进气摇臂，由锻造制成，材料为50钢。如图2.3所示为成品摇臂毛坯。图2.3成品毛坯三维模型由图2.3所示，摇臂中心为旋转轴孔，两边臂长不等，运用杠杆原理实现改变力的方向和大小。根据摇臂的工作情况，要求具有足够的强度与刚度，上图中通过增加加强肋来实现增加摇臂的强度与刚度。设计思路来源：由于摇臂工作过程中承受弯矩影响，摇臂根部弯矩最大，故联想到等强度梁原理，它是通过改变界面尺寸从而适应不同的弯矩大小，以保证承受大致相同的强度。在保证关键尺寸不变的前提下，对摇臂结构的进行初步设计，如图2.4所示。图2.4摇臂1结构初步设计第三章摇臂结构的有限元分析随着计算机技术的快速发展，各种实用性软件被逐步开发出来，如CAD/CAE/CAM等计算机辅助性软件，汽车工业的进步很大层次上依赖于计算机辅助性软件的使用。汽车工业的高速发展使得汽车制造公司对汽车零部件的性能要求越来越高，在保证零件必须的结构强度和疲劳设计寿命的前提下，应尽可能地减小零件的自身重量，实现整车的轻量化，这对环境保护和资源节约都有重大意义。传统的零件设计阶段有很多试验测试过程，而且零件的设计多凭借以往经验，这样必须对零件结构改进后的各种方案试制样品，这样不仅试验周期长，成本高，而且目标也不是很明确，不宜于设计,设计流程如图3.1所示。工业设计概念设计产品规格工业设计概念设计产品规格详细设计详细设计重模型试制重新新模型试制重设计设测试试验新计测试试验设规模生产计规模生产图3.1传统产品设计流程图大部分机械结构失效的主要原因是零件的疲劳破坏，一般情况下，疲劳破坏零件所承受的交变载荷所产生的应力远小于零件材料的安全许用应力，但由于长此以往地承受交变载荷，导致零件发生断裂或变形，最终失效。可见，解决承受交变载荷零件的寿命预测是机械工业发展的重要方向。汽车发动机气门摇臂长期处于循环载荷工况下，而且属于高速运转，为保证其性能安全可靠，摇臂结构必须具有足够的强度、刚度和疲劳寿命。因此对摇臂结构进行相应的有限元分析，对提高摇臂的安全性和可靠性有非常重要的实际意义。利用有限元法对摇臂进行概念性设计阶段的模拟分析，然后根据分析所得到的数据进行结构改进。传统的设计模式不但成本高、设计周期长，而且阻碍了产品的创新性发展研究。引入有限元法后，只要将零件的初步CAD模型导入有限元分析软件中，对模型加以对应的工作工况，根据分析结果，再在CAD中进行设计，再次导入有限元中分析，经过一次次改进，最终得到理想的设计结果。这种有限元分析法不仅降低了传统中制造试件的费用，而且还大大缩减了开发周期，为产品开发人员提供了有力的工具，设计流程如图3.2所示。由此可见，将有限元法应用于产品的开发设计阶段中对于提高行业内设计水平具有重要的现实意义。产品规格工业设计概念设计产品规格工业设计概念设计CAE分析详细设计CAE分析详细设计模型试制模型试制一次测试试验测试试验一次测试试验测试试验规模生产规模生产图3.2引入CAE后产品设计流程图3.1有限元基本知识3.1.1有限元法介绍有限元基本概念简单的说，有限元法是一种离散化的数值方法，离散后的单元与单元之间只通过节点相联系，所以力和位移都通过节点进行计算。对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域分界面上（内部边界）以及子域与外界分界面（外部边界）上都满足一定的条件。然后把所以单元的方程组合起来，就得到了整个结构的方程，求解该方程就可以得到结构的近似解[15]。有限元基本思想在工程或物理问题的数学模型（基本变量、基本方程、求解域和边界条件等）确定以后，有限元法作为对其进行分析的数值计算方法的基本思想可简单概括为如下3点[16]：（1）将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域（单元），并通过他们边界上的节点相互连接成为一个整体；（2）用每一个单元内所假设的近似函数来分片地表示全求解域内待求解的未知场变量。而每个单元内的近似函数由未知场函数（或其导数）在单元各个节点上的数值和其对应的插值函数来表达。由于在连接相邻单元的节点上，场函数具有相同的数值，因而将它们作为数值求解的基本未知量。这样一来，求解原待求场函数的无穷自由度问题就转换为求解场函数节点值的有限自由度问题。（3）通过和原问题数学模型（如基本方程、边界条件等）等效的变分原理或加权余量法，建立求解基本未知量（场函数节点值）的代数方程组和常微分方程组。此方程组成为有限元求解方程，并表示为规范化的矩阵形式，接着用相应的数值方法求解该方程，从而得到原问题的解答。3.1.2有限元分析过程采用有限元方法时，一般是先把模型划分成有限个大大小小的网格单元，各个单元之间通过单元节点相互连接。通过软件给单元附加材料属性，这样每个单元就变成了有密度，有弹性模量的实物单元，用这些单元来模拟实物的结构与性能。有限元方法仿真分析的过程一般如下[17]：1、问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。2、对分析结构离散化：将分析结构进行离散化是有限元分析的基础。离散化，是指将连续的结构划分成有限个元素单元体，部件和设置在连接单元体的角度来看，相邻的单元体组件连接到结构成分单元，以取代原来的结构。3、选择适当的位移模式，经过离散结构后，结构简化成由有限个单元构成，单元之间以节点相连接。因此以节点的位移可以近似得出单元体的位移、应力和应变，在连续结构体问题的分析当中，必须将单元的位移分布进行假设，位移被认为是一个简单的坐标函数，此函数叫做位移模式或位移函数。在有限元分析时需选择适当的位移函数，一般选择多项式作为位移模式，因为多项式数学（微分和积分）运算更方便，且多项式可以逼近所有光滑函数的局部，这即是不完全的泰勒级数。根据单元的自由度和问题解的收敛性来选择多项式的项数和阶次，在一般情况下，项数等于单元自由度数，阶次包括常数项和线性项。