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1、第28卷(200 6)第l期柴油机D ie selEng in eVoI 2 8(2 00 6)No.l结构与减磨ANS丫S环境中柴油机曲轴静动特性的有限元分析付泽 民1,李延平,常(l.集美大学机械工程学院,厦门36102 1:勇1,胡国清2,陆小明12.厦门大学机电工程 学院,厦门36 10 05)摘要:采用ANSY S有限元分析法,对519 5柴油机曲轴进行了符合实际情况的Pro/E三维建模,研究了曲轴的变形和应力状态,校核了 曲轴在交变载荷下的疲劳强度,探讨了目前曲轴应力有限元计算中力学模型的合理性,并时曲轴进行了模态分析,为柴油机优化、改进设计提供了有价值的理论依据。关键词:柴油机曲
2、轴;有限元;A NSYs;疲劳强度;模态分析中圈分类号:TK42 2文献标识码:A文章编号:10 01一43 57(20()6)01一00 34一05FE M An a!ysis of EngineCr ankshaf f Statie andD ynam ieBehaVio rUsingA NSYSFuzem inl,Ll物npingl,e 日 NG物ngl,日u Gu oq ingZ,Luxiaomingl(1.Me eha niealEng in e er ingIn stit u te,Ji meiUniver sit y,Xia men3 610 21:Me eha nie ala
3、nd E leet r ie alEngin e er ing Ins t it ute,Xia me nUnivers甄X ia me n3 6 10 0 5Abstr ac t:Bymea nsofFEMu singA NSYS,ath re e一d imen sionmodelwa ser ea t edthroughPro了 Ef ormod el 5195die selen gi n e,5c rankshaf te or r es Pond in gtoPr aetieale ond itio n s.Thed ist or tio na ndst re ssofthec ran
4、kshaf tw asinve st igated.T七ef atiguest r engthofer a nkshaf twa sv er i f iedu ndereha ngingIo ad.T her a tionalit yofcran kst r essa nal ysismetho d,w hieh 15wid slyusedeur r en ily,15d iseu s sed.T hemodela nalysiswa smad sf o rtheer an kshaf t,w hiehPr ovi de svalu ablet he o retlc alf ou nd a t
5、io nf ortheO Ptimizationa ndlmPr oveme ntofen gin ede sig n.Keywor ds:e ngln e c ra nkshaf t:f i n ite elemen t:ANSYS:f a tig ue str eng th;modela nalysis,概述曲轴在发动机中扮演着极为重要的角色。曲轴承受着气缸的气体压力及往复和旋转质量惯性力引起的周期性变化的载荷,还 有可能承受扭转振动、弯曲振动及轴 向振动,因此在曲轴内产生交变的弯曲应力和扭转应力,可 能引起曲轴的疲 劳失效,而一旦曲轴失效,轻则停机停工,重则整机损毁,甚至造成人身伤害,后
6、果是很严重的。所以如何比较准确地得到应力、变形的大小及分 布和 曲轴的固有频率及振形,对用于指导曲轴的优化、改进设计具有重要意义。本文采用三维设计软件Pro/E对5 19 5 柴油机曲轴进行建模,其几何参数 自动链接并计算转化成A NSYS有限元分析模型。通过A NSYS有限元分析平台,研究了曲轴的变形和应力状态。校核了曲轴收修改稿日期:20 05一0 9一0 6在交变载荷下的疲劳强度,并对曲轴进行了模态分析,得出的结论可用作曲轴优化、改进设计的参数依据。2曲轴有限元力学模型的建立分析选用5 19 5柴油机曲轴的主要尺寸为:连杆颈直径为 6 5rnnl,主轴颈直径为70Inm,曲轴长30 8n
