渦輪增壓論文

1、車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)_有限元法研究TBD235V6型柴油機(jī)曲軸強(qiáng)度摘要 建立了柴油機(jī)曲軸三維有限元分析的改進(jìn)模型,詳細(xì)介紹了曲軸在彎曲和扭轉(zhuǎn)2 種交變應(yīng)力狀態(tài)下，其位移邊界條件和載荷邊界條件的確定以及加載方法,校核了該曲軸提高功率前后的疲勞強(qiáng)度. 計(jì)算結(jié)果表明, 該模型能夠很好地模擬曲軸的實(shí)際工作狀況,為進(jìn)一步分析曲軸提供了新思路.動(dòng)態(tài)分析是通過(guò)仿真驗(yàn)證而得到的分析結(jié)果，這樣可以得出曲柄銷處的應(yīng)力載荷。此載荷通過(guò)軟件應(yīng)用到有限元模型里面，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝狀況得到應(yīng)用和邊界條件。這分析是通過(guò)研究不同發(fā)動(dòng)機(jī)處于臨界轉(zhuǎn)速狀況下的曲軸的最危險(xiǎn)截面而得到的。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在循環(huán)扭轉(zhuǎn)載荷作用下的應(yīng)力

2、變化進(jìn)行了調(diào)查分析。從有限元分析結(jié)果核實(shí)了曲軸位置上的應(yīng)變量。上述得到的的成果分析可用于疲勞壽命計(jì)算和曲軸的優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上提出曲軸的改進(jìn)方案,利用試驗(yàn)優(yōu)化技術(shù)對(duì)不同的方案進(jìn)行處理,分析了各結(jié)構(gòu)因素對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響程度,得到了曲軸的最佳設(shè)計(jì)方案,并為以后的曲軸設(shè)計(jì)提供了參考。 關(guān)鍵詞:曲軸,有限元分析,邊界條件,疲勞強(qiáng)度 FEM ANALYSIS OF THE CRANK STRENGTH OF TBD235V6 DIESEL ENGINE ABSTRACTAn improved Finite Element Analysis (FEA) on the crankshaft model of

3、diesel engine is pre2 sented. Displacement boundary conditions and loading boundary conditions as well as loading method under al2 ternating stress status of bending and torsional load are introduced in detail . Based on the improved crankshaft FEA model and boundary conditions，the crankshaft fatigu

4、e evaluations before and after power updating are made. The result shows that the improved model simulates the working condition of 6160 diesel engine crank2 shaft practically , and thus provides useful guidance for optimal crankshaft design.The dynamic analysis was done analytically and was verifie

5、d by simulation in ADAMS which resulted in the load spectrum applied to crank pin bearing. This load was applied to the FE model in ABAQUS, and boundary conditions were applied according to the engine mounting conditions. The analysis was done for different engine speeds and as a result critical eng

6、ine speed and critical region on the crankshaft were obtained. Stress variation over the engine cycle and the effect of torsional load in the analysis were investigated. Results from FE analysis were verified by strain gages attached to several locations on the crankshaft. Results achieved from afor

7、ementioned analysis can be used in fatigue life calculation and optimization of this component. The crankshaft configuration was improved.The results of the improved models were analyzed by means of the experiment aloptimal technology.The influence of configuration factors on the fatigue strength of

8、 crankshaft was found. The best design of the crankshaft was got through the analysis. It also offered reference for the design of crankshaft in future.KEY WORDS : crankshaft，F(xiàn)EA， boundary conditions ， fatigue strength 目 錄第一章 緒論1§1.1引言1§1.2 研究對(duì)象及研究意義2§1.3國(guó)內(nèi)外研究狀況2§1.4本文研究的內(nèi)容3第二章 有

9、限元分析的理論基礎(chǔ)4§2.1 研究方法的選擇與比較4§2.2 有限元分析軟件的介紹7第三章 曲軸動(dòng)力學(xué)分析9§3.1 已知條件9§3.2 曲軸受力分析9第四章 曲軸有限元模型的建立12§4.1 V6曲軸的三維造型設(shè)計(jì)12§4.2 有限元網(wǎng)格劃分12§4.3 載荷狀況的確定14§4.4 曲軸的邊界條件14§4.4.1力的邊界條件14§4.4.2支撐邊界條件16第五章 曲軸有限元模型結(jié)果計(jì)算分析18§5.1變形分析18§5.2應(yīng)力分析18§5.3曲軸強(qiáng)度校核21第六章