根据所选择的位移模式可以导出由单位位移关系中的任何一点所代表的节点位移，其矩阵形式可表示为：（3.1）式中，为单元体内某一节点的位移矩阵；为形函数矩阵，它是坐标位置的函数；为单元的节点位移矩阵。4、单元的力学特学性分析：在选择好位移模式后，就可以分析单元的力学特性，主要为以下三个方面：（1）通过几何方程和关系式（3.1），以节点位移矩阵求解出单元的应变矩阵，表达式为：（3.2）式中，是有限单元体内某一节点的应变矩阵。（2）由节点位移矩阵和单元的应变矩阵表达式（3.2），结合物理方程求解出单元应力的关系式：(3.3)式中，是单元内任一点的应力矩阵；是单元材料有关的弹性矩阵。（3）在虚功原理基础上，建立作用于单元上的节点力与节点位移之间的关系式，即单元的刚度方程为：（3.4）式中，称为单元刚度矩阵，最终导出：（3.5）上式的积分应涉及全部单元的体积。在上面的三个表达式中，单元力学特性分析的核心内容是推导出单元的刚度矩阵。5、计算等效节点力：在结构离散成小单元组合后，假设力是在相邻单元连接的节点来传递的，但在连续体结构中，力实际是通过公共边界进行传递的。因此，作用在单元边界上的表面力、集中力、体积力都要移动到相应节点上，即用一个等效节点力，以取代单元体上所有力。移植的方法是根据作用在单元上的力作为等效节点力为原则，在任何虚位移上的虚功都相等（称为虚功等效）进行。6、集合整个离散化连续体的代数方程：即组装在一个连续体，也就是把各个单元的刚度矩阵集合成整个连续体的刚度矩阵，把各个单元的节点力矢量集合为总的力和载荷矢量。最常用的原则是要求节点能互相连接，即要求所有与某节点相关联的单元在该节点处的位移相同。一般来说，集合要求所有相邻的单元在公共节点处的位移相等。于是得到以整体刚度矩阵、载荷矩阵以及整个物体的节点位移矩阵表示的整个结构的平衡方程：(3.6)7、求解未知节点位移和单元应力：通过平衡方程（3.6），可以求解出未知节点位移。在线性平衡问题分析当中，可以根据分析问题的特点，选择适当的计算方法。对于非线性问题，需逐步修改刚度矩阵才能求解。最后，可以结合表达式（3.5）和已获得的节点位移来求解出每个单元的应力。3.2有限元分析软件概述3.2.1HyperMesh软件简介[18]HyperMesh是一个高端的有限元前后处理器，能够建立各种复杂模型的有限元和有限差分模拟，与多种CAD和CAE软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能。HyperMesh是一个针对有限元主流求解器的高性能有限元前后处理软件，工程设计人员可以在一个极佳的交互可视环境下对多种设计条件进行分析。HyperMesh通过输入输出功能，可以阅读各种业内主要的CAD软件的数据格式，以生成有限元模型。在HyperMesh中有一系列的工具，可用来对输入的几何实体进行清理或修补。所输入的几何模型中如含有面的信息，以及含有缝隙、重叠和不对齐现象，这就会妨碍网格自动划分器生成高品质的网格。通过消除不对齐处及小孔，通过对相邻面间的边界进行抑制，可以在模型更大、更广的区域内划分网格，从而提高整体网格划分的速度和质量。Altair公司在世界范围内与先导的CAD/CAM软件供应商建立了紧密而重要的关系，保证用户在同步的工程环境下从一个或多个CAD系统中获取CAD信息。HyperMesh强大的几何输入功能支持多种格式的复杂装配几何模型的读入，如CATIA、UG-NX、PROE、STEP、IGES、PDGS、DXF、STL、VDAFS等格式，支持UG动态装配，并设定几何容差，修复几何模型，同时支持IGES格式输出。HyperMesh为用户提供了一套完善而又易于使用的工具程序。用户可以使用各种网格生成工具及HyperMesh网格自动划分模块来创建二维和三维有限元模型。HyperMesh能够用一阶和二阶四面体单元对一段封闭区域自动划分出高品质的单元，还提供了多种三维单元生成方式来构建高质量的四面体、六面体网格和CFD（计算流体动力学）网格。HyperMesh提供了多种形式的网格质量检查菜单，使用户可以实时控制单元质量，另外还提供了多种网格质量修改工具。3.2.2ANSYS—Workbench软件简介Workbench是由ANSYS公司提出的协同仿真环境，用来解决企业产品研发过程中出现的CAE软件的异构问题。面对制造业信息化大潮、仿真软件优胜劣汰、企业知识资产的保留等各种问题下，ANSYS公司提出：在保证核心技术的多样化同时，共同建立协同仿真环境。其目的是，通过在产品设计流程中对仿真环境的开发与实施，创建一个集成多学科异构的CAE技术、具有自主知识产权的仿真系统。以产品数据管理PDM为核心，创建一个基于网络的产品研制虚拟仿真团队，以产品数字虚拟样机为基础，实现产品设计的并行和异地仿真。基于Workbench的仿真环境有三点与传统仿真环境有所不同[19]：（1）客户化：Workbench像PDM那样，利用与仿真相关的API，根据用户的产品研发流程特点开发实施形成仿真环境，而且用户自主开发的API与ANSYS已有的API平等。这一特点也称为“实施性”；（2）集成性：Workbench把求解器看作一个组件，不论由哪个CAE公司提供的求解器都是平等的，在Workbench中经过简单开发都可直接调用；（3）参数化：Workbench对CAD系统的关系不同寻常。它不仅直接使用异构CAD系统的模型，而且建立与CAD系统灵活的双向参数互动关系。Ansys-Workbench具有以下特点[16]：1、协同仿真、项目管理集设计、仿真、优化、网格变形等功能于一体，对各种数据进行项目协同管理。2、双向的参数传输功能支持CAD-CAE间的双向参数传输功能。3、高级的装配部件处理工具具有复杂装配件接触关系的自动识别、接触建模功能。4、先进的网格处理功能可对复杂的几何模型进行高质量的网格处理。