热动课程设计讲解.docx
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热动课程设计讲解
热动专业课程设计说明书
院别:
能源与动力工程学院
专业:
热能与动力工程
班级:
工程热物理0901
姓名:
房文胜
学号:
3090205012
指导教师:
潘剑锋
2013年1月18日
目录
前言:
一、一拐曲轴概况
1.一拐曲轴的结构特点
2.一拐曲轴工作情况
3.一拐曲轴设计要求
4.一拐曲轴的材料选用
二、一拐曲轴PROE建模
1.建模步骤
2.建模最终图
三、一拐曲轴ANSYS有限元分析
1.倒入模型
2.设置单元类型
3.设置材料的密度,杨氏模量和泊松比
4.创建网格
5.设置载荷和约束
6.求解结果操作
四、总结
五、参考文献
前言
曲轴是发动机最重要的机件之一,是引擎的心脏,如果它的功能无法准确的执行,那么引擎的马力就无法正常的发挥。
一般由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。
一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐,曲轴的曲拐数目等于气缸数(直列式发动机),V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。
曲轴与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力,传给底盘的传动机构。
同时,驱动配气机构和其它辅助装置,如风扇、水泵、发电机等。
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,耐磨损且润滑良好。
我们的课程设计主要研究的是两拐曲轴的相关动力性能及强度计算。
我们运用所学的《内燃机设计》、《机械制造基础》、《内燃机燃烧与排放》、《工程材料》、《CAD工程制图》、《UG建模》等课程,综合大学中所学的课程进行曲轴的分析校核设计。
通过研究曲轴的工作过程以及加工工艺过程,以及曲轴的三维实体建模和ANSYS强度分析计算,使我们理论结合实践,提高实际操作能力,增强自身的核心竞争力,在课程设计的过程中具体目标有如下几个:
1、分析曲轴工作环境,性能要求以及材料等;
2、根据图纸进行三维实体建模;
3、对模型进行有限元分析;
4、根据有限元分析的结果进行强度分析。
课程设计说明书
一、一拐曲轴概况
1.一拐曲轴结构特点
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。
一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐,曲轴的曲拐数目等于气缸数(直列式发动机),V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。
我们设计的是直列式发动机的两拐曲轴。
主轴颈是曲轴的支承部分,通过主轴支承在曲轴箱的主轴承座中,曲轴的支承方式分为全支承曲轴和非全支承两种。
而我们采取的是全支承曲轴。
曲轴的连杆轴颈是曲轴和连杆的连接部分,通过曲柄和主轴颈相连,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与气缸数相等,V型发动机的连杆轴颈数等于气缸数的一半。
曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分,断面为椭圆形,为了平衡惯性力,铸有(或紧固有)平衡重块。
它可以用来平衡发动机不平衡的离心力矩,有时还用来平衡一部分往复惯性力,从而使曲轴旋转平稳。
曲轴的形状和曲拐相对位置(即曲拐的布置)取决于气缸数、气缸排列和发动机的发火顺序。
安排多缸发动机的发火顺序应注意使连续作功的两缸相距尽可能远,以减少主轴承的载荷,同时避免可能发生的进气重叠现象。
2.曲轴工作情况
曲轴是发动机的主要旋转机构,它担负着将活塞的上下往复运动转变为自身的圆周运动。
通常所说的发动机转速就是曲轴的转速。
曲轴与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力,传给底盘的传动机构。
同时,驱动配气机构和其它辅助装置,如风扇、水泵、发电机等。
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,使轴既扭转又弯曲。
3.曲轴的设计要求
曲轴在不同周期性的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩(扭转和弯曲)共同作用下工作,使曲轴既扭转又弯曲,产生疲劳应力状态。
在设计时应首先保证曲轴具有在足够的弯曲强度和扭转刚度。
如果强度不足,会发生造成严重事故。
为此,必须选用高强度的材料;合理的结构形状和尺寸。
曲轴各轴颈在很高的比压下,以很大的相对速度在轴承中发生滑动摩擦。
