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1、本文档下载自文库下载网，内容可能不完整，您可以点击以下网址继续阅读或下载：内燃机零部件有限元分析的研究现状与展望孙军第期年月内燃机内燃机零部件有限元分析的研究现状与展望孙军,汪景峰(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥)摘要:有限元法在内燃机零部件设计中的应用,极大地提高了内燃机零部件的设计水平,缩短了设计周期,提高了设计的可靠性,推动了内燃机工业的发展。论述了有限元技术在内燃机曲轴和连杆等零部件设计中的应用现状与最新发展,并讨论分析了发展趋势。关键词:内燃机;零部件;有限元法中图分类号文献标识码文章编号()内燃机零部件设计已经发展到采用包括有限元法、优化设计、动态设计等现代先进设计技术在
2、内的计算机分析、预测和模拟阶段。有限元法是最有效的数值计算方法之一,它使人们对零部件关键参数的理解和设计更进了一步。由于使用虚拟模型,从而使设计周期更短,费用更低,质量更高。有限元技术在内燃机零部件设计中的广泛应用,提高了设计的可靠性,优化了结构,缩短了设计周期,降低了设计成本。对主轴颈、曲柄臂、曲柄销、曲柄销大小油道、主轴承盖、主轴承座和部分机体进行了三维实体特征建模。.单个曲拐模型。其分析曲轴上受载最严重的曲拐,优点在于计算规模小。但其很难正确确定主轴颈剖分面处的边界条件,剖分面距离过渡圆角很近也会影响计算精度。.整体曲轴模型。这是进行曲轴有限元分析最合理的模型,计算精度高,但其计算规模巨
3、大。随着计算机技术水平的提高,将越来越多地采用曲轴整体三维有限元模型。文献建立了曲轴整体模型(图)并进行了三维有限元模态分析。早期在进行曲轴有限元分析时,受到计算机硬曲轴的有限元分析计算模型的建立目前的曲轴有限元分析基本都采用三维计算模型,主要有以下三种。(见图)。它主或曲拐模型要考虑弯曲载荷作用,并认为曲轴的形状和作用载荷相对于曲拐平面对称。文献取单拐为计基金项目:安徽省教育厅重点科研计划资助项目()作者简介:孙军(),男,江苏镇江人,工学硕士,副教授,主要从事内燃机现代设计理论与方法的研究。收稿日期图曲拐模型第期孙军等:内燃机零部件有限元分析的研究现状与展望?体单元,文献的曲轴有限元计算模
4、型采用六面体单元;混合单元类型。边界条件的处理曲轴上的作用载荷相当复杂,作用于曲轴上的载荷主要有通过连杆传到曲轴上的气压力与活塞连杆组往复惯性力、自由端集中力、自由端弯矩、输出端集中力、输出端弯矩、自由端的端扭矩、连杆大头的回转惯性力与连杆轴颈惯性力、曲柄惯性力等。准确确定载荷与力边界条件较困难,因此很多文献在处理边界条件时都进行了简化假设:假设各力为集中力;不考虑各轴颈扭矩与弯矩的作用;各力均作用在曲拐平面内。文献研究了四种边界条件对计算结果的影响,。为了计算曲轴,把曲轴看。文献矩,并把计算结果作为曲轴应力有限元分析的载荷边界条件。有的文献采用有限元接触方法将曲轴和连杆大头两部分作为有限元分
5、析模型,如文献对型柴油机连杆大头与曲柄销的接触问题作了三维有限元求解计算,并对轴孔接触的实际接触边界、接触力作了研究,将计算得到的接触力作为曲柄销的力边界条件对曲轴结构强度进行分析。目前进行曲轴有限元分析时,普遍采用的边界条件处理方法为位移边界条件和力边界条件。位移边界条件是将两端主轴颈中截面上的中点和端面上的四个位置分别限制住相关自由度;力边界条件是假定载荷沿连杆轴颈方向按二次抛物线规律分布,沿轴颈圆周方向角范围内按余弦规律分布(图),这是常规的处理方法,这种加载方式是油膜充分建立、轴承长度无限短且轴承孔中心线与轴颈轴线平行的条件下曲轴加载方式的模拟,因此是理想的情况。图曲拐模型图件和软件的