5、分析功能支持几乎所有ANSYS的有限元分析功能。6、内嵌可定制的工程材料库自带可定制的工程材料数据库，方便操作者进行编辑、应用。7、易学易用ANSYS公司所有软件模块的共同运行、协同仿真与数据管理环境，工程应用的整体性、流程性都大大增强。完全的windows友好界面，工程化应用，方便工程设计人员应用。3.2.3有限元软件分析步骤有限元软件分析过程包括4个主要的步骤：初步确定、前处理、加载并求解、后处理。如图3.3所示，其中初步确定为分析前的步骤，后三步为实际操作步骤。前处理为建立有限元三维模型，完成有限元网格划分；加载并求解是调用求解器，进行计算；后处理则是通过观察计算结果，获取相应信息后处理求解前处理初步确定划分网格检验结果的正确性查看结果、得出结论求解施加载荷和约束定义材料属性建立、导入几何模型模型类型：零件、组件单元类型：壳单元、实体单元分析类型：静力分析、模态分析后处理求解前处理初步确定划分网格检验结果的正确性查看结果、得出结论求解施加载荷和约束定义材料属性建立、导入几何模型模型类型：零件、组件单元类型：壳单元、实体单元分析类型：静力分析、模态分析图3.3有限元分析一般步骤3.3摇臂结构的有限元静力学分析3.3.1摇臂受力分析摇臂的受力情况如图3.4所示。发动机工作时，活塞的上下运动带动曲轴的旋转，进一步带动凸轮轴的旋转。凸轮轴通过推杆（根据凸轮轴的布置位置不一样而不同）带动摇臂的摇转运动，通过杠杆作用达到让气门开启的目的。凸轮轴运转到轮廓最高点时，气门完全开启，运转在基圆区间时，气门处于关闭状态。当气门完全开启时，气门弹簧压缩到最大，此时摇臂承受的力最大；继续运转，凸轮轮廓回落，气门弹簧力减小，位于基圆时，摇臂所受的力最小。图3.4摇臂受力模拟图中，左边的FORCE为由凸轮轴产生的动力，在摇臂孔处只释放绕轴孔中心旋转的自由度，在气门这边限制垂直方向的位移，摇臂整体属于完全约束，约束合理。3.3.2摇臂材料属性定义摇臂的静力学有限元分析在HyperMesh中完成。摇臂材料为50钢，密度为7860kg/m3，弹性模量E=2.071011Pa，抗剪模量G=8.111010Pa泊松比=0.276，强度极限=630MPa，屈服极限为=375MPa.由于50钢属于塑性材料，取材料的安全系数n=2.0,则许用应力=187.5MPa.在HyperMesh中设置材料属性如图3.5所示。图3.5设置50钢材料属性3.3.3网格划分网格的划分是先在模型表面生成2D表面网格，再由外到内进行填充。选用二阶四面体单元，单元网格尺寸为2.0mm,生成网格模型如图3.6所示。整个3D网格模型有34702个单元和个57050节点。图3.6摇臂结构的网格划分3.3.4施加约束及载荷在凸轮轴的工作过程中，当凸轮轴运行到轮廓最高点时，摇臂承受的载荷达到最大值；凸轮轴继续旋转过程中，摇臂所承受的载荷逐渐减小，因此，摇臂的静力学分析只需要模拟摇臂承受最大载荷时的工况就行。此时在推杆这边施加凸轮推力F=3600N，摇臂孔只释放绕轴孔中心旋转的自由度，在气门这边限制垂直方向的位移。载荷及约束施加情况如图3.7所示。图3.7摇臂的约束与加载3.3.5静力分析结果计算得到摇臂1的等效应力云图，如图3.8所示。图3.8摇臂1等效应力模型由图中可以看出，最大应力发生在摇臂长臂中间部位处，数值为301MPa，远大于许用应力，故该摇臂结构有待改进。计算得到摇臂1的总变形云图，如图3.9所示。图3.9摇臂1总变形云图由图中可以看出，最大总变形发生在摇臂短臂螺纹孔处，大小为0.347mm，数值偏大，不能满足设计要求，故该摇臂结构有待改进。初步设计的摇臂结构不能满足设计要求，原因分析如下：根据受力情况，长臂承受弯矩影响，而结构中长臂设计形状如同“壶嘴”，如图2.4所示，使得长臂端更容易发生弯曲，材料不能很好的利用，不能抵抗弯矩，故此处设计不合理，需改进。3.3.6摇臂结构的改进及分析由3.3.5中的分析结果可知，摇臂结构需改进，根据原因分析，对摇臂结构做以下改进，如图3.10所示。图3.10摇臂2结构设计将摇臂长臂端改成悬挂式，这种类似三角形的结构增强了结构的稳定性，能更有效的抵抗弯矩，减小摇臂的变形。同样将改进的摇臂2导入HyperMesh中进行分析。网格单元同样选用2阶四面体单元，单元尺寸2.0mm，生成网格模型如图3.11所示。整个3D网格模型有36871个单元和个60491节点。图3.11摇臂2网格划分计算得到摇臂2的等效应力云图，如图3.12所示。图3.12摇臂2等效应力云图由图中可以看出，最大应力发生在摇臂长臂中间部位处，数值为130MPa，小于许用应力，故该摇臂2结构改进有效。计算得到摇臂2的总变形云图，如图3.13所示。图3.13摇臂2总变形云图由图中可以看出，最大总变形依然发生在摇臂短臂螺纹孔处，大小为0.139mm，数值稍微有点偏大，该摇臂2结构改进有效。改进前后数据对比，如表3.1所示表3.1摇臂1与摇臂2前后数据对比最大等效应力(MPa)最大总变形(mm)质量(kg)变形前摇臂13010.3740.443变形后摇臂21300.1390.484相对变化百分比-56.8%-62.8%9.3%3.4摇臂结构的拓扑优化3.4.1拓扑优化简介拓扑优化是结构优化的一种。结构优化可分为形状优化、尺寸优化、拓扑优化和形貌优化。拓扑优化以材料分布为优化对象，通过拓扑优化，可以在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的分布方案。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化，具有更多的设计自由度，能够获得更大的设计空间，是结构优化最具发展前景的一个方面。拓扑优化的研究领域主要分为连续体拓扑优化和离散结构拓扑优化。不论哪个领域，都要依赖于有限元方法。