10、結(jié) 論23參考文獻(xiàn)25致 謝2623第一章 緒論§1.1引言 在過(guò)去的十年里, 汽車工業(yè)的發(fā)展已達(dá)到了一個(gè)空前的高度, 它的穩(wěn)定增長(zhǎng)已帶動(dòng)世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 特別是與汽車工業(yè)相關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域多達(dá)三百多個(gè),有數(shù)據(jù)表明汽車工業(yè)已成為世界第六大經(jīng)濟(jì)支柱。因此,任何與汽車相關(guān)的配套廠家生產(chǎn)的零部件出現(xiàn)故障, 都會(huì)影響汽車整車的功用。許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)汽車發(fā)生的故障進(jìn)行了研究。在發(fā)動(dòng)機(jī)故障的研究中, 調(diào)查了在各種工況下凸輪軸的疲勞失效情況;研究了曲軸斷裂失效的原因,并指出這主要是由彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力共同作用而引起的。而曲軸是汽車、拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要而且承載最復(fù)雜的零部件, 被稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟。曲軸的功用是

11、將連桿傳來(lái)的氣體壓力轉(zhuǎn)變成扭矩, 然后傳遞給傳動(dòng)裝置。其結(jié)構(gòu)參數(shù)和加工工藝水平不僅影響著整機(jī)的尺寸和重量, 而且在很大程度上影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與壽命, 因此曲軸的強(qiáng)度研究是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造中必不可少的。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)得到不同程度的提高，但同時(shí)機(jī)械負(fù)荷也在不斷的增加。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，也是受力最復(fù)雜的部件。同時(shí)承受著缸內(nèi)氣體作用力、往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力的引起的周期性變化的彎矩和扭矩負(fù)荷，因此，對(duì)其剛度和強(qiáng)度的提出了很高的要求，這是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)難點(diǎn)之一。對(duì)于曲軸這樣形狀比較復(fù)雜的強(qiáng)度分析問(wèn)題，解析法是無(wú)能為力，而有限元法能夠克服這個(gè)困難，它在強(qiáng)度分析中

12、已經(jīng)成為一種通用的數(shù)值分析方法。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要、承載最復(fù)雜的零件之一,對(duì)曲軸進(jìn)行強(qiáng)度分析是一項(xiàng)重要的工作。確定曲軸應(yīng)力應(yīng)變狀況的方法有兩種: 一是利用模擬或模型試驗(yàn)以至零件的實(shí)機(jī)試驗(yàn)來(lái)確定; 二是利用計(jì)算來(lái)確定。在利用計(jì)算來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí), 傳統(tǒng)的截?cái)嗪?jiǎn)支梁法和連續(xù)梁法由于作了太多簡(jiǎn)化, 因此難以保證計(jì)算精度。利用有限元法來(lái)進(jìn)行這項(xiàng)工作是較好的選擇, 已有許多文獻(xiàn)得出了有用的結(jié)果。§1.2 研究對(duì)象及研究意義 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)我們采用Ansys有限元分析軟件對(duì)TBD235V6型柴油機(jī)曲軸建立三維有限元模型，進(jìn)行單元選擇和網(wǎng)格劃分，對(duì)整體曲軸進(jìn)行了靜力學(xué)、剛度分析，得出最大應(yīng)力值，從

13、而進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。V型6缸發(fā)動(dòng)機(jī)最明顯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是V形，氣缸體之間的夾角為90°，這不僅降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度，而且大大縮減了發(fā)動(dòng)機(jī)的總長(zhǎng)度。從而可以減小發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝空間。對(duì)我們進(jìn)一步研究曲軸具體力提供了理論依據(jù)。對(duì)曲軸的改進(jìn)和設(shè)計(jì)具有重要的理論意義。曲軸是彈性體,在載荷作用下會(huì)產(chǎn)生變形,這將直接影響曲軸軸承等零件的工作情況,因此曲軸變形計(jì)算也是曲軸軸承潤(rùn)滑性能分析等研究的前提條件之一。目前曲軸變形基本采用有限元方法計(jì)算。有限元分析中計(jì)算模型的選取對(duì)計(jì)算過(guò)程和結(jié)果有較大影響。不帶飛輪和帶輪情況下的模態(tài)分析,得出各階振型和頻率,為其動(dòng)力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。§1.3國(guó)內(nèi)外研究狀況

14、 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸進(jìn)行分析時(shí)多采用實(shí)驗(yàn)研究和有限元數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法。在軟件上一般借用大型的CAE集成化軟件或采用大型三維建模的軟件與有限元分析系統(tǒng)相結(jié)合的方式。 在國(guó)外，由于計(jì)算機(jī)、內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)以及有限元分析軟件等各個(gè)方面條件都比較成熟，早在上世紀(jì)八十年代便開(kāi)始運(yùn)用三維有限元的方法對(duì)曲軸進(jìn)行分析研究，在這里不做一一詳述。 國(guó)內(nèi)由于受到各種條件因素的制約，相對(duì)國(guó)外而言，起步較晚，但是隨著國(guó)內(nèi)的計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展以及國(guó)外有限元分析軟件的引進(jìn)，國(guó)內(nèi)的研究人員也開(kāi)始了利用三維有限元對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的疲勞強(qiáng)度和變形計(jì)算的分析。§1.4本文研究的內(nèi)容 總結(jié)前人關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究