6、限制,计算模型不得不进行简化,但同时又希望得到比较精确的计算结果,因此在分析计算中采用了下述处理方法。早期有限元分析的处理方法.整体曲轴模型中采用了子结构方法。曲轴是空间构件,用三维连续体的有限元模型进行分析最为理想,但这种计算工作量极大。文献采用子结构方法对柴油机曲轴整体结构进行了三维有限元分析。对曲轴通过分成子结构进行求解,可以建立灵活合理的结构模型,节省大量的重复计算工作,能够在没有大机器的情况下,用较小的内存容量计算大自由度数的题目。.单个曲拐模型中综合应用连续梁和三维有限元方法。这种计算方法将曲轴作为连续梁进行分析,可以考虑支承的弹性安装和不同心度以与支承变形等因素,并充分利用三维有
7、限元分析优点,使计算更接近曲轴工作时的真实变形与应力。文献采用该方法计算了曲轴疲劳强度,其提出先对曲轴进行连续梁分析,在考虑了相邻曲拐、轴承不同心度与支承变形等因素后,找出受载最严重的单元曲拐,再对此单元曲拐采用三维元进行应力分析。曲轴三维有限元计算模型采用的单元类型有很多种。常用的单元类型为:四面体单元,文献中的曲轴有限元计算模型采用了这种单元类型;六面图理想油膜状态下的力边界条件连杆有限元分析计算模型的建立连杆是不规则的空间结构,结构比较复杂,用平面单元或梁单元很难模拟其实际结构,因此对连杆?内燃机年月的有限元分析一般都是基于结构的三维实体模型进行的。或连杆模型。文献对柴油机连杆进行静强度
8、分析时,采用连杆模型(图)之间也存在接触单元。载荷边界条件的处理:由于连杆的受力复杂,根据力的作用效果,有以下三种载荷的作用:预紧载荷,惯性力,气缸爆发压力。文献在对柴油机连杆进行整体三维有限元分析计算中,把连杆的受力状态固定在工况最恶劣的瞬时,将其转化为静力作用下的分析。文献采用弹性变形恢复力来描述预紧载荷,能较准确地反映螺栓预紧力的大小,比较符合实际情况。连杆轴瓦装配预紧力以面力的形式作用在接触面上;加载时把惯性力按余弦分布规律施加在连杆小头上;把最大爆发压力按余弦分布规律施加在连杆小头上。准确地得到了危险工况下的应力分布。.整体连杆模型。文献建立了整体连杆模型(图)。文献应用参数化设计和
9、特征建模技术对连杆进行三维实体建模。文献采用三维接触有限元分析方法对连杆杆身、连杆盖、连杆螺栓、连杆轴瓦组成的连杆大头装配件进行了最大拉力工况下的非线性求解计算,获得了较为符合实际的连杆装配件在螺栓预紧力与工作负荷共同作用下的受力状况和应力分布规律。文献采用三维有限元法对型柴油机的连杆进行动态特性分析,通过计算得出了该连杆的模态分布情况以与每一模态下的振型。文献采用基于特征的建模技()边界条件的处理,如机体、缸。文献依据模型简化理论,取气门整体结构的为计算模型。文献针对高速大功率柴油机整体式气缸盖的机械负荷有限元分析,探讨了支撑件机体以与紧固件螺栓对气缸盖作用的不同仿真方式对分析结果的影响。文
10、献为了真实、客观地反映出活塞的实际工作状况,在对其进行有限元分析计算时,取活塞整体作为三维有限元的分析模型。文献在考虑冷却油腔、油孔座等因素后,活塞不存在几何对称面,计算时对整个结构进行了建模。文献根据几何形状或顶部受热情况,近似地取活塞作为分析计算对象。在文献文献、衬套):销连接,曲柄销一端面全约束,另一端面可以轴向移动;在连杆小头顶端一节点横向进行位移协调约束;曲柄销和大头孔间施加接触单元;大头盖和连杆体图连杆模型中,为了进行优化方案的选择,将活塞简化为轴对称二维形式的结构。文献分别建立了二维气缸套和活塞有限元分析模型。文献利用现代技术建立了轴后弯式增压器涡轮的实体模型,给出了不同截面叶片