7、 u n,材料为QT-so o一2。2.1有限元 网格的划分考虑 到曲轴的几何形状,在有限元模型化时,全部采用三维实体单元。根据力学分析,连杆轴颈和主轴颈是受力较大部位,划分得较密,其圆角应力集中,是曲轴危险点,划分最密,而在曲柄臂部位划分得疏一些。其模型见图1所示,共有3629 9节点,1390 86单元。选用A N SYS有限元分析系统中的SOLID 45实体单元。对曲轴进行分析。2006年l月付泽民等:A N SY S环境中柴油机曲轴静动特性的有限元分析经简化得到:弓=(娜+m;)、2e o s(。+刀)/e o s刀+兄。05202。0 5,刀 e o s刀图1曲轴网格2.2载荷处理曲
8、轴在工作过程中,往复惯性力乃、燃烧气体压力凡通过活塞和连杆传递到曲轴上,考虑到不平衡质量离心力P r,形成作用于曲轴上的切向力r与颈向力Z。由图2推得(l(2(3(4艺尸一凡+弓T二艺尸xZ二艺尸x凡=(p:一p,)、匹DZ4式 中:凡为气体作用力、乃为往复惯性力、P r为不平衡质量离心力;a为 曲轴转角、刀为连杆摆角;D为气缸直径、凡为汽缸内的绝对压力、p为曲轴箱 内气体的绝对压 力,对四冲程柴油机,一般取P尹=lo5Pa。(6)式中:mp为活塞组件的质量、mA为连杆小头的质量、兄二r/l为连杆比、,为曲柄半径、l为连杆长度、。为曲轴角速度。P r=mBr山,(7)式中:mB为连杆大头的质量
9、。由上述表达式算出作用于曲轴连杆轴颈上最大径 向力几队=45389.8N。2.3边界条件处理在曲轴的计算中,边界条件非常复杂,总的可分为两大类:载荷边界和约束边界。其中载荷边界又包括连杆推力、主轴承的支持力、飞轮作用传递的扭矩、自身旋转产生的离心力以及 自身的重力。这些载荷可 由传统的动力计算以及平衡计算得到。2.3.1载荷边界2.3.1.1轴颈分布载荷计算根据传统的方法及有限宽度轴颈油膜压力应力分布规律,并忽略油孔处压力峰值突变的影响,假定力边界条件为:载荷沿连杆轴颈和主轴颈轴线方向按二次抛物线规律分布;沿轴颈圆周2:角范围内按余弦规律分布 2,如图3所示。q(x,0)图3连杆与曲轴颈受力分
10、布图下面对力边界进行计算:a.沿曲轴轴线方 向设压力分布 曲线的方程为叮二=a xZ+瓦+e当厂乙,一L时,q二=0;当x=0时,入以上公式得:(8)q:二q代图2曲轴受力分析图由曲柄连杆机构的运动 学 知识得出 活塞的加速度:。=roZc o sa+兄(l一兄2SinZa)e osZaa二一q/尸,b一0,。一q。由式(8)得。_。1_兰、ma x、一扩(9)誓81一Za(卜、2sinZ。)一,b.沿轴颈圆周方向因呈余弦规律分布,其分布规律为叮(x,。)=叮二xcoske(10)柴 油 机第2 8卷第l期当。二/3时,、:.,、一。,即。s粤、o得到系J数k=匹/三=3/2,代入式(10)得
11、23q(x,口)=qxx。0 5互。22.3.,.2飞轮作用传递的扭矩把作用在主轴颈横截面的扭矩转化成沿径 向线性变化的切应力,等半径圆周上切应力相等,且相 切于所在圆周,如图5所示。(11)又Z上蘑、(,一一犷犷,一R,由式(9)(11)得z一4f犷。一(卜若卜。8号“R,二重积分求得:z一誓R Lq一即q一是最,故压“沿了了了轴 向及圆周方 向的分布函数为:图5扭矩切应力分布根据材料力学横截面扭矩的切应力假设,可9q(x,)=而Z,X吸1五乙_2丙一万)xeos鱼夕2(12)。一兽X,其中:I。一要又。,.Jy其中x二 一LL,e兀兀二二一-尸33式中Z为作用在轴颈上的总载荷,L为 曲轴连
12、杆轴颈半长,R为连杆轴颈半径。根据以上所得力的分布公式,可求得各个离散单元的受力:在有限元计算中,需将其转化成相应节点上的集中力。为了把轴颈上的分布载荷q(x.句等效成节点力,可在q(x,0)作用范围内的连杆轴颈表面上,取任一矩形AB C D(图4),在矩形ABCD内各分布力载荷的总和,可 由计算下面两个二重积分求得:(一“卜一卫:夔:。(,一Rg“d。,、(一“卜一卫】眨,。(,。)R一“、“,气(x,的、称(x,0)分别为面积ABCD上z方向及Y方向的总载荷,再由静力等效原理将其转换到四个角点上。各受载单元表面经等效处理后,再将公共节点力叠加,从而得到等效节点边界力。图4等效 节点 力计算