15、的成果，從中提取合理的方法，并且根據(jù)TBD235V6型柴油機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)作出修改和補(bǔ)充。設(shè)計(jì)較為合理的試驗(yàn)方案，對(duì)實(shí)際樣機(jī)進(jìn)行變形實(shí)測(cè)，評(píng)估曲軸的疲勞強(qiáng)度。應(yīng)用PROE，并對(duì)其進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，建立三維有限元模型。將曲軸的簡(jiǎn)化模塊導(dǎo)入到有限元分析軟件中去，這里我們利用的是ANSYS軟件，通過(guò)該軟件對(duì)模型施加約束和載荷的邊界條件，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析。 針對(duì)應(yīng)用ANSYS進(jìn)行分析求解的變形結(jié)果和疲勞強(qiáng)度，結(jié)合試驗(yàn)實(shí)測(cè)的變形結(jié)果及疲勞強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證利用有限元法分析曲軸結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確度。并對(duì)TBD235V6型柴油機(jī)的變形特性和結(jié)構(gòu)合理性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并提出改進(jìn)措施。第二章 有限元分析的理論基礎(chǔ)§

16、;2.1 研究方法的選擇與比較 在工程技術(shù)領(lǐng)域研究彈性連續(xù)體在載荷和其它因素作用下產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移時(shí)，可以采用以下幾種途徑：一種是利用彈性理論對(duì)微元體進(jìn)行力學(xué)特性分析，建立力與位移的微分方程式，結(jié)合邊界條件，求的精確地解析解。另一種是能量法，如通過(guò)變分原理建立方程式。選擇合適的位移函數(shù)得出近似的數(shù)值解。還有一種是有限差分法，它將連續(xù)彈性體離散劃分為成許多有限大小的區(qū)域，同時(shí)也將微分方程離散化，只對(duì)結(jié)構(gòu)上有限個(gè)點(diǎn)求出近似的數(shù)值解。有限元法比起以上三種方法來(lái)，具有以下的特點(diǎn)： 有限元法是將連續(xù)彈性體離散劃分為有限個(gè)單元的一種近似數(shù)值解法，這與有限差分法是類似的；所不同的是，它不是將微分方程離

17、散化，而是對(duì)單元進(jìn)行力學(xué)特性分析而得到解答，這又和微分方程法是類似的。 有限元法的適應(yīng)性好，它適合于幾何形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析，在網(wǎng)格劃分方面有限差分法靈活、方便。 有限元法對(duì)單元進(jìn)行力學(xué)特性分析，是以能量原理為理論基礎(chǔ)的，這點(diǎn)與能量法是共同的。 有限元法計(jì)算工作量很大，但有限元法的運(yùn)算方法是矩陣分析法，具有簡(jiǎn)潔的、公式化的表達(dá)式，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算。有限元是將彈性理論、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件有機(jī)的結(jié)合起來(lái)的數(shù)值分析技術(shù)，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展的應(yīng)用。用數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，就是從變分原理出發(fā)，通過(guò)分區(qū)插值，把二次泛函的極值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一組多元線性代數(shù)方程來(lái)求解。有限元法把物體劃分

18、為大量的足夠小的單元。通過(guò)離散的模型來(lái)近似表示在物體內(nèi)連續(xù)變化的待求參數(shù)，再根據(jù)變分原理或最小位能原理可求解得出各節(jié)點(diǎn)和單元的欲求參數(shù)值。由于單元能按各種不同的連續(xù)方程式組合在一起，且與單元本身又可以有不同的幾何形狀和大小不同的尺寸。所以他能很好的適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的材料特性和復(fù)雜的邊界條件。鑒于有限元法能比較準(zhǔn)確的描述零件的實(shí)際形狀、約束條件和受力特征，同時(shí)能夠應(yīng)用于解決連續(xù)體力學(xué)的各類問(wèn)題，使得有限元方法成為內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)中必不可少的工具及工程計(jì)算的有效方法。因此，本文采用該方法對(duì)曲軸應(yīng)用大型有限元分析軟件進(jìn)行靜力分析，并在此基礎(chǔ)上研究其變形與變形規(guī)律。有限元分析（FEA，F(xiàn)inite

19、Element Analysis）的基本概念是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直線單元）逼近圓來(lái)求得圓的周長(zhǎng)，但作為一種方法而被提出

20、，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過(guò)短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。有限元方法與其他求解邊值問(wèn)題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對(duì)小的子域中。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念的克拉夫教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz法分片函數(shù)”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一種局部化情況。不同于求解（