连续体拓扑优化是把优化空间的材料离散成有限个单元（壳单元或者体单元），离散结构拓扑优化是在设计空间内建立一个由有限个梁单元组成的基结构，然后根据算法确定设计空间内单元的去留，保留下来的单元即构成最终的拓扑方案，从而实现拓扑优化。在HyperMesh中，Optistruct是以有限元方法为基础的最优化工具，凭借拓扑优化（topology）、形貌优化（topography）、形状优化（shape）和尺寸优化（size），可产生精确的设计概念或布局。Optistruct与HyperMesh之间有无缝的接口，从而使用户可以快捷地进行问题设置、提交和后处理等一整套操作[18]。3.4.2拓扑优化步骤Optistruct进行拓扑优化过程一般需要以下几个步骤来完成：（1）设置有限元模型。首先是要将导入的CAD模型进行有限元的划分，添加材料属性，完成有限元模型的设置。（2）施加边界条件和载荷。在HyperMesh中对有限元模型施加载荷和约束。同时，针对具体情况施加子工况。（3）设置优化参数。定义拓扑优化的设计域、响应、约束和目标函数。（4）运行程序，显示计算得到的优化结果。计算机根据设定的优化约束和目标函数，经过一定次数的迭代，得出收敛设计的结果，计算出最优解。基于Optistruct的连续结构拓扑优化过程如图3.14所示。运行求解，查看结果建立有限元模型施加边界条件和载荷设置包括拓扑优化的设计域、响应、约束和目标函数在内的优化参数运行求解，查看结果建立有限元模型施加边界条件和载荷设置包括拓扑优化的设计域、响应、约束和目标函数在内的优化参数图3.14基于Optistruct连续结构拓扑优化的设计流程图3.4.3基于Optistruct的摇臂结构拓扑优化利用摇臂2的有限元模型，对其进行拓扑优化设置，如图3.15所示，将摇臂2的有限元模型分成design和nodesign两个区域，可参照图3.11和图3.15对比查看。设计域为design，响应是体积（vol）和变形（disp），约束静力分析中变形最大的节点，目标函数为体积最小化，施加对称约束。图3.15摇臂2的拓扑优化设置根据拓扑优化的参数设置，得到如下计算结果，如图3.16所示，迭代22步之后的材料密度云图。图3.16迭代22步后的密度云图取密度阀值为0.3，得到如图3.17所示的拓扑优化结果。图3.18为体积随着迭代次数变化的曲线。图3.17密度阀值为0.3的优化结果图3.18体积随迭代次数变化的曲线3.4.4建造拓扑优化新结构根据拓扑优化的结果，返回CATIA中重新建造摇臂结构，新结构摇臂3如如3.19所示。图3.19拓扑优化后重建摇臂3模型注：按理说，优化后需重新分析，但考虑到后续内容，暂且先不分析。针对优化前和优化后的质量做一个对比，如表3.2所示。表3.2优化前后质量对比优化前（摇臂2）优化后（摇臂3）变化百分比质量（kg）0.4840.431-11%3.5摇臂结构的疲劳分析3.5.1疲劳分析简介早在一百多年以前，人们就开始关注材料的疲劳破坏现象了，相当多的科学家和技术人员对金属的疲劳现象进行了大量的研究，得出了许多关于金属断裂和疲劳破坏的相关理论，由德国的工程师奥古斯都沃勒提出的疲劳极限概念，为常规的疲劳设计奠定了基础。由于疲劳破坏产生的因素多种多样，而且这些因素又相互独立，使得简单疲劳破坏理论不能满足产品设计开发的依据。据统计，有将近80%以上的机械零件失效是由于材料的疲劳破坏引起的。由此可见，在产品开发阶段，对产品疲劳寿命的预测是及其重要的。疲劳破坏一般是由于零件承受交变载荷而导致的，前期研究零件的疲劳破坏主要是通过试验，以试验得到的数据为依据进行设计。随着计算机辅助设计技术的发展与应用，可以利用有限元数值模拟的方法，在计算机上进行产品的疲劳强度分析和寿命预测，有限元技术的发展推动着零件疲劳领域的研究和应用。在汽车新产品的开发过程中,需要对零部件样品进行大量的台架试验和整车耐久性试验,不仅试验费用高、周期长,而且问题大多是出现在产品设计完成之后,对设计改进带来一定难度.通过有限元疲劳分析,可以在产品设计初期对零部件和整车的耐久性进行预测,找到结构的薄弱环节,提出合理的改进方案,还可以大幅度降低或最终取代部分疲劳试验[20]。3.5.2疲劳载荷类型零部件在动态载荷下发生的疲劳破坏，这种载荷称为疲劳载荷。根据疲劳载荷的振幅和方向变化的不一样，可以分为两种形式。一种是载荷的大小、方向随时间周期性变化，这种载荷称为交变载荷。还有一种形式是载荷的大小、方向随时间随机的变化，这种载荷称为随机载荷。交变载荷是最简单，也是最基本的疲劳破坏形式，由于交变载荷对零件产生的局部应力称为交变应力。零件长期在疲劳载荷的作用下工作，即使最大的工作应力比材料的许用应力要小，但由于是长期作用，也会产生断裂或裂纹，即发生疲劳破坏。3.5.3疲劳极限与S-N曲线疲劳极限是材料学里的一个及其重要的物理量，表现一种材料对周期应力的承受能力。在疲劳试验中，应力交变循环大至无限次而试样仍不破坏时的最大应力叫做疲劳极限[21]。大量的试验表明，在交变应力作用下，材料是否发生疲劳破坏，不仅与最大应力值有关，还与循环特性r及循环次数N有关。在一定的循环特性下，交变应力的最大值越大，材料在破坏前所经历的循环次数越少，反之，材料在破坏前所经历的循环次数越多。对同一种材料在保证循环特性不变的前提下，改变材料所承受的最大交变应力，依次记录材料发生疲劳破坏前所对应的最大的循环次数。以材料最大应力为纵坐标，循环次数N为横坐标，将记录的实验数据拟合成一条曲线，这条曲线就称为疲劳曲线，即S-N曲线，如图3.20所示。图3.20材料的S-N曲线从曲线图中可以看出，当逐渐降低到某一值时，曲线趋于水平，此时对应的为该循环特性下的疲劳极限，对应的循环次数称为循环基数。一般情况下，对于钢及铸铁材料，取N等于2106-2107作为循环基数。