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2D25柴油机曲轴有限元分析


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摘要
如果把发动机比喻为汽车“心脏”的话,曲轴则是汽车“心脏中的心脏”。它的尺寸 参数还影响着发动机整体尺寸和重量,在很大程度上影响着发动机的可靠性。作为发 动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件,它在复杂工况下的结构损坏会导致整个 发动机中其他零部件的损坏。曲轴在工作中要承受交变载荷所引起的弯曲和剪切应 力,对疲劳、耐磨和强度等性能指标都

有非常高的要求。与此同时,曲轴在周期变化 的载荷下容易导致产品疲劳破坏,为了了解曲轴在工作过程中的动态特性,有效规避 曲轴工作状态的共振频率,有必要对曲轴进行固有频率分析。因此曲轴结构优化设计 和模态及结构强度的分析对曲轴来说极其重要。 对此,针对2D25柴油机曲轴的设计要求,使用西门子NX7.5软件绘制出曲轴的三 维实体模型,并运用西门子NX7.5软件对其进行了有限元网格的划分,对曲轴的强度 和模态进行三维有限元分析, 在强度分析中通过计算其体力和连杆惯性力计算出连杆 力,由此得到曲柄销所受的最大压力,在高级仿真中通过对曲轴约束后在120° 面上施 加最大压力, 通过UG 计算得出曲轴在最大压力下的变形和位移。 以此求出安全系数, 进行强度校核。对于曲轴模态分析,计算前10阶的频率下发生共振的分析,去掉前6 阶为零的,分析后4阶发生共振时的变形和频率,以此来得到该曲轴的最低共振频率, 有效规避曲轴工作状态的共振频率,提高曲轴的使用寿命。 通过对曲轴模态和强度的有限元分析,可获得如下结果:曲轴的最低固有频率值 为554.8Hz,弯曲和扭转为主要变形形式,曲柄臂和主轴颈、曲柄臂和连杆轴颈相连 处是曲轴振动中危险部位。曲轴的最大形变位于曲柄销轴颈中央,最大形变为0.0273 mm,曲轴的最大应力为66.335 M Pa ,位于曲轴的过渡圆角区。通过计算曲轴的应 力和应变都在材料的设计要求范围之内。

关键词:柴油机

曲轴

结构设计

模态分析

有限元法

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Abstract
If engine was called as the heart of the car ,crankshaft would be heart of the heart.It is not only the key part to be considered to decide whether an engine needs a completerepairs or not,but the one whose size parameters greatly decide the size and weight of the whole. As the partment which endure impact force and transferPower.The structural manglement at the complex working condition will lead to Manglemen of other partments in engine.It endure bend and shear stress from alternated force be in work.So ,it is so important for crankshaft to ensure tiredness、 wearable and intensity. In its rotation speed range, alternating load may cause the resonance of crankshaft system, which will lead to the bending fatigue damage and twisting fatigue damage of crankshaft. So it is necessary to analyze the dynamiccharacteristics of the crankshaft. In a word ,It is necessary for Crankshaft to optimize structure、analyze the dynamic characteristics and intensity. Withal,aiming at requirement of 2D25 diesel engine`s crankshaft designment, adopted siemens NX7.5 software to make the three-dimensional modle of crankshaft.and used siemens NX7.5analysis software to make Finite element reseau `s plot.Making intensity and dynamic characteristics `s three-dimensional analysis of crankshaft.in analysis of crankshaft`s intensity,through calculating force of gas and flail` inertia to get the max flail`force of crank pin.putting the max force at 120° space fo inhibit ed crank

pin ,which in luxurious simulation. According UG calculate the deformation and displacement to analysis the safety coefficient.at last ,get to intensity revise.to the anaysis of crankshaft` dynamic characteristics . calculating resonance frequency of frontal 10 Degree , deleting frontal 6 which shoud be 0.analysising the deformation and frequency of latter 4 Degree. According it to get the min resonance frequency, avoiding the min

resonance frequency of crankshafe be in work to make sure it can run safetily. Via Making intensity and dynamic characteristics `s three-dimensional analysis of crankshaft can get these results:The第 II 页 inherent frequency of crankshaft is 554.8Hz. minimal

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Bend and torsion are central transmutative form ,the joint of crank web and main journal、 crank web and flail`s journal are most dangerous partments in vibration of crankshaft. Maximal deformation appear at the center of crank pin`s journal,it is 0.0273 mm. Maximal stress appear at the transitional fillet,it is 66.335 M Pa .according to counting,the stress and deformation are in range of material design`s requirement. Key word : characteristics diesel engine crankshaft structure Designment dynamic

Finite element method

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目录
摘要 ........................................................................................................................................ I ABSTRACT ......................................................................................................................... II 第一章 绪论 ....................................................................................................................... 1 1.1 1.2 课题研究的背景和意义 ...................................................................................... 1 国内外研究的现状 .............................................................................................. 2 1.2.1 1.2.2 1.3 曲轴发展现状及发展趋势 ........................................................................ 2 曲轴有限元分析的发展现状及发展趋势 ................................................ 3

课题研究的内容 .................................................................................................. 8

第二章 理论基础和软件介绍 ........................................................................................... 9 2.1 理论基础 .............................................................................................................. 9 2.1.1 弹性力学 .................................................................................................... 9 2.1.2 编辑本段弹性力学中的基本假定 .......................................................... 10 2.1.3 求解方程组 .............................................................................................. 10 2.2 软件的简介 ........................................................................................................ 12 2.2.1 UG 软件模块简介 ................................................................................... 13 2.2.2 ABAQUS 简介 ......................................................................................... 15 第三章 结构设计与建模 ................................................................................................. 17 3.1 结构设计 ............................................................................................................ 17 3.1.1 结构型式与材料 ...................................................................................... 17 3 .1.2 主要尺寸比例 .......................................................................................... 18 3.1.3 润滑油孔的布置 ...................................................................................... 19 第V页

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3.2 三维实体建模 .................................................................................................. 21

第四章 自由模态分析和强度分析 ................................................................................. 24 4.1 2D25 柴油机的曲轴自由模态分析 .................................................................. 24 4.2 强度分析 ............................................................................................................ 26 4.2.1 三维有限元建模 ..................................................................................... 26

4.2.2 有限元网格划分 ...................................................................................... 27 4.2.3 4.2.4 边界条件处理 ......................................................................................... 27 三维有限元计算结果 ............................................................................. 28

4.2.5 轴颈受力计算 .......................................................................................... 28 第五章 总结与体会 ......................................................................................................... 33 5.1 5.2 模态分析总结 .................................................................................................... 33 强度分析总结 .................................................................................................... 33

第六章 致谢 ..................................................................................................................... 35 第七章 参考文献 ............................................................................................................. 37 附录一 :2D25 柴油机曲轴结构设计二维图 ................................................................. 40 附录二 :英语论文及翻译 ............................................................................................... 40