21、往往是困難的）滿足整個(gè)定義域邊界條件的允許函數(shù)的Rayleigh Ritz法，有限元法將函數(shù)定義在簡(jiǎn)單幾何形狀（如二維問(wèn)題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。有限元求解問(wèn)題的基本步驟通常為：第一步：?jiǎn)栴}及求解域定義：根據(jù)實(shí)際問(wèn)題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。第二步：求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個(gè)單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越?。ňW(wǎng)絡(luò)越細(xì)）則離散域

22、的近似程度越好，計(jì)算結(jié)果也越精確，但計(jì)算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。第三步：確定狀態(tài)變量及控制方法：一個(gè)具體的物理問(wèn)題通常可以用一組包含問(wèn)題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價(jià)的泛函形式。第四步：?jiǎn)卧茖?dǎo)：對(duì)單元構(gòu)造一個(gè)適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系，建立單元試函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣（結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱剛度陣或柔度陣）。為保證問(wèn)題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。 對(duì)工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，

23、畸形時(shí)不僅精度低，而且有缺秩的危險(xiǎn)，將導(dǎo)致無(wú)法求解。第五步：總裝求解：將單元總裝形成離散域的總矩陣方程（聯(lián)合方程組），反映對(duì)近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件。總裝是在相鄰單元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)（可能的話）連續(xù)性建立在結(jié)點(diǎn)處。第六步：聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋：有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、選代法和隨機(jī)法。求解結(jié)果是單元結(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的近似值。對(duì)于計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量，將通過(guò)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供的允許值比較來(lái)評(píng)價(jià)并確定是否需要重復(fù)計(jì)算。簡(jiǎn)言之，有限元分析可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采

24、集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。在分析、計(jì)算曲軸受力時(shí), 通常作如下假設(shè): 把多支承曲軸看作是以主軸承和支承軸承中心分開(kāi)的分段簡(jiǎn)支梁, 并把軸視為絕對(duì)剛體; 連桿力集中作用在連桿軸頸的中心處; 把主軸頸和支撐軸頸中心既看成是支承點(diǎn), 又看成是集中支反力的作用點(diǎn); 略去回轉(zhuǎn)慣性力; 略去因加工精度、裝配質(zhì)量以及使用后磨損、熱變形造成的附加載荷。§2.2 有限元分析軟件的介紹 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用的有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開(kāi)發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如P

25、ro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊曲軸的疲勞強(qiáng)度研究是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)、制造中必不可少的重要組成部分。但是,目前對(duì)曲軸的設(shè)計(jì)還仍然停留在主要依靠常規(guī)的疲勞強(qiáng)度理論來(lái)進(jìn)行,主要有兩種簡(jiǎn)化計(jì)算方法:一種是把曲軸按單拐分成幾段,每

26、段當(dāng)成簡(jiǎn)支梁進(jìn)行研究;另一種是把曲軸作為連續(xù)梁進(jìn)行分析。這兩種計(jì)算模型由于過(guò)多地簡(jiǎn)化,其計(jì)算結(jié)果難以令人滿意。為了使曲軸強(qiáng)度的預(yù)測(cè)更加接近實(shí)際,從而獲得合理的曲軸設(shè)計(jì),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作,其中將日益成熟的有限元方法引入曲軸強(qiáng)度領(lǐng)域就是一個(gè)得到了較大發(fā)展的研究方法。在曲軸疲勞強(qiáng)度有限元模型中,尚存在很多不足的地方,如把曲軸簡(jiǎn)化為三維模型、將實(shí)際曲軸工作時(shí)所處的復(fù)雜受力狀態(tài)作過(guò)多的簡(jiǎn)化和有限元建模過(guò)程中簡(jiǎn)化不當(dāng)?shù)取Ｔ谶吔鐥l件的處理上,有些研究將主軸頸約束簡(jiǎn)化成了絕對(duì)剛性支撐,而比較接近實(shí)際的處理應(yīng)該是對(duì)主軸頸約束用邊界元或接觸元來(lái)處理。第三章 曲軸動(dòng)力學(xué)分析§3.1 已知

27、條件 柴油機(jī)型號(hào)：TBD235V6；缸數(shù)：6 ； 沖程數(shù)：4； 缸徑：132mm；行程：140mm； 額定功率：292kw；額定轉(zhuǎn)速：2100r/min；機(jī)械效率：0.87；發(fā)火順序：1-3-2；往復(fù)部件質(zhì)量：9.9kg；b=900MPa；主軸頸直徑：105mm；曲柄銷直徑：92mm； 連桿長(zhǎng)：240mm；Pz=17MPa；連桿旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量：5.2kg；同一曲拐氣缸夾角60。§3.2 曲軸受力分析 曲軸在工作過(guò)程中, 往復(fù)慣性力、燃燒氣體壓力通過(guò)活塞和連桿傳遞到曲軸上, 考慮到不平衡質(zhì)量離心力, 形成作用于曲軸上的切向力與徑向力。圖3-1可以推得： （3-1） （3-2） （3-3）