3.5.4影响疲劳极限的因素用光滑小试件测定的材料的疲劳极限并不能代表实际构件的疲劳极限，实际构件的疲劳极限受到的影响因素较多，它不但与材料有关，而且还受到构件的几何形状、尺寸大小、表面质量、加工方式、工作环境和其他一些因素的影响。3.5.5疲劳分析步骤利用Ansys-workbench平台，对摇臂结构进行疲劳分析，步骤如下:（1）建立工程材料属性，包括S-N曲线；（2）建立或导入几何模型；（3）定义网格控制；（4）施加载荷和约束；（5）选择需要得到的结果，包括FatigueTool、Safefactor等；（6）求解；（7）查看结果。3.5.6Ansys-workbench摇臂结构疲劳分析定义S-N曲线疲劳分析是以静力分析为基础，先定义的基本属性（弹性模量、泊松比、密度等），然后就是材料的S-N曲线了。摇臂的材料为50钢，属于中碳钢。在Ansys-workbench的EngineeringData模块中，有默认的StructuralSteel（结构钢）的材料属性，而50钢也属于结构钢一类，故采用默认的StructuralSteel的S-N曲线，如图3.21所示。图3.21StructuralSteel的S-N曲线定义疲劳载荷类型疲劳载荷分为交变载荷和随机载荷。随机载荷是大小和方向不随时间周期周期变化的载荷，变化没有规律，不能用明确的数学表达式来描述，而交变载荷正好相反，有明确的数学表达式。根据摇臂的实际受力工况，当凸轮轴到达轮廓最高点时，此时摇臂受力最大，随着凸轮轴回落，摇臂所受载荷逐渐减小，但整体受力方向不变。由于无法进行动力学分析，不能得到摇臂所受载荷的实际变化情况，故只能大致模仿其受力工况，故采用正弦曲线的变化形式施加在摇臂上，大小在0-1之间变化，正弦曲线如图3.22所示。图3.22摇臂载荷谱曲线疲劳分析结果设计摇臂疲劳循环寿命为1.0107次，对安全系数进行求解，得出结果如图3.23所示。图3.23摇臂3的疲劳分析结果由结果可知，最小安全系数出现在长臂端拐角处，安全系数只有0.89，在短臂下部位也出现了安全系数小于1.0的情况，摇臂其他部位安全系数足够。针对上述安全系数不满足要求的情况，做出以下改进：（1）加大长臂端拐角处倒角尺寸；（2）对短臂下部为处的“拱形”进行填充。经过改进，得到的摇臂4结果如图3.24所示。图3.24改进后的摇臂4模型将更改后的摇臂4再次进行疲劳分析，得出结果，如图3.25所示。图3.25摇臂4疲劳分析结果由结果可知，经改进后，最低安全系数为1.19，仍然出现在长臂端拐角处，但整体满足疲劳设计要求，改进效果明显。从疲劳分析中提取FatigueSensitivity（疲劳敏感性）曲线，如图3.26所示，图中横坐标显示从0.8-1.5，表示载荷的变动范围，纵坐标表示对于每一个循环载荷所对应的最低疲劳寿命。从图中可以看出，当载荷变动范围在0.8-1.18的范围内，摇臂结构是满足设计的疲劳寿命的，当承受超过1.18倍的载荷时，循环寿命逐渐减小，表示在此循环载荷下已经不能满足设计的无限次循环要求了。图3.26摇臂4的疲劳敏感性曲线将疲劳分析改进前与改进后的结果进行对比，如表3.3所示。表3.3疲劳分析改进前后结果对比改进前（摇臂3）改进后（摇臂4）相对变化百分比最小安全系数0.891.1933.71%质量(kg)0.4310.4453.25%3.6摇臂结构的模态分析3.6.1模态分析简介模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。每一个实体构件都有自身的振动模态，它是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析可以弄清楚结构物体在某一受振频率范围内的各阶固有频率和振型，根据固有频率和振型可以预言结构在此皮旅范围内的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备。模态分析是动力学分析中的基础内容，工程上进行模态分析主要用于[22]：（1）在产品设计之前可以预先避免可能引起的共振。（2）有助于在其他动力分析中估算求解控制参数（如时间不长）等。因为结构的振动特性决定了结构对于各种动力载荷的响应情况，所以建议在准备进行其他动力分析之前首先要进行模态分析。（3）无阻尼模态分析基本方程：（）=0对于一个结构的模态分析，其固有固有频率和振型都能从上面的矩阵方程式力得到。这个方程的根是，即特征值。特征值的平方根是，它就是结构的自然圆频率（弧度/秒），进而可得出自然频率f=/2。另外，在进行模态分析时一定要注意只是一个相对值，而非绝对值。3.6.2模态分析步骤在Ansys-Workbench中的Mechanical进行摇臂的模态分析，具体操作步骤如下：（1）建立模型或导入模型；（2）定义材料属性，材料密度一定要设置正确；（3）假如存在接触，则要定义接触对；（4）划分网格；（5）如果存在载荷要施加载荷；（6）添加要得到的结果；（7）求解；（8）查看结果。3.6.3Ansys-workbench摇臂结构模态分析根据摇臂的实际受力工况，摇臂始终处于承受循环应力的状态下工作，故应该对其进行有预应力的模态分析。求解有预应力的模态分析前，必须对结构进行静力分析，再将得到的结果输入到模态分析板块，完成有预应力的模态分析，如图3.27所示。图3.27有预应力的模态分析根据模态分析理论，低阶频率下的振动对结构的影响最大[23]。故对摇臂只进行前六阶的有预应力的模态分析，各阶固有频率表3.4所示，振型如图3.28所示。表3.4摇臂的前6阶固有频率阶次123456固有频率（HZ）2334.32427.94872.97752.67883.611549一阶二阶三阶四阶五阶六阶图3.28摇臂的各阶振型发动机设计最高转速4000r/min,由于凸轮轴的转速为曲轴的1/2，则凸轮轴的对应的最高旋转速度为2000r/min,可得摇臂的受振动频率范围为：0-33.33HZ。