13、式中T为飞轮作用的扭矩,D为主轴颈直径。因此,把扭矩转换成随半径线性变化的函数面积力。2.3.,.3曲拐 的重力和离心加速度A NSYS预处理 中的加载功能项里可以施加惯性,可 以通过直线加速度和旋转加速度来加载重力和离心加速度。但是注意各项加载的方 向,重力加速度的方向应与重力方向相 反,而旋转速度和实际速度相同。2.3.2约束边界由于所有载荷是通过平衡计算得到,它 们应 该是平衡的,所以曲轴的约束只要使得计算中没有多余的自由度就可以。因此对于主轴颈表面 的节点,限制其径 向位移,为了限制曲轴沿轴向的刚体位移,必须在 曲轴上施加轴向约束,而轴向约束必须加在 曲轴在受力变形过程中没有轴向位移或
14、位移很小的节点上,经过反复多次计算分析,在连杆轴颈中心横截面处的节点轴向位移最小,因此将限制曲轴沿轴 向位移的约束加在连杆轴颈中心横截面节点处。3计算结果分析3.,变形分析在曲轴连杆轴颈上最大径向力作用时,曲轴各部分轴向的位移量在0.0 086 2一0.0 11 2范围,在右边平衡块下端有最大的轴向位移,其值为0.0 17(见图6)。由此可见,曲轴的变形量很小,能满足曲轴刚度的设计要求。2006年l月付泽 民等:八NSY S环境中柴油机 曲轴 静动特性的有限元分析表,曲轴模态频率模模态阶数数1 1 12 2 23 3 34 4 45 5 56 6 6模模态频率,Hz z z117名名15 1
15、2 2 2219.1 1 1535 5 55 87 1 1 16 7 0.2 2 2图6最大径向力工况变形图(放大图)由计算结果可知,曲轴的前二阶模态频率避开了柴油机工作范围对应的频率(7一2 2Hz)。柴油机工作转速为80 0260 0r/m i n。从计算的各阶固有振形来看,曲轴在按固有振形振动时,主轴颈、连杆轴颈的变形较小。因此,发生共振的可能性极小。掌握曲轴的弯曲振动对于分析活塞、轴瓦故障和预先在轴瓦及瓦座设计上防止过高的棱缘负荷,是很有帮助的 7。3.2应力分析应力分析图7表明,曲轴等效应力较大值发生在主轴颈与曲柄相连的过渡圆角处及连杆轴颈与曲柄相连的过渡圆角的下部,最大值发 生在短
16、端主轴颈和曲柄臂之间过渡圆角处,其数值为9 1MPa。根据柴油机设计中疲劳安全系数计算公式,求得曲轴的疲劳安全系数为n,科.5,通常使用球墨铸铁制造的柴油机曲轴疲劳安全系数许用值为。)1.8,因此认为该 曲轴的强度能达到要求。图8第一阶振形咬介117.8Hz)图7最大径向力工况主应力云图3.3模态分析曲轴 系统 在周期性变化的动载荷作用 下有可能在柴油机工作转速范围内发生强烈共振,动应力急剧增大,致使曲轴过早地出现弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏。普通的静力设计与经验设计己不能满足要求,而动力设计与计算机模拟就显得非常重要。因此,有必要对 曲轴进行有限元模态分析,本计算采用ANSYS的La nc z
17、o s法,在模态分析时,曲轴的弯曲载荷和扭转载荷在模态提取时将被忽略,程序会计算出相应于所加载荷的载荷向量,并将这些向量写到振形文件 中以便在模态叠加法谐响应分析中使用。经La nc z o s法模态计算,求解出其前5阶模态频率,见下表所示,前二阶模态振形见图8、9。图9第二阶振形(f=15 1.2 Hz)4结论(l)本文利用Pr o/E对曲轴建立了三维实体模型,通过几何参数 自动链接并计算转化成ANSYS有限元分析模型,对 曲轴进行网格剖分和边界条件的施加,分析了曲轴的变形和应力状态,并完成了曲轴的疲劳强度计算。得出该曲轴的强度能达到要求。(2)从AN sYS有限元图及SEQv应力表直观得出