28、 （3-4） （3-5） 連桿比 （3-6） 連桿擺角 （3-7）圖3-1曲柄銷作用力分布 式中P為氣體作用力，P為往復(fù)慣性力，P為不平衡質(zhì)量離心力，為曲軸轉(zhuǎn)角，為連桿擺角，D為氣缸直徑，為汽缸內(nèi)的絕對(duì)壓力， 為曲軸箱內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力,。對(duì)四沖程柴油機(jī), 一般取=MPa。為曲柄半徑，m為往復(fù)部件質(zhì)量，為曲軸旋轉(zhuǎn)角速度。 發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序與發(fā)火間隔角如下：（A左列汽缸B左列汽缸） 180 60 180 60 180 A B A B A B 進(jìn)過(guò)計(jì)算可以得到： =384 時(shí)有最大的切向力。此時(shí)，各缸的壓力見(jiàn)表3-1. 表3-1 各缸壓力缸編號(hào)A B AB A B Pg /MPa11.6910.55

29、080.55080.27550.2253.2769 根據(jù)文獻(xiàn)2的平均扭矩公式，平均扭矩 M= （3-8）本文的P=292kw，n=2100r/min代入式（3-8）中，得出平均扭矩M=1327.7657NM。因?yàn)楸疚闹粚?duì)單一曲拐進(jìn)行分析，故只需計(jì)算出單拐受力即可。本文對(duì)優(yōu)劣二缸剛達(dá)到上止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)行受力分析。合成力F=121384.0618N，最大徑向力F=104990.5335N，對(duì)應(yīng)左列二缸的最大徑向力F=19599.45002N，二者之間的夾角為。第四章 曲軸有限元模型的建立§4.1 V6曲軸的三維造型設(shè)計(jì) 曲軸的破壞主要有以下幾種形式: 裂紋由圓角處應(yīng)力集中產(chǎn)生, 向曲軸臂發(fā)展

30、, 導(dǎo)致曲柄臂斷裂; 裂紋沿過(guò)渡圓角周向同時(shí)發(fā)生, 斷口呈徑向鋸齒形; 裂紋起源于油孔沿與軸線成45o 方向發(fā)展; 裂紋起源于過(guò)渡圓角或油孔。下面以TBD235V柴油機(jī)的曲軸為例, 使用PROE進(jìn)行曲軸的參數(shù)化設(shè)計(jì), 用ANSYS 有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析, 并通過(guò)改變參數(shù)來(lái)改變曲軸結(jié)構(gòu), 驗(yàn)證了一種最為常見(jiàn)的曲軸斷裂失效的原因。本文采用單拐最曲軸經(jīng)行有限元分析。首先用PROE進(jìn)行曲軸的三維實(shí)體造型。由于曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜、各個(gè)截面形狀很不規(guī)則為了減小計(jì)算規(guī)模, 利用有限元軟件進(jìn)行建模網(wǎng)格化時(shí)很難保證與圖紙上的曲軸結(jié)構(gòu)完全一致,在建立曲軸有限元模型時(shí)將一些對(duì)機(jī)體應(yīng)力與應(yīng)變影響較小特征略去,如部

31、分過(guò)渡圓角,倒圓、倒角。但是這些簡(jiǎn)化應(yīng)以不影響其結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性為原則。以保證計(jì)算結(jié)果能真地反映曲軸靜態(tài)的特性。§4.2 有限元網(wǎng)格劃分 由于曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜,利用有限元軟件進(jìn)行建模時(shí)很難保證與圖紙上的曲軸結(jié)構(gòu)完全一致,因此建模時(shí)必須簡(jiǎn)化。為了減少應(yīng)力集中,曲軸上不同截面的結(jié)合處都有半徑不一的倒角,如果在建模時(shí)考慮這些倒角和油孔,則會(huì)使有限元的網(wǎng)格非常密集,這就大大地增加了模型的單元數(shù)量,花費(fèi)大量的求解時(shí)間,而且生成的網(wǎng)格形狀也不理想,降低了求解精度,因此建模時(shí)忽略半徑較小的倒角和油孔。事實(shí)證明忽略這些倒角和油孔對(duì)曲軸的模態(tài)影響甚微。因此在整體曲軸建模時(shí)僅考慮主軸頸、曲軸軸頸與曲拐連接處的