根据表3.4的各阶固有频率结果，其一阶固有频率就有2334.3HZ，远远要大于摇臂的工作环境中的振动频率，故摇臂在工作过程中不会发生共振。3.7与成品摇臂分析数据对比成品摇臂如图2.3所示，现进行相应的有限元分析：（1）静力分析成品摇臂的分析结果如图3.29所示：图3.29成品摇臂静力分析结果改进后的摇臂4的静力分析结果如图3.30所示：图3.30改进后摇臂4的静力分析结果由图中可得：成品摇臂的最大应力为102.4Mpa,最大总变形为0.092mm；摇臂4的最大应力为128.1Mpa，最大总变形为0.134mm。（2）疲劳分析成品摇臂的分析结果如图3.31所示：图3.31成品摇臂的疲劳安全系数摇臂4的疲劳安全系数如图3.25所示根据计算结果，成品摇臂的最小安全系数为1.25；摇臂4的最小安全系数为1.19。（3）模态分析成品摇臂的前6阶固有频率如表3.5所示，各阶振型如图3.32所示。表3.5成品摇臂前6阶固有频率阶次123456固有频率（HZ）1142.83079.53124.24256.16872.58606.6一阶二阶三阶四阶五阶六阶图3.32成品摇臂各阶振型（4）综合对比将成品摇臂与摇臂4进行综合对比，如表3.6所示。表3.6成品摇臂与摇臂4的结果对比质量（kg）转动惯量IzKg/mm2最大应力Mpa最大变形mm最小疲劳安全系数一阶固有频率（HZ）摇臂40.445744.28128.10.1341.192334.3成品摇臂0.441744.91102.40.0921.251142.8由表3.6对比的结果可以看到，自行设计的摇臂4在质量、转动惯量、最大应力和最小疲劳安全系数上没有太大出入，符合设计要求。最大变形稍微有点偏大，但仍满足设计要求，其一阶固有频率是成品摇臂的2倍，所以更加不会发生共振。整体看来，加强肋式的摇臂比悬臂梁式的摇臂更能发挥良好性能优势。总而言之，此次自行设计的摇臂4满足设计要求，完成结构设计任务。第四章摇臂的机械制造工艺设计4.1机械制造的概述随着人类文明的发展与进步，机器制造的生产方式也发生了改变。远古时候的人们首先使用的是用石头制成的器具，后来为制造更适合人们需求的器具，不同的制造材料也逐渐被采用，土制器具、铜制器具、铁制器具等等呗逐渐研究出来，不过当时这些器具制造的科技含量不高，技术比较简单。随着机械生产的完善和生产能力的提高，机械生产技术也不断被改进。直到第一次工业革命之后，机械制造成为了一项工业体系，并朝着大规模和自动化的方向前进。第二次工业革命的出现，使得电能得到了首次应用，并推动了机械制造工业的快速发展，使机械制造工业朝着高技术、高智能的方向前进。机械制造行业是一个产品轮回的巨大体系，是工业发展的根基，是一个产品从原料到成品所包括的实施重点。机械制造技术是保证产品质量和安全制造的一种方式，如果将科学创新技术应用于机械制造方面，就能大幅度提升产品制造的生产能力提升产品质量。高新科技技术与机械制造应该做到相互融合，高新科技技术应以机械生产作为根本，机械制造工业必须借助高新技术作为支撑，才能发展。如今，机械制造工业已经发展到了一个相当高的技术平台，广泛应用于汽车、船舶、航天、农业、电子等等众多领域，成为了衡量一个国家综合国力的一种体现。4.2机械加工工艺基本步骤（1）根据零件和产品装配结果，对零件进行工艺分析（2）计算零件的生产纲领，确定生产类型（3）确定毛坯种类和制造方法（4）确定毛坯尺寸和公差（5）拟定工艺路线（6）确定各工序的加工余量，计算工序尺寸及公差。（7）选择各个工序的机床设备及刀具、量具等工艺装备（8）确定各个工序的切削用量和时间定额（9）编制工艺文件。4.3摇臂的工艺分析和生产类型的确定4.3.1工艺分析如图4.1所示为摇臂的零件工程图，图中已标注了主要的尺寸、尺寸公差、形位公差以及粗糙度等，根据图纸所示，做一下工艺分析。图4.1摇臂的零件图(1)为保证两端面与的轴孔垂直度，应以轴孔为基准对两端面进行加工。(2)为保螺栓孔下端面与轴孔的平行度，应以轴孔和螺栓上端面为基准铣削下端面。(3)为保证螺栓孔与轴孔的垂直度，应以轴孔和铣好的下端面为基准钻螺栓孔。(4)对于圆弧面的加工，可以采用制造专用夹具的方法进行加工。4.3.2确定生产类型生产类型是指企业（或车间、工段、班组、工作地）生产专业化程度的分类。一般分为大量生产、成批生产和单件生产三种类型。生产类型的划分，主要取决于生产纲领，即年产量。不同生产类型的零件的加工工艺有很大的不同[24]。零件的生产纲领是指企业在计划时间内需要生产的产品产量和预定的进度计划。生产纲领不仅只包括计划的年产量，还包括在生产中报废的和备用的产品，其计算公式如下：（4.1）式中：——零件的年产量；——产品（这里为发动机）的年产量；——每单位产品中，该零件的数量；——备品率（一般取2%-4%）；——废品率（一般取0.3%-0.7%）；根据是式（4.1）的算法，就可以算出零件的生产纲领，再查表，就可以确定零件的生产类型。根据摇臂的设计要求，现确定产品年产量=10000台，每台产品中含有零件数=6，这里取备品率=3%，废品率取=0.5%。将以上数据代入式（4.1）中，最后算的摇臂年产量=62109件/年。通过查《金属机械加工工艺人员手册》，可知该摇臂的生产类型为大量生产。4.4选择加工方法和制定工艺路线在零件加工之前先确定其定位基准是至关重要的，一个好的定位基准能更好的对零件进行加工，并且能更好的达到零件所要求的形位公差，保证零件的质量。定位基准有两种：粗基准和精基准。粗基准是零件在首次加工所选择的毛坯面为基准进行加工，而精基准就是在粗基准加工之后的基础上加工的基准。4.4.1定位基准的选择1.粗基准的选择原则（1）为保证加工表面与不加工表面这间的位置精度，则应以不加工表面为粗基准。若工件上有很多个不加工表面，应选其中与加工表面位置精度要求较高的表面为粗基准。（2）为保证工件某重要表面的余量均匀，应选重要表面为粗基准。