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第一章
1.1 课题研究的背景和意义
众所周知我们国家的汽车发展水平较发达国家落后了将近20年的时间, 毫无疑问 我们的技术水平远远落后于他们, 这样的现状使得作为汽车心脏的发动机在我国的发 展也变得缓慢,但在中国这个巨大的市场需求下发动机技术也在不断发展改善。 柴油发动机是燃烧柴油来获取能量释放的发动机。 它是由德国发明家鲁道夫迪塞 尔(Rudolf Diesel)于1892年发明的,为了纪念这位发明家,柴油就是用他的姓Diesel 来表示,而柴油发动机也称为狄塞尔发动机[1]。 柴油发动机的优点是功率大、经济性能好。柴油发动机的工作过程与汽油发动机 有许多相同的地方,每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个行程。但由于 柴油机用的燃料是柴油,其粘度比汽油大,不易蒸发,而其自燃温度却较汽油低,因 此可燃混合气的形成及点火方式都与柴油机不同。不同之处主要是,柴油发动机气缸 中的混合气是压燃的,而不是点燃的。柴油发动机工作时进入气缸的是空气,气缸中 的空气压缩到终点时,温度可达 500-700℃,压力可达 40—50 个大气压。活塞接近上 止点时,发动机上的高压泵以高压向气缸中喷射柴油,柴油形成细微的油粒,与高压 高温的空气混合, 柴油混合气自行燃烧, 猛烈膨胀, 产生爆发力, 推动活塞下行做功, 此时的温度可达 1900-2000℃,压力可达 60-100 个大气压,产生的功率很大,所以柴 油发动机广泛的应用于大型柴油汽车上[1]。 随着我国工业化得不断发展, 卧式柴油机由于固有的结构特点和应用面逐渐变得 广阔,在我国年需求量已经很大,并且是柴油机主要出口产品。它主要用于低速载货 汽车、农业机械、内河机动船、中小型工程机械、发电机组以及其他小型固定动力的 配套动力。与此同时,对卧式柴油机的动力性能、经济性能、运转性能和耐久可靠性 能提出了更高的要求。 由于卧式柴油机冷却方式和结构的限制,现有的卧式柴油机技术落后,发展速度 缓慢,因此迫切需要开发节能低排系列卧式柴油机,以满足现代低速载货汽车、农业 第1页 机械、内河机动船、中小型工程机械、发电机组以及其他小型固定动力的动力配套发

绪论

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展需求。 因此,通过通过对新一代卧式柴油机的开发研究变得极其重要,曲轴在发动机中 是一个具有复杂几何外形的大型元件, 将活塞的往复运动转化为四连杆机构的旋转运 动。发动机的旋转输出的动力是一种实际的能量,来自于发动机的线性位移但不是平 顺的移动是由于可燃气在燃烧室的燃烧能够被用于其他设备。 曲轴在不断变动移旋转 输出动力可以东给许多设备例如发电机,抽水机,压缩机。 曲轴一般由主轴颈,连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。主轴颈是曲 轴的支承部分,通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机 气缸数目有关,还取决于曲轴的支承方式。曲轴的支承方式一般有两种,一种是全支 承曲轴,另一种是非全支承曲轴。曲轴的连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分,通过曲 柄与主轴颈相连,在连接处用圆弧过渡,以减少应力集中。直列发动机的连杆轴颈数 目和气缸数相等。V型发动机的连杆轴颈数等于气缸数的一半[2]。 工作时,曲轴承受气体压力,惯性力及惯性力矩的作用,受力大而且受力复杂, 并且承受交变负荷的冲击作用。同时,曲轴又是高速旋转件,因此,要求曲轴具有足 够的刚度和强度,具有良好的承受冲击载荷的能力。所以对曲轴的结构进行优化设计 和有限元分析对曲轴整体性能的提升有着极大的意义。

1.2 国内外研究的现状
1.2.1 曲轴发展现状及发展趋势 如果把发动机比喻为汽车“心脏”的话,曲轴则是汽车“心脏中的心脏”。作为发动 机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件,曲轴在工作中要承受交变载荷所引起的弯 曲和剪切应力,对疲劳、耐磨和强度等性能指标都有非常高的要求,所以,在曲轴生 产上。对材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等 要求都十分严格。如果其中任何一个环节质量没有得到保证,就可严重影响曲轴的使 用寿命和发动机的可靠性,进而影响汽车整车的质量乃至使用寿命[6]。 目前, 车用发动机曲轴材质有球墨铸铁和锻钢两类。由于球墨铸铁的切削性能良 好,可获得较理想的结构形状,且和中小马力段的锻钢曲轴一样.可以通过各种热处 第2页 理和表面强化处理来提高曲轴的抗疲劳强度、硬度和耐磨性,尤其是成本只有调质钢

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曲轴的1/3左右,所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛应用。资料表明,车用发动 机曲轴采用球铸铁材质的比例在美国为90% ,英国为85%,日本为60%,此外,德 国、比利时等国家也已大批量采用。 因为国内球墨铸铁工艺技术水平与国外的差异. 车用发动机曲轴采用球墨铸铁在 不同车型上有所区别:汽油机曲轴多数采用锻钢曲轴,中小型功率柴油机曲轴85%以 上采用球墨铸铁.功率在160kW以上的发动机曲轴多采用锻钢曲轴。 重型货车的狂飙性增长,牵引着曲轴“铸”升“锻”的快跑步伐。重型载货车所需发 动机功率越来越大,已从180~220kW发展到3oo~450kW.曲轴质量也从60kg增加到 175kg.目前国内最大的汽车模锻曲轴质量已达2OOkg。随着发动机功率增大和转速 提高,对曲轴金相组织和力学性能提出更高的要求, 并且形状越来越复杂,精度要求也越来越高。这是因为,曲轴大部分是由于弯曲 疲劳而损坏,锻钢曲轴的最大优点是钢材具有较高的弯曲疲劳强度,而且基本上与抗 拉强度成正比, 而球墨铸铁曲轴由于存在石墨孑L穴、 磷化物与合金元素的晶界偏析, 因此其疲劳强度较低,而不与抗拉强度成正比。美国福特汽车公司试验证明,对于同 样的曲轴和连杆颈支撑面宽度,铸造曲轴的寿命只有锻造曲轴的一半。 从技术层面分析, 随着高功率、 低油耗、 低排放的要求。 发动机的爆发压力从8~ 9MPa上升到12MPa,甚至14MPa,球墨铸铁曲轴难以承受,这也是锻造曲轴比例上 升的原因之一。无论是理论上技术水平提升的需要.还是实际上用于大马力柴油机装 机的曲轴数量都充分表明.曲轴“铸”升“锻”的趋势日益明显。 1.2.2 曲轴有限元分析的发展现状及发展趋势

随着现代科学技术的发展,人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的 建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这一切都要 求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能,需要对结构的静、动 力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。例如分析计 算 高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响,看看是否会发生破坏性事故;分析计 算核反应堆的温度场,确定传热和冷却系统是否合理;分析涡轮机叶片内的流 体动 力学参数,以提高其运转效率。这些都可归结为求解物理问题的控制偏微分方程式往 第3页 往是不可能的。近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限 元分析

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(FEA,Finite Element Analysis)方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了 有效的途径。我国在"九五"计划期间大力推广CAD技术,机械行业大中型企业CAD 的普 及率从"八五"末的20%提高到目前的70%。 随着企业CAD应用的普及, 工程技术 人员已逐步甩掉图板,而将主要精力投身如何优化设计,提高工程和产品质 量,计 算机辅助工程分析(CAE,Computer Aided Engineering)方法和软件将成为关键的技 术要素。 在工程实践中, 有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生了质 的飞跃,主要表现在以 下几个方面: a. 增加设计功能,减少设计成本; b.缩短设计和分析的循环周期; c.增加产品和工程的可靠性; d.采用优化设计,降低材料的消耗或成本; e.在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题; f.模拟各种试验方案,减少试验时间和经费; g.进行机械事故分析,查找事故原因。 在大力推广CAD技术的今天, 从自行车到航天飞机, 所有的设计制造都离不开有 限元分析计算,FEA在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。下图是美国旧金 山海湾大桥地震响应计算的有限元分析模型。 发展方向及重大进展国际上早20世纪在50年代末、 60年代初就投入大量的人力和 物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航 局 (NASA)在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有 限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本,是目前世界上规 模最大、功能最 强的有限元分析系统。从那时到现在,世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模 较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件,主要 有德国的ASKA、 英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、 BOSOR、COSMOS、 ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。当今国际上FEA 方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征: (1)从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题有限元分析方法最早是 第4页 从结构化矩阵分析发展而来,逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析,实践