32、過(guò)渡圓角。 采用ANSYS 有限元軟件,ANSYS 提供了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分工具M(jìn) eshToo l,專門用于對(duì)CAD 模型執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)劃分操作, 用它為曲軸造型的三維實(shí)體進(jìn)行智能網(wǎng)絡(luò)劃分, 根據(jù)分析, 連桿軸頸和主軸頸是受力較大部位, 劃分較密, 連桿軸頸圓角和主軸頸圓角處應(yīng)力集中, 是曲軸危險(xiǎn)點(diǎn),劃分最密, 而曲柄臂部位尺寸較大, 又不是危險(xiǎn)點(diǎn)或主要受力部位, 劃分最疏松。根據(jù)曲軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合有限元分析軟件中所提供的單元類型,選擇10 節(jié)點(diǎn)的四面體單元Solid92 。在建模時(shí),首先采用較疏的網(wǎng)格實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后將連桿軸頸和曲軸主軸頸的圓角處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)劃。剖分后形成的曲軸有限元網(wǎng)格。加

33、密有限元模型的網(wǎng)格密度,網(wǎng)格密度越大,計(jì)算精度越高,才能找到真正的應(yīng)力集中源, 的曲軸有限元模型共有79461個(gè)節(jié)點(diǎn)，53949個(gè)單元。曲拐?qǐng)A角處的節(jié)點(diǎn)最密集。 選擇單元類型及材料屬性: 考慮到模型為三維實(shí)體, 具有x , y , z 三個(gè)自由度, 因此選擇實(shí)體單元類型So lid92, 見(jiàn)圖4-1。So lid92 具有10 個(gè)節(jié)點(diǎn), 每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有x , y , z 三個(gè)移動(dòng)自由度, 并具有彈性、膨脹性、壓力硬化、大變形等特點(diǎn), 很適合曲軸造型的三維實(shí)體。 圖4-1 10 節(jié)點(diǎn)四面體So lid92 單元 該曲軸材料采用42CrMo4, 在材料類型設(shè)置中設(shè)置為線性及各向同性, 并輸入相應(yīng)的彈

34、性模量為2.7×10、泊松比為3.0。此材料強(qiáng)度、淬透性高、韌性好、淬火時(shí)變形小，高溫時(shí)有高的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，用于制造要求較35CrMo剛強(qiáng)度更高和調(diào)質(zhì)截面更大的鍛件，如機(jī)車牽引用的大齒輪、增壓器傳動(dòng)齒輪、后軸、受載荷極大地連桿、彈簧夾和曲軸，也可用于2000m以下石油深井鉆桿接頭與打撈工具等。 §4.3 載荷狀況的確定 曲軸在工作時(shí)承受缸內(nèi)的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力的作用。曲軸在交變的載荷下工作,氣缸的爆發(fā)壓力的變化對(duì)曲軸的性能有很大的影響。根據(jù)已給定的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù),通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算,由于曲軸主要是因彎曲而破壞的,因此對(duì)曲軸受到飛輪處的扭轉(zhuǎn)力可暫不考慮,為簡(jiǎn)便

35、起見(jiàn),可假設(shè)對(duì)發(fā)火的氣缸,當(dāng)活塞處于上止點(diǎn)位置時(shí)連桿軸頸載荷達(dá)到最大值。因?yàn)楸疚难芯康氖荲型發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，采用并列的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，就是說(shuō)一個(gè)連桿軸經(jīng)上同時(shí)受兩個(gè)力，單拐連桿軸頸連接兩個(gè)V形角分布的連桿并且二者的夾角是。將角度轉(zhuǎn)化為弧度，需要將角度乘以0.017453292222，得到的弧度為1.308996917。由于曲軸受力是彎扭復(fù)合作用的過(guò)程,所以危險(xiǎn)工況的選擇要同時(shí)考慮扭矩的大小。曲軸扭矩M=1327.7657NM。§4.4 曲軸的邊界條件§4.4.1力的邊界條件 根據(jù)傳統(tǒng)的方法及有限寬度軸頸油膜壓力應(yīng)力分布規(guī)律，連桿軸頸所受的氣缸內(nèi)爆發(fā)壓力及活塞連桿的慣性作用力，并

36、忽略油孔處壓力峰值突變的影響，根據(jù)曲軸的工作情況%當(dāng)曲軸受壓時(shí),在主軸頸下部建立局部柱坐標(biāo)系，約束沿周向120度范圍內(nèi)的徑向位移；假定力邊界條件為:載荷沿曲柄銷軸向均勻分布，沿曲柄銷徑向120度角范圍內(nèi)按余弦規(guī)律分布，如圖4-2所示： A B圖4-2 連桿軸頸壓力分布 圖4-2中A，沿曲軸軸線方向，載荷壓力分布為常數(shù)，設(shè)為q，B，沿軸頸圓角方向，因呈余弦規(guī)律分布, 其分布規(guī)律為 （4-1）由邊界條件，當(dāng) 時(shí)，=0. （4-2） （4-3）得到系數(shù) （4-4）又 （4-5）有式得 （4-6）有二重積分得 （4-7） 即 （4-8）故壓力沿軸向及圓周方向的分布函數(shù)為 （4-9）其中 ,式中F為作用