（3）应尽量选光滑平整，无飞边，浇口，冒口或其他缺陷的表面为粗基准，以便定位准确，加紧可靠。（4）粗基准一般只在头道工序中使用一次，应尽量避免重复使用。2.精基准的选择原则（1）基准重合原则尽量选择设计基准作为定位基准，这样就没有基准不重合误差。但有时处于加工工艺的合理性要求，需要选择非设计基准作为定位基准。定位基准与设计基准不重合时，将产生不重合定位误差，需分析定位误差，并根据尺寸链关系计算定位工艺尺寸，判断工艺条件是否满足工艺尺寸的精度要求。（2）基准统一原则为了减少夹具类型和数量，或者为了进行自动化生产，在零件的加工过程中，对于多个加工工序，选择统一的定位基准。（3）自为基准原则某些精加工和光整加工工序要求加工余量小而均匀，应选该加工表面本身为精基准，该表面与其他表面之间的位置精度由先行工序保证。（4）互为基准原则当两个表面相互位置精度及尺寸、形状精度要求较高时，可采用相互作为基准的方法，多次加工。根据以上所述的粗、精基准的定位原则，对该摇臂零件进行基准定位分析，的轴孔是摇臂的设计基准，也是测量和装配基准，精度较高。为了遵循“基准重合”原则，先选择轴孔和其一端面为精基准，选择一端面为加工的粗基准进行加工。4.4.2重要表面加工方法的确定1.加工方法的选择原则（1）选择加工方法时，应考虑各种加工方法的经济加工精度，并与加工表面的技术精度要求和粗糙度相适应。（2）选择的加工方法能保证加工表面的几何形状精度、表面位置精度的要求。（3）选择的加工方法应该与材料的可加工性相适应。例如，硬度高的材料应该采用磨削的方法加工。（4）选择的加工方法应该与零件的生产类型相适应，当零件为大批量生产时，应采先进的加工方法和高效的机床设备。（5）选择的加工方法应该与企业的现有设备条件与工作人员的技术水平相适应。2.加工方法的确定根据摇臂的设计要求，包括重要表的粗糙度和尺寸公差，通过查阅精度等级表和加工方法与粗糙度之间的关系等相关资料以及上述的加工方法选择原则，最终确定该摇臂零件重要表面的加工方法如下，见表4.1所示：表4.1摇臂各重要加工表面加工方法的确定加工表面尺寸精度等级粗糙度加工方法的轴孔IT71.6钻→镗轴孔的一端面IT133.2粗铣→精车轴孔的另一端面IT133.2粗车→精车螺纹孔H56.3钻螺栓孔上端面IT136.3粗铣→精铣螺栓孔下端面IT136.3粗铣→精铣的油孔IT126.3钻R30的圆弧面IT120.8粗磨→精磨→抛光4.4.3制定工艺路线机加工工艺顺序安排原则（1）先基准面再其它一般第一道工序是为后续工序做准备的，所以前面两道工序总是先加工精基准面，后续工序再精基准为参考进行加工。（2）先主后次优先加工主要表面（工作表面、装配表面等），后加工次要表面（螺栓孔、键槽面等），但要将它们安排在最终加工之前。（3）先粗后精重要表面要分粗加工和精加工，按照先粗后精的顺序进行加工。（4）先面后孔主要指支架和箱体类零件的加工。这类零件上既有孔也有面，这是应先将平面（通常是用来装配用的）加工出来，然后再以平面作为基准加工孔。而且，如果在毛坯面上直接打孔，也容易损伤刀具，所以还是要先加工平面。确定工艺路线根据上述重要表面加工方法的确定和工序安排原则，现确定该摇臂的加工路线如下所示：工序1锻造成毛坯。工序2检验毛坯是否合格。工序3粗铣轴孔一端面。工序4以上一工序铣出的平面为基准，钻轴孔，直径mm。工序5倒角。工序6调质处理。工序7镗轴孔，直径mm，Ra1.6。工序8粗车另一端面，厚度35.5±0.05mm，带倒角。工序9以轴孔mm和螺栓孔上平面为基准，粗铣螺栓孔下平面，使螺栓孔下平面与轴孔中心距离为mm。工序10以轴孔mm和螺栓孔下平面为基准，粗铣螺栓孔上平面。工序11钻mm油孔，孔径mm。工序12去毛刺。工序13粗磨圆弧面，mm，Ra6.3。工序14圆弧面高频淬火。工序15以轴孔mm为基准精车一端面，厚度35±0.5mm，带倒角。工序16以轴孔mm为基准精车另一端面，厚度35mm，带倒角。工序17去毛刺、吹风、擦拭。工序18中间检验。工序19精铣螺栓孔下平面、钻深孔±0.2mm，带倒角。工序20精铣螺栓孔上平面,厚度27.8±0.4mm；钻攻螺纹，带倒角。工序21精磨圆弧面，，Ra1.6。工序22抛光圆弧面，，Ra0.8。工序23整体去毛刺。工序24终检。4.4.4刀具与量具的选用根据制定的工艺路线，选择加工工艺装备见下表4.2所示：表4.2各加工工艺装备工序号加工设备加工刀具量具工序3立式铣床端铣刀游标卡尺工序4立式钻床锥柄麻花钻塞规工序5立式钻床锥面锪钻无工序7双面金刚镗床精镗器内径指示表、塞规工序8普通车床车刀卡规工序9立式铣床中齿立柄铣刀位置量规工序10立式铣床中齿立柄铣刀无工序11台钻直柄麻花钻塞规工序12工作台齐头扁锉无工序13平面磨床平行砂轮形状量规工序15普通车床车刀卡规工序16普通车床车刀卡规工序19加工中心硬质合金立铣刀、直柄硬质合金麻花钻、直柄锥面锪钻塞规续表4.2工序20加工中心硬质合金立铣刀、直柄硬质合金麻花钻、直柄锥面锪钻游标卡尺、垂直度量规工序21平面磨床平行砂轮形状量规工序22抛光机无形状量规工序23工作台齐头扁锉无结论随着计算机功能的快速发展以及现代科学理论的不断完善，计算辅助技术得到了重大的突破与应用，各种功能的CAD/CAE/CAM软件被不断开发出来，并深入地应用于新产品的研发与设计之中。这种研发模式已经被广泛应用于各行各业，得到人们的一致认可，几乎完全颠覆了传统的产品设计过程。本文主要是对某款发动机的气门摇臂进行再设计工作，呈现新产品的开发过程，一个从无到有、从毛坯到成品的全部大致流程。基于CATIA的零件设计模块和曲面设计模块完成摇臂的实体模型创建；利用HyperWorks对摇臂进行静力学分析和结构的拓扑优化；利用ANSYS-Workbench对摇臂进行疲劳分析和有预应力情况下的模态分析；最后再对完成设计的摇臂进行工艺分析及设计。