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证明这 是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明,只要用于离散 求解对象的单元足够小,所得的解就可足够逼近于精确值。所以近年来有限元方法已 发展 到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算,最近又 发展到求解几个交叉学科的问题。例如当气流流过一个很高的铁塔产生变形,而塔的 变 形又反过来影响到气流的流动,这就需要用固体力学和流体动力学的有限元分析 结果交叉迭代求解,即所谓"流固耦合"的问题。 (2)由求解线性工程问题进展到分析非线性问题随着科学技术的发展,线性理 论已经远远不能满足设计的要求。例如建筑行业中的高层建筑和大跨度悬索桥的出 现,就要 求考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题;航天和动力工程的高温 部件存在热变形和热应力,也要考虑材料的非线性问题;诸如塑料、橡胶和复合材料 等各种 新材料的出现,仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题,只有采用非线 性有限元算法才能解决。众所周知,非线性的数值计算是很复杂的,它涉及到很多专 门的 数学问题和运算技巧,很难为一般工程技术人员所掌握。为此近年来国外一些 公司花费了大量的人力和投资开发诸如MARC、 ABQUS和ADINA等专长于求 解非线 性问题的有限元分析软件,并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效 的非线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库。 (3) 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能早期有限元分析软件的研究重 点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。随着数值分析方法的逐步完善,尤 其是计 算机运算速度的飞速发展,整个计算系统用于求解运算的时间越来越少,而 数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。在现在的工程工作站上,求解一个包含 10 万个方程的有限元模型只需要用几十分钟。 但是如果用手工方式来建立这个模型, 然后再处理大量的计算结果则需用几周的时间。 可以毫不夸张地说, 工程师在分析 计 算一个工程问题时有80%以上的精力都花在数据准备和结果分析上。 因此目前几乎所 有的商业化有限元程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。 在强调" 可视化"的今天,很多程序都建立了对用户非常友好的GUI(Graphics User Interface), 使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分,生成有限元分析所需数据, 并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布云 图,便于极值搜索和所需数 第5页 据的列表输出。

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(4)与CAD软件的无缝集成当今有限元分析系统的另一个特点是与通用CAD软件 的集成使用 即,在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后,自动生成有限元网格并 进行计算,如果分析的结果不符合设计要求则重新进行造型和计算,直到满意为止, 从而 极大地提高了设计水平和效率。今天,工程师可以在集成的CAD和FEA软件环境 中快捷地解决一个在以前无法应付的复杂工程分析问题。所以当今所有的商业化 有 限元系统商都开发了和著名的CAD软件 (例如Pro/ENGINEER、 Unigraphics、 SolidEdge、 SolidWorks、 IDEAS、Bentley和AutoCAD等)的接口。 (5)在Wintel平台上的发展早期的有限元分析软件基本上都是在大中型计算机 (主要是Mainframe)上开发和运行的,后来又发展到以工程工作站 (EWS, Engineering WorkStation)为平台,它们的共同特点都是采用UNIX操作系统。PC机的 出现使计算机的应用发生了根本性的变化,工程师渴望在办公桌上完成复 杂工程分 析的梦想成为现实。但是早期的PC机采用16位CPU和DOS操作系统,内存中的公共 数据块受到限制, 因此当时计算模型的规模不能超过1万阶方 程。 Microsoft Windows 操作系统和32位的Intel Pentium处理器的推出为将PC机用于有限元分析提供了必需 的软件和硬件支撑平台。 因此当前国际上著名的有限元程序研究和发展机构都纷纷将 他们的软件 移值到Wintel平台上。下表列出了用ADINA V7.3版在PC机的Windows NT环境和SGI工作站上同时计算4个工程实例所需要的求解时间。从中可以看出最新 高档PC机的求解能力已和中低档的EWS不相上下。 国内发展情况和前景1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进 移植成功,掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。这个高潮 一直 持续到1981年ADINA非线性结构分析程序引进,一时间许多一直无法解决的工程难 题都迎刃而解了。大家也都开始认识到有限元分析程序的确是工程师 应用计算机进 行分析计算的重要工具。但是当时限于国内大中型计算机很少,大约只有杭州汽轮机 厂的Siemens7738和沈阳鼓风机厂的IBM4310安 装有上述程序,所以用户算题非常不 方便,而且费用昂贵。PC机的出现及其性能奇迹般的提高,为移植和发展PC版本的 有限元程序提供了必要的运行平台。可以 说国内FEA软件的发展一直是围绕着PC平 台做文章。在国内开发比较成功并拥有较多用户(100家以上)的有限元分析系统有 第6页 大连理工大学工程力学系的 FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84、中国

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农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MFEP4. 0等。 但正如上面所述, 国外很多著名的有限元分析公司已经从前些年对PC平台不屑一顾转变为热衷发展, 对国内FEA程序开发者来说发展PC版本不再具有优 势,而应该从下面几方面加以努 力: a. 研究开发求解非固体力学和交叉学科的FEA程序经过几十年的研究和发展, 用 于求解固体力学的有限元方法和软件已经比较成熟, 现在研究的前沿问题是流体动力 学、可压缩和不可压缩流体的流动等非固体力学和交叉学科的问题。由于国内没有类 似功能的商品化软件,所以国外的软件就卖得非常贵。为了破这种垄断局面,我 们 必须发展有自主版权、用于分析流体等非固体力学和交叉学科的软件。因为流体力学 问题远比固体复杂得多,而且很少有现成的软件可以借鉴,所以需要投入大量 的人 力和经费。这就必须有国家和大型企业集团来支持。 b. 开发具有中国特色的自动建模技术和GUI开发建模技术和GUI的投入比前述 课题要少得多, 但却可以大大提高FEA软件的性能和用户接受程度, 从而起到事半 功 倍的效果。国内不少人在这方面做了很多工作,但是由于当时PC机上的图形支撑环 境有限,所以开发的效果都不甚理想。Windows中提供了OpenGL 图形标准,为在PC 机上应用可视化图形技术开发GUI提供了强有力的工具。OpenGL是当今国际上公认 的高性能图形和交互式视景处理标准,应用它开发出 来的三维图形软件深受专业技 术人员的钟爱,目前世界上占主导地位的计算机公司都采用了这一标准。正如前面所 述,近年来国外有的FEA程序已抛开仿真软件, 直接在Windows平台上开发有限元 程序。杭州自动化技术研究院1997-1999年采用OpenGL图形标准和相应的Visual C++ 等编程工具,在PC机上成功地开发了一套可视化有限元程序包。它能直观地通过对" 菜单"、"窗口"、"对话框"和"图标"等可视图形画面和符号的操 作,自动建立有限元 分析模型,并以交互方法式实现计算结果的可视化处理,因而可大大提高有限昂分析 的效率和精确性,也便于用户学习和掌握。3. 与具有我国自主版权的CAD软件集成 前面已经讲过, 当今有限元方法的一个重要特点是和CAD软件的无缝集成。 作为我国 自行开发的FEA程序,首先要考虑和 我国自主版权的CAD软件集成。因为有限元分 析主要用于形状比较复杂的零部件, 所以要和具有三维造型功能和CAD软件集成, 使 第 设计和分析紧密结合、融为一体。 7 页