37、在連桿軸頸上的總載荷，R為曲柄連桿軸頸半徑，L為曲柄連桿軸頸半長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)代入計(jì)算可以得到兩個(gè)力的分布函數(shù)K=1.518114308.74 （4-10） K=1.53427244.212 （4-11）根據(jù)以上所得力的分布公式,可求得各個(gè)離散單元的受力,然后將其分配到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上,從而得到等效節(jié)點(diǎn)邊界力?？紤]曲軸慣性力的影響,輸入以額定轉(zhuǎn)速2100n/ min 時(shí)的角速度219.9115rad/s.有限元程序會(huì)自動(dòng)將慣性力加在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。 另外發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的破壞還與發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩有直接的關(guān)系，扭矩的大小影響曲軸的受力與破壞，扭矩越大，越容易破壞；越小，破壞越不容易。本文將曲軸主軸頸所受的軸承彈性支撐作用

38、離散為作用在支撐面每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的彈性邊界元, 通過(guò)彈性邊界元使主軸頸在半徑方向傳遞壓縮力, 彈性邊界元的彈性模量取為和主軸承材料一個(gè)量級(jí)。發(fā)動(dòng)機(jī)的平均扭矩：=1327.7657 。 §4.4.2支撐邊界條件 連桿軸頸和主軸頸表面分別受不同的壓力作用,連桿軸頸主要受連桿推力的作用,主軸頸受到軸承支持力的作用。本文將曲軸主軸頸所受的軸承彈性支撐作用離散為作用在支撐面每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的彈性邊界元, 通過(guò)彈性邊界元使主軸頸在半徑方向傳遞壓縮力, 彈性邊界元的彈性模量取為和主軸承材料一個(gè)量級(jí)。約束施加得是否合理,直接影響有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,不同的約束條件，會(huì)使結(jié)果相差很大。將主軸承對(duì)曲軸的支撐視為

39、彈性支座，設(shè)彈簧剛度為K，認(rèn)為K值在曲軸縱向?qū)ΨQ面內(nèi)沿主軸頸均布，對(duì)于圖1的曲軸有限元模型，可視K均分在曲軸縱向?qū)ΨQ面內(nèi)主軸頸中截面左右的兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)上，本文我們?nèi)值為2.710N/m，這一剛度接近于主軸承的實(shí)際剛度。 在進(jìn)行有限元分析時(shí)，左端面對(duì)面進(jìn)行全約束，右端面選取中心處的關(guān)鍵點(diǎn)約束除軸向的移動(dòng)自由度、其他各向旋轉(zhuǎn)自由度外，約束剩余的兩個(gè)移動(dòng)自由度，見(jiàn)圖4-3.并在右端面進(jìn)行剛性連接。 圖4-3 單元顯示時(shí)的約束情況 第五章 曲軸有限元模型結(jié)果計(jì)算分析§5.1變形分析 曲軸在受到各個(gè)力和扭矩的作用下，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形。利用有限元通用后處理器進(jìn)行結(jié)果顯示分析。如圖5-1所示：我們

40、可以看出最大變形量為1.27mm。 圖5-1 單拐曲軸的受力變形圖§5.2應(yīng)力分析 Von Mises是一種屈服準(zhǔn)則,屈服準(zhǔn)則的值我們通常叫等效應(yīng)力。后處理中"Von Mises Stress"我們習(xí)慣稱Mises等效應(yīng)力，它遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論(形狀改變比能理論)。第三強(qiáng)度理論認(rèn)為最大剪應(yīng)力是引起流動(dòng)破壞的主要原因，如低碳鋼拉伸時(shí)在與軸線成45度的截面上發(fā)生最大剪應(yīng)力，材料沿著這個(gè)平面發(fā)生滑移，出現(xiàn)滑移線。這一理論比較好的解釋了塑性材料出現(xiàn)塑性變形的現(xiàn)象。形式簡(jiǎn)單，但結(jié)果偏于安全。第四強(qiáng)度理論認(rèn)為形狀改變比能是引起材料流動(dòng)破壞的主要原因。結(jié)果更符合實(shí)際。一般