通过本文的研究，有如下结论：（1）CATIA是一款强大的数字一体化模型创建CAD软件，混合建模技术让模型的创建更加有效快捷。根据摇臂在其装配中的尺寸关系，再设计了另外一种结构的气门摇臂。（2）气门摇臂的实际运作工况相对比较复杂，其结构应具有较高的强度、整体刚度和较长的疲劳寿命。按照传统的产品设计开发流程，将会导致成本高，开发周期长等问题，所以利用有限元软件对摇臂结构进行分析和优化是很有必要的，而且效果也是相当行之有效的。（3）使用ANSYS对结构进行静力学分析，根据分析结果可以判断该结构是否有优化的可能性，再利用HyperWorks对结构进行优化，将优化后的结果再次导入到ANSYS中进行进一步的力学性能校核，形成一个充分利用软件优势的、高效便捷的分析回路。总而言之，本文主要内容是围绕计算机辅助技术而展开的，使用有限元分析软件对气门摇臂的结构进行分析、优化及校验，顺便带了部分工艺设计内容，初步完成了一件产品的全部设计路线。作者希望通过这些内容向读者展示一件产品的开发从无到有的大致全部过程，希望对有限元分析应用这块有所帮助。由于作者的能力和时间有限，不足之处在所难免，恳请多多指教。参考文献[1]刘静．FEM分析在发动机气门摇臂设计中的应用[J]．金城集团有限公司．设计与研究．2014(1):33-38.[2]范子杰，桂良进，苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报，2014,5（1）:1-16.[3]张洪武，关振群，李云鹏．有限元分析与CAE技术基础[M].北京：清华大学出版社，2004．[4]李双寿，陆劲昆，王春乐.气门摇臂激光表面合金化工艺研究[J].金属热处理，2004(5):45-48.[5]YutakaOgawa，etc.CeramicRockerArmInsertforInternalCombustionEngines.SAE,860397:2.848～2.857.[6]陆克久.工程陶瓷材料在内燃机上的应用[J].世界汽车,1999(1):12～14.[7]全永新.工程摩擦学[M].杭州:浙江大学出版社,1986.[8]柴之龙.CA488发动机气门摇臂体的国产化研究[J].汽车工艺与材料，1996(6):13-16.[9]姜晋庆,张锋编.结构弹塑性有限元分析法[M].北京:宇航出版社,1990.[10]谭继锦.汽车有限元法[M].北京：人民交通出版社，2005.[11]A.Coulibaly,B.Mutel.CAD/CAMSystemsastheBasisofIntegrationFeatureBasedTechnologiesinMechanicalEngineering[J].InternationalJournalofModelingandSimulation,1998,18(1):26-35.[12]毛兆杰.摇臂深孔加工设备的设计研究[D].江苏：南京理工大学，2004.[13]林家让.汽车构造（发动机篇）[M].北京：电子工业出版社，2004.[14]廖晓山.汽车发动机配气机构[M].吉林：吉林人民出版社，1981.[15]GelinkERM,SchipperDJ.CalculationofSteibeckcurvesforlinecontact[J].TribologyInternational,2002,(33):175-181.[16]陆爽，孙明礼.ANSYSWorkbench13.0有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2012[17]谢贻权，何福宝.弹性和塑性力学中的有限单元法[M].北京：机械工业出版社，1981.[18]于开平，周传月.Hypermesh从入门到精通[M].北京：科学出版社，2005.[19]Workbench./doc/5508612-5744358.html[20]黄名锋，江迎春.基于有限元法的汽车构件疲劳寿命分析[J].机械研究与应用，2008,2:57-60[21]疲劳极限./article/baike/1358390642300.html[22]浦广益.ANSYSWorkbench基础教程与实例详解（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社，2013[23]刘丽贤，马国鹭.某型电视机壳体结构动力学分析及改进[J].噪声与振动控制，2009,29:140-143[24]生产类型./news/html/?478.html致谢弹指一挥间，为期两个多月的毕业设计已经接近尾声，历时四年的大学生活即将告一段落，心里还难免有点小舍不得。在这感慨之余，我要对大学四年来教育我的老师们，帮助过我的同学们表示谢意，是他们陪伴在我的整个大学生活之中，可谓是良师益友，在我需要帮助的时候他们总会帮我将面临的问题各个击破，和他们在一起感觉充实并快乐着。我还要特别感谢我的指导老师也是我大学的导师姚胜华老师，在他的悉心关切和督促下，使我顺利完成了大学最后的重要环节，也为我的大学生活画上了圆满的句号。感谢提供参考文献的作者们，没有你们的贡献，我也完成不了今天的毕业设计，在此聊表谢意。感谢社会上的好人们，由于你们的存在，使得世界更加充满和谐充满爱，让我身处在一个安全、欢融的环境下生活学习。最后我还要感谢我的父母，他们给予了我生命，将我抚养成人，并让我接受教育，这才有了我的今天，谢谢他们的付出。养育之恩，日后定当回报。此时此刻，想着马上就要从一个当了16年的学生的身份转变成一个自给自足社会中的一员，心中无比激动。再次感谢你们，因为有你，才有现在的我，我也即将满怀憧憬踏入全新的环境，去继续我的人生旅程。目录TOC\o"1-2"\h\z\u第一章总论 1第一节项目名称及承办单位 1第二节研究工作的依据与范围 2第三节简要研究结论 3第四节主要经济技术指标 5