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本研究用UG有限元分析软件对2D25卧式柴油机曲轴建立了三维有限元模型,对 整体曲轴进行了静力学分析,得出最大应力值,从而进行了疲劳强度校核。对曲轴两 种情况下的模态分析,得出各阶振型和频率,为其动力学分析奠定了基础[10]。

1.3

课题研究的内容
采用西门子 NX7.5 软件建立2D25卧式柴油机曲轴三维模型; 研究柴油机曲轴设

计过程的关键参数及其参数的确定;采用ABAQUS 软件计算分析2D25 柴油机曲轴 平衡性等相关参数,通过分析所得数据对2D25曲轴进行优化改进,最终设计2D25卧 式柴油机曲轴,并使用UG 导出曲轴的二维图。主要有四个部分: (1)2D25卧式柴油机曲轴的结构设计研究 包括了结构形式和材料、主要尺寸比例和润滑油孔的布置等内容。 (2)2D25卧式柴油机曲轴三维模型的建立 (3)2D25卧式柴油机曲轴的强度度分析 包括了三维有限元建模、有限元网格划分、边界条件处理和三维有限元计算 结果等内容。 (4)2D25卧式柴油机曲轴的模态分析

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第二章
2.1
2.1.1

理论基础和软件介绍

理论基础
弹性力学

在本次 2D25 柴油机曲轴的结构优化设计和有限元分析中,最主要的理论基础就 是弹性力学。弹性力学也称弹性理论,主要研究弹性体在外力作用或温度变化等外界 因素下所产生的应力、应变和位移,从而解决结构或机械设计中所提出的强度和刚度 问题。在研究对象上,弹性力学同材料力学和结构力学之间有一定的分工。材料力学 基本上只研究杆状构件; 结构力学主要是在材料力学的基础上研究杆状构件所组成的 结构,即所谓杆件系统;而弹性力学研究包括杆状构件在内的各种形状的弹性体。 弹性力学所依据的基本规律有三个:变形连续规律、应力-应变关系和运动(或平 衡)规律,它们有时被称为弹性力学三大基本规律。弹性力学中许多定理、公式和结 论等,都可以从三大基本规律推导出来。 连续变形规律是指弹性力学在考虑物体的变形时,只考虑经过连续变形后仍为 连续的物体,如果物体中本来就有裂纹,则只考虑裂纹不扩展的情况。这里主要使用 数学中的几何方程和位移边界条件等方面的知识。 求解一个弹性力学问题,就是设法确定弹性体中各点的位移、应变和应力共 15 个函数。从理论上讲,只有 15 个函数全部确定后,问题才算解决。但在各种实际问 题中,起主要作用的常常只是其中的几个函数,有时甚至只是物体的某些部位的某几 个函数。所以常常用实验和数学相结合的方法,就可求解。 数学弹性力学的典型问题主要有一般性理论、柱体扭转和弯曲、平面问题、变截 面轴扭转,回转体轴对称变形等方面。 在近代,经典的弹性理论得到了新的发展。例如,把切应力的成对性发展为极 性物质弹性力学;把协调方程(保证物体变形后连续,各应变分量必须满足的关系)发 展为非协调弹性力学;推广胡克定律,除机械运动本身外,还考虑其他运动形式和各 种材科的物理方程称为本构方程。对于弹性体的某一点的本构方程,除考虑该点本身 第9页

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外还要考虑弹性体其他点对该点的影响,发展为非局部弹性力学等。 2.1.2 编辑本段弹性力学中的基本假定 (1).假定物体是连续的,就是假定整个物体的体积都被组成这个物体的介质所填 满,不留下任何空隙。 (2).假定物体是完全弹性的,就是假定物体完全服从胡克定律——应变与引起该 应变的那个应力分量成比例。 (3).假定物体是均匀的,就是整个物体是由同一材料组成的。 (4).假定物体是各向同性的,就是物体内一点的弹性在所有各个方向都相同。 (5).假定位移和形变是微小的。 2.1.3 求解方程组 在各向同性线性弹性力学中,为了求得应力、应变和位移,先对构成物体的材料 以及物体的变形作了五条基本假设,即:连续性假设、均匀性假设、各向同性假设、 完全弹性假设和小变形假设,然后分别从问题的静力学、几何学和物理学方面出发, 导得弹性力学的基本方程和边界条件的表达式。 直角坐标系下的弹性力学的基本方程为平衡微分方程:
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2 ?1 ? ? E 2 ?1 ? ? E 2 ?1 ? ? E

? ? ?

yz

xz

xz

xy

xy

? ? ? z ?? ? ?? ? ?? ? ?y ? ?? ? 弹 性 力 学 公 式 ( 3) ? ? ? ? ? ? ? ?

?? ? ?

?

(1)式中的σ x、σ y、σ z、τ yz=τ zy、τ xz=τ zx、τ xy=τ yx 为应力分量, X、Y、Z 为单位体积的体力在三个坐标方向的分量;(2)式中的 u、v、w 为位移 矢量的三个分量(简称位移分量) ,ε x、ε y、ε z、γ yz、γ xz、γ xy 为应变 分量;(3)式中的 E 和 v 分别表杨氏模量和泊松比,则边界条件为:
? ? ? ? ? Y = ? xy l ? ? y m ? ? zy n ? 弹 性 力 学 公 式 ( 4 ) ? ? Z = ? xz l ? ? yz m ? ? z n ? ? ? X = ? x l ? ? yx m ? ? zx n
?

这里的 塣、墏、墫表示作用在物体表面的单位面积上的面力矢量的三个分 量,l、m、n 表示物体表面外法线的三个方向余弦。 如物体表面位移ū、堸、塐已知,则边界条件表示为 u=ū,v=堸,w=塐 这样就将弹性力学问题归结为在给定的边界条件下求解一组偏侮分方程的 问题。 主要解法式(1)、(2)、(3)中有 15 个变量,15 个方程,在给定了边界条件 后,从理论上讲应能求解。但由(2)、(3)式可见,应变分量、应力分量和位移 第 11 页 分量之间不是彼此独立的,因此求解弹性力学问题通常有两条途径。其一是以

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位移作为基本变量,归结为在给定的边界条件下求解以位移表示的平衡微分方 程,这个方程可以从(1)、(2)、(3)式中消去应变分量和应力分量而得到。其二 是以应力作为基本变量,应力分量除了要满足平衡微分方程和静力边界条件外, 为保证物体变形的连续性,对应的应变分量还须满足相容方程:
? ? 2 2 ?y ?z ?y?z ? 2 2 2 ? ? ?x ? ?z ? ? xz ? ? ? 2 2 ?z ?x ?x?z ? 2 2 2 ? ? ?y ? ?x ? ? xy ? ? ? 2 2 ?x ?y ?x?y ? ? ? 弹 性 力 学 公 式 ( 5) 2 ? ? yz ? ? xz ? ? xy ? ? ?x ? ? ? ? ? ?? ?? 2 ?x ? ?x ?y ?z ? ?y?z ? ? 2 ? ?y ? ? ? ? ? yz ? ? xz ? ? xy ? ? ? ? ?? 2 ?y ? ?x ?y ?z ? ?x?z ? ? 2 ? ?z ? ? ? ? ? yz ? ? xz ? ? xy ? ? ? ? ? ?? 2 ?z ? ?x ?y ?z ? ?x?y ? ? ? ?z
2 2 2

?

