ANSYS软件的柴油机曲轴有限元分析.doc

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1、基于ANSYS软件的柴油机曲轴有限元分析1引言      随着柴油机的不断强化，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，使用有限元法可方便地进行分析并为设计提供理论依据。      6105高速柴油机曲轴为全支承式，总长929mm，连杆颈直径为63mm，主轴颈直径为70mm，

2、分别在第1、第3、第4、第6连杆轴颈上设有非轴线对称平衡块。本文采用ANSYS有限元软件，在静应力计算部分采用整体曲轴模型进行有限元分析和模态分析，并就单元选择及网格划分对应力的影响做了分析比较。2整体曲轴有限元模型的建立      传统的曲轴分析，国内外多采用单拐或1/2单拐模型。但这种方法还不能反映整体曲轴内部应力场的分布状态，有些学者也采用连续梁理论对曲轴进行分析计算，但把象曲轴这样复杂的结构简化成连续梁，计算结果显然是不准确的。因此，为了较为准确地计算曲轴强度和了解曲轴内部的应力状况，本文采用曲轴三维整体模型，对曲轴进行静强度

3、和刚度的有限元分析。   2.1有限元网格的划分      由于曲轴结构复杂，利用有限元软件进行建模时很难保证与图纸上的曲轴结构完全一致，因此建模时必须简化。为了减少应力集中，曲轴上不同截面的结合处都有半径不一的倒角，如果在建模时考虑这些倒角和油孔，则会使有限元的网格非常密集，这就大大地增加了模型的单元数量，花费大量的求解时间，而且生成的网格形状也不理想，降低了求解精度，因此在整体曲轴建模时仅考虑主轴颈、曲轴轴颈与曲拐连接处的过渡圆角。      采用ANSYS有限元软件，根据曲轴的结构特点，结合有限元分析软件中所提供的单元类型，选择

4、10节点的四面体单元Solsd92。在建模时，首先采用较疏的网格实体模型进行网格划分，然后将连杆轴颈和曲轴主轴颈的圆角处进行网格细划。剖分后形成的曲轴有限元网格见图1。图中的曲轴模型共有114622个节点，71982个单元。   2.2载荷状况的确定      曲轴在工作时承受缸内的气体压力、往复和旋转质量惯性力的作用，根据已给定的发动机参数，通过发动机动力学计算，求得此发动机连杆轴颈载荷的最大值，及随后曲轴再转过120度,240度,360度,480度,600度时连杆轴颈载荷的数值，见表1。   由于曲轴主要是因弯曲而破坏的，因此对曲

5、轴受到飞轮处的扭转力可暂不考虑，为简便起见，可假设对发火的气缸，当活塞处于上止点位置时连杆轴颈载荷达到最大值Pa，对六缸发动机只需考虑各个气缸分别处于压缩终了活塞在上止点位置时的受力状况即可，发动机各缸的发火顺序为1—5—3—6—2—4，可将曲轴的受力状况用图形表示出来，其中三缸、四缸发火时曲轴受力状况见图2。   2.3曲轴的边界条件   2.3.1力边界条件      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:载荷沿曲柄销轴向均匀分布，沿曲柄销径向120度角范围内按余弦规律

6、分布，如图3所示。      对于余弦规律的分布曲线方程可通过面积积分方式求得，这里求得余弦曲线方程为   式中:F—对应于不同的l作用于曲柄销上的力;      F均布—假设力为均布时，平均分布于每个节点上的力;        l—力作用点对应曲轴中心对称面的弧长。根据以上所得力的分布公式，可求得各个离散单元的受力，然后将其分配到各个节点上，从而得到等效节点边界力。考虑曲轴惯性力的影响，输入以额定转速2500n/min时的角速度261.7rad/s，有限元程序会自动将惯性力加在每一个节点上。   2.3.2支撑边界条件      将

7、主轴承对曲轴的支撑视为弹性支座，设弹簧刚度为K，认为K值在曲轴纵向对称面内沿主轴颈均布，对于图1的曲轴有限元模型，可视K均分在曲轴纵向对称面内主轴颈中截面左右的两个对称点上，本文中我们取K值为3X1.0E+11N/m，这一刚度接近于主轴承的实际刚度。      在进行有限元分析时，为模拟曲轴的全支撑情况，约束弹簧对主轴颈的径向位移;为模拟止推轴承的作用，可将曲轴左端面靠近轴心的对称四个节点的Z向位移为0，以防止曲轴沿轴向产生刚体位移。(边界条件见图4)  3曲轴整体模型计算结果分析   3.1变形分析算   通过对各缸发火时的静力分析

8、可得出，在3缸发火时，变形量最大，为0.87mm，位于第一、六曲柄臂配重处，三缸变形示意图如图5所示。3.2应力分析      按第四强度理论计算的等效应力较大值，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