发动机曲轴设计及有限元分析Word下载.doc
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关键词:
发动机;
曲柄连杆机构;
受力分析;
曲轴;
Pro/E;
有限元分析
ABSTRACT
The4G63enginedesignparametersasareference,onfour-cylindergasolineenginecrankcrankshaft,etc.Themaincomponentsofstructuraldesigncalculations,andthecrankwasonthetheoryofkinematicsanddynamicsanalysisFiniteelementanalysiscomputer.
First,thekinematicsanddynamicsoftheoreticalknowledgeasthebasis,themotionlawofcrankrodsystemandthestructuralproblemsinsports,andacomprehensiveanalysisofthepreciseanalysisresultsobtained.Nexttothecrankshaftrespectivelydetailedstructuredesign,andastructurestrengthandstiffnesschecking.Again,use3dCADsoftware:
Pro/eestablishedincrankrodsystemofcrankshaftgeometricmodel.And,asthemainenginecrankshaft,itsperformancemovementpartqualitydirectlyaffecttheenginereliabilityandlifeexpectancy.Inperiodicallydynamicload,crankshaftwillproducealternatingwithinthebendingstressofthetorsionalstress,easilywiththestressconcentrationareassuchastransitionalfilletbendingfatiguedamageoccurredandtwistingdamage.Withtheenginecrankshaftconstantlystrengthened,themoreharshworkingconditions.Thispapertoaccordwiththeactualconditionsofenginecrankshaftmodeling,usingANSYS,thethree-dimensionalfiniteelementanalysisofthewholeofthecrankshaftresearch,accordingtothedeformationandstressconditionsstressresponseresultsandmaterialproperties,checkedwiththestrengthoftheloadfordesignimprovement,theanalysisenginecrankshaftprovidestheoreticalbasis.
Keywords:
Engine;
Crank;
StressAnalysis;
CrankshaftPro/E;
FiniteElementAnalysis
II
目 录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1选题的目的和意义 1
1.2国内外的研究现状 2
1.3设计研究的主要内容 3
第2章曲柄连杆机构受力分析 5
2.1曲柄连杆机构的类型及方案选择 5
2.2曲柄连杆机构运动学 5
2.1.1活塞位移 6
2.1.2活塞的速度 7
2.1.3活塞的加速度 7
2.2曲柄连杆机构中的作用力 8
2.2.1气缸内工质的作用力 8
2.2.2机构的惯性力 8
2.3本章小结 16
第3章曲轴的设计 17
3.1曲轴的结构型式和材料的选择 17
3.1.1曲轴的工作条件和设计要求 17
3.1.2曲轴的结构型式 17
3.1.3曲轴的材料 18
3.2曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计 18
3.2.1曲柄销的直径和长度 18
3.2.2主轴颈的直径和长度 18
3.2.3曲柄 19
3.2.4平衡重 19
3.2.5油孔的位置和尺寸 19
3.2.6曲轴两端的结构 20
3.2.7曲轴的止推 20
3.3曲轴的疲劳强度校核 21
3.3.1作用于单元曲拐上的力和力矩 21
3.3.2名义应力的计算 25
3.4本章小结 27
第4章曲轴的有限元分析 28
4.1对Pro/E软件基本功能的介绍 28
4.2曲轴的创建 28
4.2.1曲轴的特点分析 28
4.2.2曲轴的建模思路 28
4.2.3曲轴的建模步骤 28
4.3对ANSYS软件的介绍 30
4.4曲轴的有限元分析 30
4.4.1曲轴受力条件与简化 30
4.4.2曲轴的静力学分析 31
4.5本章小结 37
结论 38
参考文献 39
致谢 40
第1章绪 论
1.1选题的目的和意义