41、脆性材料，鑄鐵、石料、混凝土，多用第一強(qiáng)度理論?？疾旖^對(duì)值最大的主應(yīng)力。一般材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，以流動(dòng)形式破壞時(shí)，應(yīng)該采用第三或第四強(qiáng)度理論。壓力容器上用第三強(qiáng)度理論（安全第一），其它多用第四強(qiáng)度理論。因?yàn)榍S是塑形材料，故利用有限元分析時(shí)采用米賽斯應(yīng)力理論進(jìn)行分析。單拐曲軸的應(yīng)力如圖5-2，圖5-3和圖5-4所示：我們可以得到最大應(yīng)力的大小為291Mpa，其節(jié)點(diǎn)的編號(hào)為11616. 圖5-2 單拐曲軸正面應(yīng)力分布云圖 圖5-3 單拐曲軸曲柄臂處應(yīng)力分布云圖 圖5-4 單拐曲軸圓角處應(yīng)力分布云圖 為了對(duì)比，本文還對(duì)另外一種情況的邊界支撐條件進(jìn)行分析，其具體的約束條件為左端面限制其三個(gè)

42、方向的旋轉(zhuǎn)自由度，對(duì)連桿軸頸兩側(cè)的主軸頸的下周線的部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行除軸向外的移動(dòng)自由度的限制。其計(jì)算結(jié)果如圖5-5所示。 圖5-5 曲軸改變邊界條件后應(yīng)力分布云圖 從圖5-5中可以看出，最大應(yīng)力提高了很多，因?yàn)檫x取約束是只約束主軸頸的下軸線的節(jié)點(diǎn)，造成力都集中到這上面去，從而應(yīng)力得到大幅的提高。與實(shí)際的約束又一定的差距，所以取第一種約束更為合適。§5.3曲軸強(qiáng)度校核 根據(jù)文獻(xiàn)2的靜強(qiáng)度公式，安全系數(shù) n= （5-1） 將本文曲軸材料的=900Mpa和有限元計(jì)算的最大應(yīng)力=291Mpa代入式（5-1）中，得到安全系數(shù)n=3.0928.該值大于文獻(xiàn)8中的最小安全系數(shù)的值1.5，因此可以達(dá)到靜

43、強(qiáng)度的要求。從曲軸有限元應(yīng)力分析結(jié)果中可以看出, 在連桿頸及主軸頸過(guò)渡圓角處都有較大集中應(yīng)力, 最危險(xiǎn)部位是短端主軸頸和曲柄臂之間過(guò)渡圓角, 裂紋由圓角處應(yīng)力集中產(chǎn)生, 向曲軸臂發(fā)展, 導(dǎo)致曲柄臂斷裂。上述情況得到的應(yīng)力變化趨勢(shì)、危險(xiǎn)點(diǎn)與有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道也是一致的。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮連桿頸及主軸頸過(guò)渡圓角。第六章 結(jié) 論 本文在ANSYS中對(duì)TBD235V6柴油機(jī)曲軸進(jìn)行了建模、有限元分析，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論： 1、曲軸整體結(jié)構(gòu)三維有限元計(jì)算是曲軸強(qiáng)度分析的最合理的模型。網(wǎng)格的劃分及單元選擇對(duì)有限元分析結(jié)果有較大的影響。與傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化方法相比計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)際情況。本文的計(jì)算結(jié)果在連桿頸及主

44、軸頸過(guò)渡圓角處，與曲軸的最險(xiǎn)斷面與實(shí)際情況吻合,經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)證明:有限元法計(jì)算的數(shù)值是正確的、有效的，它使人們對(duì)零部件關(guān)鍵參數(shù)的理解和設(shè)計(jì)更進(jìn)了一步。從而使設(shè)計(jì)周期更短，費(fèi)用更低，質(zhì)量更高。 2、危險(xiǎn)斷面發(fā)生在曲軸圓角處,扭轉(zhuǎn)作用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸應(yīng)力值的影響較小，因此提高安全系數(shù)簡(jiǎn)單有效方法是對(duì)圓角的優(yōu)化。 3、采用彈簧單元模擬主軸承對(duì)主軸頸的支承,其視為剛性支承帶來(lái)的誤差,計(jì)算模型更接近實(shí)際元計(jì)算分兩步的計(jì)算方法避免了應(yīng)力失真,能夠準(zhǔn)確曲軸的應(yīng)力分布。 4、本文將有限元方法引入所研究的柴油機(jī)曲軸強(qiáng)度分析中疲勞強(qiáng)度分析當(dāng)中,并對(duì)柴油機(jī)的曲軸進(jìn)行了三維疲勞強(qiáng)度分析,得到了曲軸應(yīng)力應(yīng)變的分布情況,所得的應(yīng)力分布規(guī)律與實(shí)際為吻合。并進(jìn)一步利用所得到的有限元分析結(jié)果,利用常規(guī)的校驗(yàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全性的方法,計(jì)算了曲軸在交變載荷下的安全系數(shù),結(jié)果表明該柴油機(jī)的曲軸能夠滿足疲勞強(qiáng)度要求。本文工作將為TBD235V6柴油機(jī)曲軸的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).