? ?y

?

? ?

yz

这组方程由几何方程消去位移分量而得到。对于不少具体问题,上述方程还 可以简化。 在弹性力学中, 为克服求解偏微分方程(或方程组)的困难, 通常采用试凑法, 即根据物体形状的几何特性和受载情况,去试凑位移分量或应力分量;由弹性 力学解的唯一性定理,只要所试凑的量满足全部方程和全部边界条件, 即为问 题的精确解。

2.2 软件的简介
UG 在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领 域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的应用。UG 具 有丰富的曲面 建模工具。包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正交曲线的 自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次 第 12 页

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曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、 曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑。UG 进入中国已经有九个年头了,其在中国 的业务有了很大的发展,中国已成为远东区业务增长最快的国家。几年来,UG 在中 国的用户已超过800 家,装机量达到3500 多台套。 2.2.1 UG 软件模块简介 CAD 模块——UG 软件在CAD 方面的建模和造型分为两个模块一实体造型和 自由曲面造型。在造型功能方面,除其他软件所具有的通 用功能外,它还拥有灵活的复合建模、齐备的仿真照相、细腻的动画渲染和快速 的原型工具,仅复合建模就可让用户在实体建模、曲面建模、线框建模和基于特征的 参数建模中任意选择,使设计者可根据工程设计实际情况确定最佳建模方式,从而得 到最佳设计效果。在加工功能方面,UG 件针对计算机辅助制造的实用性、适应性和 效能性,通过覆盖制造过程,实现制造的自动化、集成化和用户化,从而在产品制造 周期、产品制造成本和产品制造质量诸方面都给用户提供了极大的收益。 CAE 模块——UG/CAE 分析模块主要包含结构模拟和运动分析,以及其他的仿 真模块。其中,结构模拟指包括UG/Scenario for FEA 和CG/Scenario for ANISYS 以 及UG/FEA;其中UG/Scenario for FEA 和UG/Scenario for ANSYS 是进行前处理和后 处理,UG/FEA是植入式的有限元求解器。通常,用户可以在叹;环境内利用叹;强大 的CAD 功能对零件和装配过程进行创建、修改、更新等操作,并将几何模型转换成 所需要的有限元模型。 CAM 模块——在UG 的发展过程中,CAM.直是加工业者最可靠的工件伙伴。 它不仅提供可靠、精确刀具路径,更让NC 编程人员可以随心所欲地设计出心目中最 有效率的加工程序。去年CIMdata 的调查报告指出,EDSUG 被视为所有CAM 件供 应商中的最强大的竞争对手。UG/CAM 有很多特点:提供可靠、精确的刀具路径; 能直接在曲面及实体上加工;良好的用户界面,并允许使用者能依工作上的需要,定 制用户界面;提供多样性的加工方式,方便呢编程人员设计各种高效率的刀具路径; 提供完整的刀具库及加工参数库管理功能,使新进人员能充分利用资深人员的经验, 设计优良的刀具路径; 提供通用型后处理功能, 产生各种NC 加工机适用的NC 程序。 第 13 页

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通过新模块UG 知识融合(UG/Knowledge Fusion)能够快速和方便地添加公司独 特的知识,如工程规则等去驱动一个模型或建立实制的过程向导和助理,使基于知识 工程的环境能直接进入UG 的核心。UG 公司通过改变工作模式提高工作效率,改变 用户对软件的使用方便性。主要体现在如下几个方面:从串行工程转变到扩展企业范 围的并行工程(处用UG/in-KEY); 从零件的参数化建模转变到产品的参数化建模(利用 UG/Wave);从基于二维工程图纸的开发过程转变到以三维实体模型为中心的开发过 程(利用主模型方法)。另外UG还具有很多特点: 1)具有统一的数据库,真正实现了CAD/CAE/CAM 等各模块之间的无数据交换 的自由切换,可实施并行工程。 2)采用复合建模技术,可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与 参数化融为一体。 3)用基于特征(如孔、凸台、型胶、槽沟、倒角等)的建模和编辑方法作为实 体造型基础,形象直观,类似于工程师传统的设计办法,并能用参数驱动。 4)曲面设计采用非均匀有理B 样条作基础,可用多种方法生成复杂的曲面,特 别适合于汽车外形设计、汽轮机叶片设计等复杂曲面造型。 5) 出图功能强, 可十分方便地从三维实体模型直接生成二维工程图。 能按ISO 标 准和国标标注尺寸、形位公差和汉字说明等。并能直接对实体做旋转剖、阶梯剖和轴 测图挖切生成各种剖视图,增强了绘制工程图的实用性。 6)以Parasolid 为实体建模核心,实体造型功能处于领先地位。目前著名 CAD/CAE/CAM软件均以此作为实体造型基础。 7)提供了界面良好的二次开发工具GRIP(GRAPHICAL INTERACTIVE PROGRAMING) 和UFUNC (USER FUNCTION) 并能通过高级语言接口, , 使UG 的 图形功能与高级语言的计算功能紧密结合起来。 8)具有良好的用户介面,绝大多数功能都可通过图标实现;进行对象操作时具 有自动推理功能;同时,在每个操作步骤中,都有相应的提示信息,便于用户做出正 确的选择。 第 14 页

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2.2.2 ABAQUS 简介 ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件,其解决问题的范围从相对简 单的线性分析到许多复杂的非线性问题。 ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何 形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库,可以模拟典型工程材料的性能,其中 包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及 土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具, ABAQUS 除了能解决大量结构(应力 / 位移)问题,还可以模拟其他工程领域的许多问题,例如热传导、质量扩散、热电 耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透 / 应力耦合分析)及压电介质分析。 ABAQUS 为用户提供了广泛的功能,且使用起来又非常简单。大量的复杂问题可 以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来。例如,对于复杂多构件问题的模拟是通 过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起来。 在大部分 模拟中,甚至高度非线性问题,用户只需提供一些工程数据,像结构的几何形状、材 料性质、边界条件及载荷工况。在一个非线性分析中, ABAQUS 能自动选择相应载荷 增量和收敛限度。他不仅能够选择合适参数,而且能连续调节参数以保证在分析过程 中有效地得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果。