这些轴承在实际变工况运转条件下并不总能保证液体摩擦,尤其当润滑不洁净时,轴颈表面遭到强烈的磨料磨损,使得曲轴的实际使用寿命大大降低。
所以设计时,要使其各摩擦表面耐磨,各轴颈应具有足够的承压面积同时给予尽可能好的工作条件。
4.曲轴的材料选用
汽车发动机曲轴的材料一般采用45钢(精选含碳的质量分数为0.42%-0.47%)或40Cr、35CrMo,并经调质处理,以提高其强度及抗冲击能力。
为提高耐磨性和耐疲劳强度,轴颈表面经高频淬火或氮化处理,并经精磨加工,以达到较高的表面硬度和表面粗糙度的要求。
二、一拐曲轴PROE建模
Pro/E软件是美国PTC公司推出的大型CAD/CAM/CAE一体化软件。
无论是造型设计、工程出图,以及3D装配等方面,Pro/E都具有操作容易、使用方便、可动态修改的特点。
Pro/E更是以其基于特征的参数化设计、单一数据库下的全相关性等新概念而闻名于世。
另外还具有模具设计,动态、静态干涉检查,计算质量特征(如质心、惯性矩)等功能模块。
用Pro/E创建的三维参数化零件模型,不但可以在屏幕上自由的翻转动态观察结构形体,更可以进行方便的动态修改和调整。
进行力学分析、运动分析、数控加工等。
因此我们选用pro/E进行两拐曲轴的建模。
1.建模步骤
1)拉伸前部的轴
运用拉伸工具,如图2所示:
图1
2)拉伸第二段轴
运用拉伸工具,如图2所示:
图2
3)拉伸第三段轴
运用拉伸工具,如图3所示:
图3
4)拉伸
尺寸如图4所示。
图4
5)拉伸键槽
如图5所示。
图5
6)凸轮的设计
如图6所示。
图6
7)拉伸
如图7所示。
图7
8)拉伸连接轴
如图8所示。
图8
9)镜像凸轮
如图9所示。
图9
10)拉伸
如图10所示
图10
11)前轴中心孔旋转生成
图11
12)拉伸
运用拉伸工具,如图12所示:
图12a
图12b
13)、拉伸轴
运用拉伸工具,如图13所示:
图13
16)、拉伸轴运用拉伸工具,如图16所示:
图16
17)、螺纹孔设计
运用拉伸阵列工具,如图17所示:
阵列螺纹孔图17
18)、打孔
如图所示:
图18
19)、旋转生成孔
运用旋转工具,如图19所示:
图19a
图19b
20)、最后进行倒角和圆角等细节处理
运用拉伸工具,如图20所示:
图20
2.建模最终图
三、曲轴ANSYS有限元分析
1.导入模型
打开Ansysworkbench,双击StaticStructural弹出如下对话框
右击Geometry点击Browse导入pro/e模型,然后双击Model导入图形
导入效果如下:
2.材料选择
材料选择结构钢密度:
9850kg/m3,杨氏模量:
2E+11Pa,泊松比:
0.3
由图可证明材料已添加到模型中。
3.网格划分
单元网格密度为5mm,采用默认算法,自动生成网格为下图所示;
4.施加约束和载荷
曲轴图示处与轴承相接触,施加约束限制两个转动和两个移动如下图所示;
添加载荷:
X方向5500NY方向4800NZ方向0N
考虑重力的影响,设置竖直X向下的重力,如下图所示;
6求解
点击solve进行计算,结果如下
A.总形变云图
由图可见,平衡配重处为最大变形点,最大形变量为0.0026524mm,形变量最小处为与配重对应的主轴颈上端,形变量为2.7005e-5。
B.应力云图
应力最大处为主轴颈与曲臂接触的过度圆角处,如图所示,最大数值为14.937Mpa。
过渡圆角处有较大集中应力,故此处为最危险的地方,所以工作状况应主要考虑此处,在设计的方面也应对此处进行加强,确保其能正常工作。
C.弹性应变图
由于应变是由应力产生的,所以其图形与应力图一样,只是单位不同而已。
D.安全系数图
由图可看出曲轴可正常工作,是安全的。
4、总结:
虽然课程设计的时间为两个星期,但真正做的时间也不过四五天的样子,其实这些天数足够了,分组的课程设计业算是锻炼大家的团队配合吧,我主要是负责ansys分析的,对于这个软件开始一点都不了解,自己看了三天的书然后在从网上找了一些教程,总算基本了解了其操作过程,由于软件是全英文的,所以在使用时还是遇到了不少的困难,通过与同学的研究也收获了不少。
在分析之余,自己也用ug画了一遍图形,感觉最难的地方就是油孔和曲柄臂的切削。
通过这几天的课程设计,自己也收获到了很多,有些事情是急不来的,只有慢慢摸索,对于ansys也了解了不少,感觉这个软件真的很强大,也很有用处,以前用过fluent进行数值模拟,它主要是做液体方面的,而ansys是分析固体的,所以每个软件都有他的独到之处,以后还要用心学习,也希望我们自己国家能设计出这样的软件,方便大家的使用。
参考资料
[1]周龙保.内燃机学.北京:
机械工业出版社,2012.1
[2]袁兆成.内燃机设计.北京:
机械工业出版社,2012.1
[2]龚曙光.ANSYS软件在应力分析中的运用.2001(7):
21-23.
2013年1月18日
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