18、,在主轴颈和曲柄臂过渡圆角处有较大的应力集中,此处是曲轴的强度薄弱部位。(3)曲轴的A NSYS有限元模型是曲轴强度分析、变形分析和模态分析较合理的模型。与传统的简化方法相 比,A N S Y S的建模方法和计算分析过柴 油 机第28卷 第l期程适合各种型号、各种工况的曲轴,且计算结果更接近于实际情况。(4)飞轮直接影响 曲轴的振动特性,忽略它或仅采用质量单元模拟飞轮其结果误差相差较大。通过分析验证,细分模型能更准确地模拟曲轴振动特性。(5)通过对曲轴的模态分析,求出其相应的前6阶固有频率及相应的振形。曲轴的模态频率能够用来预测柴油机各部件之间的动态干扰的可能性,通过合理的结构设计可 以避开共
19、振频率。这为柴油机曲轴优化、改进设计提供了有价值的理论依据。参考文献 l 雷宣扬,宋希庚,薛冬新.模拟 内嫩机曲轴振动的新模型闭.中国机械工程,20 03,1 4(17):1 46 614 69.2 1尹建民,五德海,袁银海等.26135柴油机曲轴强度的三维有限元研究明.内燃机工程,1 99 7(2):7 1一7 7.3 赫志勇,韩松涛.主轴承刚度对曲轴振动特性的影响阴.车辆与动力技术,20()l(2):3 135.4ok a.U raH,e ta l.s加PleMo delinga nd内圈】ysisf orC扭吐shaf tn此eDn ne nsion al珑bratio n s明,Pa
20、r t卜Ba ckg r ounda nd Ap pl ica t io nt oFr ee劝br a t ions.A SME,1995,1 17:7 179.【5 Ra OSS.刀姆F恤加El。旧心n I劫团加di nEn g 睑川吨扭.Oxf ord:Pe飞a monPr ess,198 9.6Smai】1AA,Khet a watMP.q阳a而eMo del ingofAutomot iv eEngin eCr歇止shaf t sl刀.Me cha nis m&Maehi n eThe or y,19 94,29(7):995一10 06.1 7 徐兀.汽车发动机现代设计M.人民交通出
21、版社,199 5.8 龚曙光.ANs YS工程应用实例 解析【M.机械出版社,2003.(上接第2 2页)一奢七口口口口口口口口口口口口口口口口广广汉汉汉汉口口日日日日日 日日/刁刁刁刁 口口口口口口 门门!口口口口口口口 日日 口口口口口口 叨叨叨叨叨叨口口时间,s仁仁二二二l l l l l l l l l l l l l口口口口医医医医医医医二二二-权权权权 口口口口I I I火l.(川川亡 ll l l l l l l l厂厂 二二二l l l l l l l l l l l l l二二二二二二二二二10121心161 820时间,sL L L一一一一l一一l一一l一一l一一l l !
22、_ ,l l l 们们卜卜卜卜卜 .1 !.、l l l l l l l l l_J J Jl l ll l l l ll】_ r 1 1 1 _I I I l1 1 1 !I l l l l l l l l l!l l l l l l l l l l l!,!101 214t61 82 0时间,s日日日日日 日日日日日日日日日日日日 日日日日日日日日日日日日 口口口口口口口口口口口口 日日日日日日口口5结论发动机是典型的非线性系统,控制参数往往依靠试验整定。通过试验数据的脉谱图和经验公式而建立起的柴油机准线性模型能满足动态仿真的实时性和精度的要求。建立的准线性模型针对性强,参数控制效果和试验
23、结果吻合性好,具有较高的稳态控制精度。仿真结果对电控柴油机控制策略的制定及系统参数的调整有重要指导意义。参考文献【l 常久鹏,张红光等 采用准线性模型实现柴油机电控算法 的仿真分析闭.内燃机学报,20 00,18(3)二33 1一33 3 2 1郝洛克DH.内燃机的热力学和空气动力学(卷 2)Ml北京:机械工业 出版社,199 2.3 顾宏中.内燃机工作过程数值计算【叫.上海交通大学 出版社.4 陈晓冲,王万平.常规PI D控制和模糊自适应PI D控制仿真研究明.机床与液压,2以”(12):6 5一6 6 5】陆桂明,张明照等.应用N。“毛AB建模与仿真【M.北京:科学出版社,20 01.2 1 0咖1 9 01 8 01 7 0 哪1 5 0舞茁绍创勺委告划Ov.峨咧犁匆喇澳时 间,s图8恒油门突加负荷的仿真结果