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第三章
3.1 结构设计
3.1.1 结构型式与材料 几乎所有汽车发动机都采用全支承曲轴,其刚度比非支承的曲轴大得多,而且由 于支承跨距短,曲轴内弯矩小些,轴颈尺寸就可以相应的小些,又可降低轴承的摩擦 损失。随着轴瓦承载能力的提高,允许连杆轴颈长度缩短,因此采用全支承一般不会 引起发动机长度增加的问题。 汽车发动机的曲轴又几乎全是整体式的, 只有个别转速较低的柴油机采用组合式 曲轴。其轴柄兼作装滚柱轴承的主轴颈,结构紧凑刚度好,而且用同一曲拐可装配成 不同缸数发动机的曲轴,便于产品系列化,也允许单独更换其中一个损坏的曲拐而不 必整根曲轴报废。但是其加工面多,制造精度要求高,滚动轴承贵,还限制发动机转 速提高。所以高速发动机不用这种结构。本次 2D25 柴油机曲轴采用整体式的曲轴结 构。 多数汽车发动机采用锻钢曲轴,汽油机和非增压柴油机一般采用 45 号钢,增压 柴油机则用合金钢。45 号钢曲轴至少要进行调质处理以提高材料的机械性能,各轴 颈表面还要进行感应淬火处理以提高耐磨性。淬火工艺应仔细控制,在图纸上应该标 明淬火区域、淬火深度和硬度,淬硬区边缘距离圆角的距离不应小于 2mm,以避免校 直时在圆角区出现裂纹。考虑到以后的修剪时的磨削余量,图纸上应该规定淬硬层深 度约为 2mm,硬度为 HRC50-60。 近来还有对曲轴进行进行氮化处理以提高疲劳极限的。 所有轴颈表面和圆角、油孔边缘都必须抛光,还可以对圆角进行滚挤压或喷丸等工艺 处理,这些都有助于提高曲轴的的疲劳极限。当曲轴采用合金材料时,由于合金材料 对缺口的敏感性较强,连曲轴臂表面也要进行精磨。 也有不少汽车 发动机的曲轴采用球墨铸铁或强度可锻铸铁材料。 对于曲轴来说, 以铸代锻不仅不需要专门设备,便宜,后加工量较小,而且还有一个特殊的好处,即 容易把曲轴做成应力分布方面比较较为理想的形状。 通过实验证明主轴颈中空可使曲 第 17 页

结构设计与建模

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柄销过渡圆角处的应力峰值减小,再加卸载槽,应力分布会更加均匀。曲柄销中空则 可以减轻主轴颈过渡圆角处的应力集中,并减小曲柄销离心力和主轴颈的离心载荷。 此外,铸铁曲轴的耐磨性也较好,经正火处理的铁球曲轴配巴士合金轴瓦已不需要将 轴颈淬硬,配铝基轴承是轴颈表面还要淬火和氮化。铸铁的内摩擦阻尼比钢大,在同 样的激振力矩下扭振振幅较小。在本次 2D25 柴油机曲轴材料的选择上我选择的是 Iron 60,他具有铸铁材料的一系列优秀特征,而且制造成本较小。 3.1.2 主要尺寸比例
曲轴各主要尺寸(与缸径的比值)

主轴颈 直径 D1 0.67-.080 长度 L1 0.40-0.45 内径 d1 0.5-0.7 直径 D2 0.6-0.7

曲柄销 长度 L2 0.35-0.45 内径 d2 0.4-0.6

曲柄臂 厚度 h 0.24-0.27 宽度 b 1.05-1.30

轴颈过渡圆 角半径 p 0.045

图 3-1 曲拐模型图

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表 3-1 发动机型号 型式 缸径× 行程(mm) 气缸数 气缸套型式 燃烧室型式 活塞排量(L) 吸气方式 压缩比 气门数量/缸 活塞冷却方式 标定转速(r/min) 标定功率/转速(kw/r/min) 最低燃油消耗率(g/kW.h) 最大扭矩/转速(N.m/r/min) 最大爆发压力(MPa) 平均有效压力(MPa) 2D25 柴油机的主要性能参数 2D25(自然吸气) 卧式,直列,水冷,四冲程 115× 120 2 湿式 直喷式缩口 ω 型燃烧室 2.49 自然吸气 17.5:1 2 飞溅冷却 2400 36.5/2400 ≤240 168/1600 ≤9 0.75

3.1.3 润滑油孔的布置

图 3-2 润滑油空设计思路图

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按照 2D25 柴油机设计参数要求出绘制的 2D25 柴油机曲轴二维图如下:

图 3-3 2D25 柴油机曲轴设计二维图

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3.2 三维实体建模

图 3-4 2D25 柴油机曲轴三维实体模型图

进入 UG 环境中建立好坐标系 坐标系的建立其中包括了坐标系的选择坐标系的选择 标系 坐标系的显示和保存 图层设置 置 对象的操作 对象的几何分析 接下来进入到草图环境中进行草图的绘制, 在这个过程中我们首先应该认真分析 我们所要建立三维实体模型的实体特征, 通过思考找到绘制的切入点或者绘图的基准 平面,这样对接下来的图形绘制会起到事半功倍的效果。在草图绘制环境中我们可以 进行各种基础操作,包含有曲线的绘制,其中包括:直线、圆弧和圆、直线和圆弧、 第 21 页 基本曲线、倒斜角、矩形、多边形等;来自体曲线的操作,其中豪阔:相交曲线、截 其中包括了对象的选择 显示和隐藏对象 对象的变换 和 其中包括了 工作图层的设置 图层试图可见性设置和图层类别设 坐标系的变化 工作坐

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面曲线和抽取曲线;曲线集的曲线,其中包括:偏置曲线、连接曲线、投影曲线、组 合投影和镜像曲线:曲线的编辑,其中包括:编辑曲线参数、修剪曲线、修剪角、分 割曲线、编辑圆角、拉长曲线、曲线长度、光顺样条、点和点集;草图约束,其中包 括:尺寸约束和几何约束 再来就是实体建模,在实体建模中我们主要用到的是 基本实体模型的建立,包括;长方体、圆柱、圆锥和球体 由曲线创建实体模型,其中包括:拉伸、回转、沿引导线扫略和管道设计。 布尔运算,其中包括:求差、求和和先交 再来就是模型编辑 基准的建立:基准平面、基准轴和基准CSYS 设计特征操作:空、凸台、腔体、凸垫、键槽和槽 细节特征操作:拔模、边倒圆、面倒圆、软倒圆、螺纹、抽壳、实体特征、镜像 特征和拆分体。 在本次 2D25 柴油机曲轴三维实体模型的建立过程中,通过分析其结构特点我采 用以与飞轮连接的断面为基准没对 2D25 柴油机曲轴进行三维实体模型的建立,大致 的建立过程是先建立基准平面坐标, 在上面绘制草图对草图进行旋转得到一个最开始 的实体,再此基础上绘制出在进行绘制各个部件的草图,并对其进行拉伸,镜像、隐 藏得到一个曲轴的大致模型,再来就是对这个模型进行一系列的拉伸求差、做孔、绘 制平面进行修剪体等一系列的工作。在这个绘图过程中遇到了两个很难的问题。一个 是油孔绘制,另一个是轴颈上的腔体的绘制。通过反复思考不能画出之后,我觉得请 教指导老师雷老师和一个在读研究生,在他们的帮助之下我的问题终于得到了解答, 他们一个适合用到面相交得到两条相切线,连接两侧两条线的中点,绘制工具直线绘 制出一条直线,在此基础上位置处一个平面 ,接着在平面上绘制一个矩形,这个工 程中用到偏置的命令。 进行回转得到实体, 最终于原有基本实体求差以后就得出油孔。

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图 3-5 本次 2D25 柴油机的曲轴润滑油孔设计图

在曲柄臂内腔体的设计过程中我采用的方法是先绘制出一半的模型, 在这个基础 上选择基准平面在上面绘制出四分之一的腔体形状,即四分之一的椭圆,最其进行旋 转得到一个半橄榄球形,与原有实体进行求差处理,在使用镜像特征命令得到对称的 另外一半,就可以得到一个完整的腔体。具体思路如下图所示:

图 3-6 腔体设计思路图

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第四章 自由模态分析和强度分析

4.1 2D25 柴油机的曲轴自由模态分析
曲轴是柴油机最重要、承载最复杂、价格最高的零部件之一。曲轴在周期性变化 的气体压力、往复和旋转运动引起的惯性力以及它们所引起的弯扭矩共同作用下, 有 可能在柴油机工作转速范围内发生强烈的扭转和弯曲共振, 动应力急剧增大, 致使曲 轴过早地出现疲劳破坏。曲轴在工作过程中既弯曲又扭转, 因此要求曲轴具有较高的 强度、刚度及良好的动态特性, 所以对曲轴动态特性的研究显得非常重要。 模态分析技术是现代机械结构动态设计和分析的基础, 是近年来迅速发展起来 的分析结构系统动态特性的强有力工具, 分析方法主要分为计算模态分析和试验模 态分析。计算模态分析主要从机械、结构的几何特性与材料特性等原始参数出发, 采 用有限元等方法得到系统的离散数学模型, 即质量矩阵和刚度矩阵, 然后通过求解特 征值问题, 确定系统的模态参数。与试验模态分析相比, 其突出优点是可以在设计前 期根据设计图纸来预测产品的动态性能, 分析振动、噪声的强度及其他动态响应, 缩 短开发周期, 降低成本, 提高产品质量; 接着在图纸设计阶段, 通过改变结构形状, 消除或抑制这些不良响应。缺点是边界条件难以确定, 以致建立的模型可能与实际状 态差异较大, 准确度不高。试验模态分析主要是将试验对象作为1 个系统, 给系统输 入1 个已知信号并测量出系统的响应( 输出) 信号, 然后根据输入、输出信号, 求出 系统的传递函数( 传递函数包含了被测系统的各种特征值) , 由传递函数确定系统的 模态参数。试验模态分析方法与计算模态分析相比, 具有不受结构形状限制、更接近 实际、高速、低成本、多功能、动态显示、便于结构修改等优点, 但在还没有形成实 物的设计阶段, 不能予以测量。计算模态分析和试验模态分析一定程度上具互补性, 两者有机地结合起来使用, 会取得更好的效果。

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表4-1 模态分析数据表 模态阶数 固有频率/Hz 7 554.8 8 728.6 9 753.5 10 1181

图3-7 按比列1:10放大的模态振形图

第 25 页 本研究将曲轴处于自由状态下来进行模态分析,即自由模态分析,在计算过程中

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求取前20 阶模态的振型,频率范围从554.8 Hz 至24880Hz,由于低频振动引起的曲 轴动应力较大,因此只列出了2 000 Hz 以下的频率和振型。由计算结果可知,在无 约束边界条件下的前6阶模态的固有频率都接近于0,可近似认为是刚体模态,因此真 正意义上的第1 阶模态是从第7 阶开始。频率分布如表1 所示,各阶自由模态振型。 由表1 可见,曲轴的模态分布较为密集,最低频率为554.8 Hz; 在500Hz到1200Hz 之 间共有4 阶模态,其中第8阶和第9 阶模态的固有频率比较接近,极易引起曲轴不同 振动间的耦合;由于柴油机低频段内激励较大,频率较低的第7 阶容易引起较大的动 态响应。在这个分析中可以看出曲轴在最低固有频率554.8Hz时发生了共振。在曲轴 的设计中应该尽量避免曲轴在这个频率出现共振变形。

4.2 强度分析
4.2.1 三维有限元建模

(1)实体模型的建立 为减少不必要的工作量,在曲轴实体造型时,将一些对分析结果影响较小的细微 结构根据计算要求作了适当的简化: a.根据以往计算经验,对曲轴体内小直径油孔、凸台等结构进行了简化处 理; b. 曲轴两端轴颈简化为简单的圆柱段; c. 曲轴的平衡块直接与曲臂做成一体,省去螺钉等零件。 为了精确模拟机体轴承座与曲轴主轴颈、 连杆大端与曲柄销的相互作用, 将机体、 连杆等部件根据刚度等效原则进行了适当简化,然后将曲轴、机体、连杆按装配关系 组合成装配体模型,其中机体轴承孔与曲轴主轴颈、连杆轴承孔与曲柄销轴颈定义为 相互接触关系,最后完成有限元分析实体。 (2)载荷的分析与处理 曲轴本身结构比较复杂,同时受到的载荷类型也比较多,如随转速不断变化的气 缸气体压力引起的作用力;各个运动部件的惯性力;轴系振动引起的应力;加工制造 和装配误差引起的轴系附加应力等。根据有限元分析软件的特点,在曲轴静力分析中 第 26 页 主要考虑气体力、惯性力等作用力,对曲轴振动应力、加工制造和装配误差引起的轴

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系附加应力和轴承的摩擦力等则不予考虑。首先进行气缸内工作过程的模拟计算,得 出一个工作循环内的缸内气体压力的变化曲线,然后进行动力学计算。按照力学等效 原则,将动力计算得到的连杆作用力(曲柄销上的作用力)按照各缸发火顺序和两排 气缸之间发火间隔角所决定的相位分别施加到各个曲柄销上。 施加载荷时,将曲柄销上受到的载荷等效施加在连杆杆身截面上,通过连杆与曲 柄销相互的接触关系来传递载荷;同样,机体轴承座与主轴颈之间的支承反力由相对 应的相互接触关系来确定。 曲轴的回转惯性力利用软件中施加回转体体载荷的方法处 理,即在曲轴施加回转角速度后,所有体单元得到等效节点体积力。 4.2.2 有限元网格划分

图3-8 曲轴有限元网格划分

由于曲轴结构比较复杂,在保证计算精度的前提下,为使网格质量较高、划分顺 利,同时从提高非线性边界接触问题模拟的精度、减小整个计算工作量的角度出发, 首先对曲轴进行了分区, 有针对性地将轴颈过渡圆角部位进行手动设置局部网格单元 尺寸,其余部分由程序按设定的全局网格单元尺寸划分,并自动实现疏、密网格间的 过渡。粗网格曲轴有限元网格。 4.2.3 边界条件处理 曲轴主轴颈所受的轴承支承反力、 连杆和曲柄销之间的相互作用力由预先定义的 间隙接触配合来模拟。 机体的底面和相邻两侧平面以及曲轴的输出端轴颈端面定义为 全约束。对连杆沿曲轴轴向的平动和杆身的转动也进行了约束。即x、y、z三个方向 上的位移固定,绕X、Z轴的旋转也进行约束,只让曲轴绕Y轴进行转动。 第 27 页

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图3-9 曲轴边界条件约束

4.2.4

三维有限元计算结果

对所建立的模型进行对应工况的有限元计算,对粗网格共计算720个曲轴转角工 况。从计算结果中找出所有曲轴转角工况中应力幅值最大的工况组合。确定出曲轴上 对应于这个工况组合的节点号及其在曲轴上的对应位置, 以及这个节点分别处于最大 应力状态和最小应力状态时所对应的曲轴转角, 即确定进行精细计算危险工况的曲轴 转角。然后根据粗网格的计算结果,对曲轴上局部应力比较大的部位再次将网格划分 得更细一些,同时将机体、连杆相应的网格作出调整,进行最后精细分析,计算出最 大应力和最小应力。从细网格的计算结果可以看出,最大主应力的应力幅的分布情况 与粗网格的计算结果一致,相邻曲臂的过渡圆角处,并且部位基本相同。 4.2.5 轴颈受力计算 用三维有限元法进行曲轴强度分析有限单元法是利用计算机进行的一种数值分 析法。它在工程技术领域中的应用十分广泛,儿乎所有的弹塑性结构静力学和动力学 问题都可用它求得满意的结果。有限元在 5 0 年代起源于航空工程中飞机结构的矩阵 分析。 结构矩阵分析认为一个结构可以看作是有限个力学小单元互相连接丽组成的集 合体,表征单元力学特性的刚发矩阵则可以比喻为建筑物中的砖瓦,装配在一起就能 第 28 页 提供整个结构的力学特性应用有限元法求解任意的连续体时, 应把连续的求解区域分