11、的曲面建模方法,并用有限元法对其进行变结构模态特性研究。文献建立了内燃机气缸套在非轴对称冲击载荷作用下的动力响应模型。文献对型燃烧室的柴油机活塞进行温度载荷和机械载荷作用下应力和变形的三维有限元分析。图整体连杆模型讨论与展望目前,有限元结构分析逐渐趋向于系统分析,而不是仅仅局限于零部件的分析。随着计算机技术的提高,特别是有限元高精度理论的完善和应用,有限图整体连杆模型元分析由静态向动态、线性向非线性、简单模型向复杂系统逐步扩大应用范围。第期孙军等:内燃机零部件有限元分析的研究现状与展望?.求解能力更强大。在汽车工业中,就耐用性费少梅.柴油机曲轴结构参数的优化设计.内燃机工程,().李桂琴,钱伯
12、雄.内燃机曲轴应力三维有限元分析.拖拉机与农用运输车,().苏铁熊,张保成.车用柴油机曲轴结构有限元分析.柴油机设计与制造,().郑丽芬,李建文.综合应用连续梁和三维元法对曲轴的计算.应用力学学报,().尹建民,王德海,袁银南,等柴油机曲轴强度的三维有限元研究.内燃机工程,().钱丽丽,姜树李,朱埏章,等.连杆大头曲柄销接触的三维有限元素法计算.内燃机工程,().模拟、噪声、振动研究和碰撞实验来说,这种趋势特别明显。在实际中,任何模拟所需要的计算机资源都是巨大的。世纪年代,国外对发动机曲轴进行了大约万自由度线性分析年采用了万自由度的模型对活塞组件做非线性模拟。在不久的将来,模型可以达到亿自由度
13、甚至更大。.在应力和运动的模拟分析之间传统的分界线将越来越模糊,运动模拟分析的软件也能用于分析结构,如就是集结构、动力学、温度场、流体力学和磁场于一体的分析软件。同时,相同模型用于多种分析也引起人们的重视。在汽车工业中,相同模型可同时用于结构静力学和动力学分析,耦合场分析是这种趋势的最明显体现。.系统分析的出现,需要综合考虑整个系统、子方华,王天灵,李盛成.型柴油机曲轴有限元分析与.内燃机,胡德波型发动机曲轴疲劳强度有限元分析.内燃机学报,().丁彦闯,牛天兰,吴昌华,等.柴油机曲轴整体三维应力精细分析.内燃机工程,().巨建民,吴昌华.柴油机曲轴整体三维强度分析.车用发动机,().蒲军平,吴
14、昌华.柴油机曲轴整体结构的三维有限元分析.计算结构力学与其应用,().李爱军,王明开,曹晓明,等.整体曲轴三维有限元应力分析.华东地区内燃机学会第七届联合学术年会论文.蓝军,薛远,付光琦.曲轴油孔应力集中的三维有限元分析.内燃机学报,().韩松涛,郝志勇型柴油机曲轴三维有限元模态分析与试验研究.农业机械学报().系统和零部件之间的关系,次性,中。分析某一零件时,的传递,另外,需对系统内部装配件进行分析。结束语有限元技术在内燃机零部件设计中得到了广泛的应用。基于有限元方法,模型的结构参数化设计使得内燃机零部件的结构优化设计更加方便。设计者既可对总体模型进行多层次的变结构、变参数改型设计,也可对各
15、局部模型进行低层次的变结构、变参数改型设计,极大地方便了内燃机零部件的优化设计。虽然有限元技术在内燃机零部件设计中的应用取得了很大进展,但仍存在需要解决的问题。例如,研究高精度理论在内燃机复杂零部件有限元分析中的应用,对提高分析结果的可信度具有重要意义;内燃机零部件的工作状态复杂,全面准确地确定边界条件非常困难,这影响了零部件的分析精度;新材料的材料参数不准确将影响计算结果的可信度,需要进一步研究新材料的力学特性。参考文献苏铁熊,张儒华,蔡坪,等.利用有限元法研究曲轴弯曲应力的变化规律.车用发动机,().苏铁熊,王和平,张保成.车用发动机曲轴结构设计中的三维有限元分析.华北工学院学报,()蒲明