曲轴是发动机中最重要、载荷最大的零件之一。
曲轴承受着气缸内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杂合,并对外输出扭矩,理论和实践表明,发动机的曲轴的破坏形式主要是弯曲破坏。
因此在曲轴内产生交变的弯曲应力,可以引起曲轴疲劳失效,而一旦曲轴失效,就可能引起其他零件随之破坏。
所以对于整体式多缸曲轴,如何比较准确地得到应力、变形的大小及分布,对用于指导曲轴的设计和改进,具有重要意义。
随着发动机的不断强化,曲轴的工作条件愈加苛刻,保证曲轴的工作可靠性至关重要,其设计是否可靠,对柴油机的使用寿命有很大影响,因此在研制过程中需要给予高度重视。
由于曲轴的形状及其载荷比较复杂,对其采用经典力学的方法进行结构分析往往有局限性。
有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法,是分析各种结构问题的强有力的工具,使用有限元法可以方便地进行分析并为设计提供理论依据。
曲轴连杆机构作为发动机的传递运动和动力的机构,通过它把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力。
因此,曲柄连杆机构是发动机中主要的受力部件,其工作可靠性就决定了发动机工作的可靠性。
随着发动机强化指标的不断提高,机构的工作条件更加复杂。
在多种周期性变化载荷的作用下,如何在设计过程中保证机构具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为曲柄连杆机构设计的关键性问题[1]。
通过设计,确定发动机曲柄连杆机构的总体结构和部件结构,包括必要的结构尺寸确定、运动学和动力学分析、材料的选取等,以满足实际生产的需要。
在传统的设计模式中,为满足设计的需要须进行大量的数值计算,同时为了满足产品的使用性能,须进行强度、刚度、稳定性及可靠性等方面的设计和校核计算。
同时要满足校核计算,需要对机构进行运动学分析。
而为了真是全面地了解机构在运动工况下的力学特性,本文采用了运动学仿真,针对机构进行了实时的,高精度的动力学响应分析与计算,对提高设计水平具有重要意义,而且更直观清晰的反应曲柄连杆机构在运行过程中的受力状况,便于精确计算,同时应用有限元分析,对机构疲劳等强度与刚度的计算能够直观的了解,充分保证曲轴在工况下的强度,对进一步研究发动机的平和与震动、发动机增压的改造等均有较为实用的应用价值。
1.2国内外的研究现状
多刚体运动学模拟是近十年来发展起来的机械计算机模拟技术,提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段,在机械设计领域获得越来越广泛的应用。
它是利用计算机建造的模型对实际系统进行试验研究,将分析的方法运用于模拟实验,充分利用已有的基本物理原理,采用与实际物理系统实验相似的研究方法,在计算机上运行仿真实验。
目前国内对发动机曲柄连杆机构的动力学分析的方法有很多,而且已经完善和成熟。
其中机构运动学分析是研究两个或者两个以上的物体间的相对运动,即位移、速度和加速度的变化关系:
动力学则是研究产生运动的力。
发动机曲柄连杆机构的动力学分析主要包括气体力、惯性力、轴承力、和曲轴转矩等的分析,传统的内燃机工作机构运动力学、运动学分析方法主要有图解法和解分析法[2]。
1、解析法
解析法是对构件逐个列出方程,通过各个构件之间的联立线性方程组来求解运动副约束反力和平衡力矩,解析法又包括单位向量法、直角坐标法等。
2、图解法
图解法形象比较直观,机构各组成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小及改变趋势均能通过图解一目了然。
图解法作为解析法的辅助手段,可用于对计算机结果的判断和选择。
解析法取点数值较少,绘制曲线精度不高。
不经任何计算,对曲柄连杆机构直接图解其速度和加速度的方法最早由克莱茵提出,但方法十分复杂[3]。
3、复数向量法
复数向量法是以各个杆件作为向量,把在复平面上的连接过程用复数形式加以表达,对于包括结构参数和时间参数的解析式就时间求导后,可以得到机构的运动性能。
该方法是机构运动分析的较好方法。
通过对机构运动学、动力学的分析,我们可以清楚了解内燃机工作机构的运动性能、运动规律等,从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。
但是过去由于手段的原因,大部分复杂的机械运动尽管能够给出解析表达式,却难以计算出供工程设计使用的结果,不得不用粗糙近似的图解法求得数据。
近年来随着计算机的发展,可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运动过程和动态过程,从而形成了机械性能分析和产品设计的现代理论和方法。
通过对机构运动学和动力学分析,我们可以清楚了解内燃机工作机构的运动性能、运动规律等,从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。
但是过去由于手段的原因,大部分复杂的机构运动尽管能够给出解析式,却难以计算出供工程使用的计算结果,不得不用粗糙的图解法求得数据。
随着计算机的发展,可以利用复杂的计算表
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- 发动机 曲轴 设计 有限元分析