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割成有限个单元,并在每个单元上指定有限个节点,一般认为相邻单元在节点上连接 构成一组单元集合体,川以模拟或近近求解区域进行分析。有限单元法中最常用的是 位移法,即取结点位移作为基本未知量,有限单元根据分块近似的思想,假设一个简 单的函数(称为插值函数),近似地表示其位移的分布规律,再利用弹塑性理论中的变 分原理或其它方法,建立单元结点位移力和位移之间的力学特性关系,得到一组以结 点位移为未知量的代数方程组,从而求解结点的位移分量。因此,随着所取未知量的 不同,有所谓位移法、力法、杂交法和混合法之分。本文采用最为普遍的位移法。作 为基本未知量, 有限单元根据分块近似的思想, 假设一个简单的函数(称为插值函数), 近似地表示其位移的分布规律,再利用弹塑性理论中的变分原理或其它方法,建立单 元结点位移力和位移之间的力学特性关系, 得到一组以结点位移为未知量的代数方程 组,从而求解结点的位移分量““。因此,随着所取未知量的不同,有所谓位移法、力 法、杂交法和混合法之分。本文采用最为普遍的位移法。 气体力 P g ? ( pg ? po ) * F h 其中 po为曲轴箱气体的绝对压力,Fh是活塞投影

面面积又给出的2D25柴油机的数据可求的
Fh ? ? / 4 D
2

=10*(9-0.1)*10*3.14/4*11.5*11.5=92396.4 N

连杆惯性力 P j= -m j rw 2 (co s ? ? ? co s 2? ) 其中 ? =61/185=0.324 Mj=Mh+MA(Mh为活塞组质量 、MA为连杆小头质量)

图4-10 连杆小头

MA=0.34kg

Mh=1.879kg

通过对曲轴720° 转角进行分析 求取每个角度对应的连杆惯性力 第 29 页

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表4-2 连杆力的计算

连杆力 S ? ( Pg ? P j ) / co s ? 由表中分析数据可以知道,曲轴在转过608° 时第一曲拐收到的连杆力最大即
S m ax

=102223.6 N 所以第一轴颈所受到的最大主应力F=102223.6 N

于此同时第二轴颈受到的连杆力 S ' =-5383.19 N 由于第二轴颈所受到最大主应 力的分析方式与第一轴颈的方法一致,在这里我省略了对第二轴颈的计算。 所以最大主应力为102223.6 N.计算结果较为合理。

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图4-11受力位移变形图

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从位移变形来看曲柄销轴颈中央的变形最大 ? Max=0.0273 mm ,变形量较小,变 形不会影响曲轴正常工作。

图4-12 曲轴应力分布图

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从最大主应力区分布情况看,最大应力点在轴颈(曲柄销) 与相邻曲臂的过渡圆

图4-13 过渡圆角应力分布

角区域内,并位于曲拐的中心平面附近,但不在正中央,表明曲轴的最大应力主要是 由缸内高压燃气作用所形成的弯曲作用引起的,这与曲轴的定性受力分析结果相符 合。从连杆当量应力图可以看到,在受压状态(缸内高压燃气作用)时,连杆对曲柄销 作用力主要分布在中心平面两侧共约90° 的范围内,分布范围不是很大。这与以往计 算分析中提出的轴颈上载荷为分布载荷,沿轴线方向均布或呈抛物线分布,沿圆周方 向120° 呈余弦分布等规律不相同。正如文献所述,运用零部件间的接触关系更能真实 地反映实际接触力的分布情况。模型的建立。 最大压力=102223.6 N 受力面积A=2/3*3.14*41*34=2918 m m 2

最大应力 ? Max=66.335 M Pa 查表可以知道铸铁的许用应力为160 M Pa 由 最大应力 ? Max=66.335 M Pa ? 许用应力 ? ? ? =160 M Pa ; 安全系数 ? = 要求。
? -1 ? Max

=160/66.335=2.41 ? 2 . 由此可知2D25柴油机曲轴的强度符合

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第五章
5.1 模态分析总结
通过NX7.5高级仿真,有效解决了像曲轴这些复杂模型在不同振动频率下产生的 变形情况等问题。从频率分析结果可以看出,曲轴的最低固有频率值为554.8Hz,这 为发动机转速控制提供参考。从曲轴的各阶振型可以看出,曲轴除了前6 阶外,7-10 阶非零振型弯曲和扭转为主要变形形式,曲柄臂和主轴颈、曲柄臂和连杆轴颈相连处 是曲轴振动中危险部位, 在设计过程中应充分考虑曲柄臂和连杆轴颈相连处的圆角大 小。 对曲轴的模态分析便于设计人员很直观地了解曲轴各阶固有特性, 为曲轴后续设 计提供依据, 同时曲轴的模态分析是动力学分析的基础, 为后续动态分析提供了依据。

总结与体会

5.2 强度分析总结
1) 曲轴有限元分析的结果, 包括变形和应力集中现象, 与理论分析和实际情况 相当符合. 在弯曲情况下, 该曲轴在轴颈和曲柄过渡圆角处均出现应力集中现象, 而 以连杆与曲柄过渡圆角处最为严重, 分析数值显示它是最危险点。 2) 不同的边界条件对结果的影响很大, 说明合理确定曲轴有限元模型的边界条 件至关重要. 边界条件的确定越能反映曲轴工作的实际情况, 就能得到越准确的分析 结果。 3) 利用有限元的分析结果, 计算了曲轴在静态最大载荷下的安全系数, 与曲轴安 全需用系数相比来看,该曲轴在强度上是安全的。 4) 通过安全系数计算可知, 曲轴尚有优化设计的潜力可挖.通过修改轴拐的过渡 圆角,可以减少应力,提高曲轴强度;还有就是轴颈做成中空的,也可以提高曲轴强 度。 通过对曲轴模态和强度进行分析让我了解到了有限元分析的过程,了解到了曲轴 发生共振的变形,以及曲轴在应力作用下的发生的形变和应力分布。 第 33 页

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第六章 致谢

四年的大学生活即将画上一个句点,在最后的一个多月的毕业设计中,我觉得自 己的进步是最大的,在这段期间,我们小组一共八个人在指导老师雷老师的指导下, 对各自所要设计的内容进行了系统的设计,从最开始的开题报告的书写,到设计模型 的三维实体图的绘制,再到后期利用有限元分析软件对自己建立的模型进行分析,到 最后的毕业乱文撰写。在这个过程中雷老师给了我们极大的帮助,我们不知道的地方 他会耐心指导,查不到的资料他会帮我们查,交上去的材料他会帮我们仔细修改。最 难能可贵的是雷老师在繁忙的科研工作和教学工作之余每个星期三还召集我们开个 见面会,在会中我们可以提出问题,我们可以通过和雷老师以及同学们的探讨中,找 到解决问题的思路。 在最后最难的分析阶段雷老师更是大费心力的帮我们找宿舍和研 究类似课题的师兄,在生活上给我们省了很多麻烦,在分析中通过像学姐师兄的请教 中,了解了分析的流程和应该注意的事项。 最后,再次对给予我很多帮助的指导老师雷老师表示最真挚的感谢,谢谢。

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第七章 参考文献

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附录一 :2D25 柴油机曲轴结构设计二维图 附录二 :英语论文及翻译

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