16、辉,黄世伟柴油机曲轴有限元分析.广西大学学报().禹敏,曾利权,龚金科柴油机曲轴弯曲强度有限元分析.湖南大学学报,().方华,王天灵,李盛成型柴油机曲轴有限元分析与可靠度计算.汽车技术,().王德海,尹建民,袁银南,等.多缸机曲轴强度研究中的三维有限元法.江苏理工大学学报,().(下转第页)第期杨德胜等:柴油机微粒陶瓷过滤器再生方法的探讨?素只有排气温度,再生能够很可靠地进行。另外,当发动机微粒排放水平较高时,适当的加热,也能够提高催化剂的催化能力,避免微粒物在陶瓷过滤器内的积累。红外预催化混合再生方法的唯一缺点在于对柴油的含硫量仍存在要求。一旦现有的催化剂得到这方面的改进,红外预催化混合再生
17、将具有广阔的应用前景。.一旦催化剂对柴油含硫量的要求降低,红外预催化混合再生将具有广阔的应用前景。参考文献结论.现有的柴油机微粒陶瓷过滤器再生方法有各李勤.现代内燃机排气污染物的测量与控制.北京:机械工业出版社.自的优缺点。.采用红外预催化混合再生方法,一方面能够防止催化再生过程中出现低温堵塞现象;另一方面在发动机微粒排放水平较高时能提高催化剂的催化能力,并相对地降低发动机油耗,一般不会造成对陶瓷的热损伤。.就要开始进行红外加热。.大连:大连理工大学动力工程系.应用红外技术提高柴油机排气微粒过滤器再生能力的研究.应用科学学报,().(上接第页)钱丽丽,等.连轴颈油膜对曲轴圆角应力影响初探.江苏
18、理工大学学报().邓兆祥,胡玉梅,王欣,等柴油机连杆静强度有限元分析.内燃机,().吕彩琴,苏铁熊.柴油机连杆的有限元疲劳强度分析.华北工学院学报().张军,樊文欣.柴油机连杆有限元分析.车用发动机,().吕国华,周敏,陈亚君,等.柴油机连杆装配件有限元分析.车用发动机,().韩松涛,郝志勇型柴油机连杆的模态特性有限元分析.车辆与动力技术().苏铁熊,吕彩琴,张翼,等.接触问题对连杆有限元分析的影响.内燃机学报().王琳,刘佐民,裴新.发动机气门三维有限元分析与变形规律研究.开汉理工大学学报().叶晓明,闵作兴,陈国华,等.柴油机活塞温度场试验研究与三维有限元分析.华中科技大学学报薛明德,丁宏
19、伟,王利华.柴油机活塞的温度场、热变形与应力三维有限元分析.兵工学报()毛明智,万力,陈宇峰.发动机活塞温度场三维有限元法分析.武汉化工学院学报().魏海军,王国平,王乃凡.柴油机不同工况的活塞二维应力场有限元计算.大连海事大学学报周非,吴锦翔,高孝洪.陶瓷隔热无水冷发动机燃烧室部件传热有限元分析.武汉交通科技大学学报,廖日东,左正兴,马朝臣,等.利用现代技术和有限元法进行增压器涡轮叶片变结构模态特性的研究.内燃机学报().郝强,朱梅林.内燃机气缸盖受冲击载荷时的有限元分析.华中理工大学学报,().佟景伟,李林安,李鸿琦,等.在温度和机械载荷作用下活塞应力与变形的有限元分析.内燃机学报,廖日东,左正兴,邹文胜.对高速大功率柴油机用气缸盖机械负荷有限元分析边界条件施加方式的探讨.兵工学报().文库下载网是专业的免费文档搜索与下载网站，提供行业资料，考试资料，教学课件，学术论文，技术资料，研究报告，工作范文，资格考试，文档，专业文献，应用文书，行业论文等文档搜索与文档下载，是您文档写作和查找参考资料的必备网站。文库下载 上亿文档资料，等你来发现