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1、天津工程师范学院2008届本科生毕业论文Tianjin University of Technology and Education毕 业 论 文专 业： 汽车维修工程教育 班级学号： 汽修0402-14 学生姓名： 指导教师： 二八年 六 月天津工程师范学院本科生毕业论文 490Q柴油机曲轴的有限元模态分析modal analysis of finite element on 490Q diesel engine cramkshaft专业班级：汽修0402学生姓名： 指导教师： 系 别：汽车工程系2008 年 6 月天津工程师范学院毕业设计（论文）任务书 2007年12月题 目（包括副标题）
2、490Q柴油机曲轴有限元分析教师姓名阎文兵系 别汽车工程系职 称教授学生姓名宋 炜班 级汽0402班学 号14号课题成果形式论文 设计说明书 实物 软件 其它1毕业设计（论文）课题任务的内容及方法：1、本课题的研究任务是：（1）了解模态的概念及模态分析的基本理论；掌握有限元解题思路与步骤；（2）了解曲轴的结构及工作特点；（3）熟练掌握ANSYS有限元分析软件。并应用其对490Q柴油机曲轴进行有限元模态分析分析。2、本课题的研究方法：应用ANSYS软件对490Q柴油机曲轴进行分析：（1）曲轴的工况分析及ANSYS建模Pro/e或其他三维CAD软件建模（2）有限元网格划分（3）确定边界条件，施加载
3、荷（4）三维有限元计算，求解前十二阶固有频率（5）调出分析结果2毕业设计（论文）工作进度计划：周 次工作内容第1周-第3周第4周-第5周第6周-第8周第9周-第10周第11周-第12周查阅搜集资料，学习有关知识；总体结构及多方案比较自学模态分析的基本理论及方法；自学有限元法的基本理论，了解有限元分析的基本步骤；自学有限元分析软件ANSYS零件及工艺设计应用有限元分析软件ANSYS建立曲轴的三维模型并进行曲轴自由模态计算，要求求解曲轴前六阶固有频率，分析计算结果；撰写毕业论文，准备答辩。 教研室（学科组）主任签字： 摘要曲轴是柴油机重要部件，本文在介绍490Q柴油机曲轴结构的基础上，根据三维有限
4、元分析理论和多自由度系统振动模态分析理论，运用ANSYS软件，采用有限单元法,对490Q 柴油机曲轴进行了符合实际情况的三维建模，对柴油机曲轴的整体进行有限元自由模态分析，提取出它的前十二阶模态固有频率和振型，参考其总体位移变化云图对曲轴整体振动特性进行分析和评价，结合曲轴应力应变云图，对曲轴结构强度进行分析，为柴油机优化、改进设计提供了有价值的理论依据。关键词 :曲轴；有限元；模态分析 AbstractThe crankshaft is an important part of a diesel engine ,This article talks about the structure o
5、f crankshaft of 490Q diesel engine at first, then the finite element free modal analysis of the crankshaft was carried out in ANSYS software, which depends on the theoretic of 3-D finite element analysis and freedoms-system Vibration modal analysis , by means of FEM , this paper set up a 32dimention
6、al model for model 4190 diesel engines crankshaft corresponding to practical conditions, obtain its front 12 modal inherent frequency ,talks on its vibration characteristic according to total DOF picture. And created a finite element modal for single crutch , then analysis its static characteristic
7、，The model analysis was made for the crankshaft，which provides valuable theoretical foundation for the optimization and improvement of engine designKeywords: crankshaft ； finite element；modal analysis目录1 引言11.1 课题研究背景11.2 课题研究的意义11.3 研究任务22 曲轴的功用和工作条件32.1 功用32.2 工作条件33 模态分析的基本理论53.1 模态的概念53.2 模态分析方法
8、53.3 有限元法63.4 课题研究拟采用的手段64 ANSYS简介74.1 ANSYS软件主要功能74.2 ANSYS软件主要特点74.3 运行环境（ANSYS10.0）85 ANSYS 的基本使用96 模态分析166.1 模态分析的定义166.2 模态提取方法167 490Q柴油机曲轴自由模态分析187.1 几何建模187.2 曲轴自由模态分析267.3 获取处理图形和数据结果28结论33参考文献34致谢361 引言1.1课题研究背景 曲轴是发动机中最重要的运动部件之一。它的尺寸参数还影响着发动机整体尺寸、重量和制造成本，并且在很大程度上影响着发动机的可靠性和寿命。曲轴在工作中承受着汽缸内
9、周期性变化的气体压力、往复运动质量及旋转质量惯性力引起的周期性变化的载荷，并对外输出扭矩，因此承受交变的拉伸、压缩、弯曲和扭转的复合应力，同时还有弯曲振动，从而会引起曲轴疲劳失效，而一旦失效，就可能引起其他零件随之破坏。所以对于整体式多缸发动机曲轴，如何比较准确地得到应力、变形的大小及分布，对用于指导曲轴的优化、改进和设计具有重要意义1。随着科技的进步和使用要求的不断提高，以经验和试制、实验为典型特征的传统设计方法已远不能满足现代产品对性能的需求，取而代之的是以计算机为基本工具，以数值仿真分析为主要手段的现代设计理论和方法的广泛应用。汽车发动机设计是典型的机械系统设计，针对汽车发动机的现代设计
10、技术研究具有代表性意义。曲轴是汽车发动机至为关键的部件之一，其性能优劣直接影响着汽车发动机的可靠性和寿命，所以利用计算机仿真对曲轴设计及生产有着积极的指导作用2。有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具。经过迄今约半个世纪的发展，它已日趋成熟实用。发动机零部件的设计是有限元技术最早的应用领域之一。有限元技术在发动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，大大推动了发动机工业的发展3。1.2 课题研究的意义曲轴是发动机中最重要、载荷最大、价格最高的零件之一。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载荷,并
11、对外输出扭矩,曲轴还有扭转振动,因此在曲轴内产生交变的弯曲应力和扭转应力,可能引起曲轴疲劳失效,而一旦曲轴失效,就可能引起其它零件随之破坏。所以对于整体式多缸机曲轴,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,对用于指导曲轴的设计和改进,具有重要意义。本文采用有限单元法,对490Q柴油机曲轴进行了符合实际情况的三维建模,研究了整体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广泛采用的单拐力学模型的可靠性,并对曲轴进行了模态分析, 曲轴的模态分析能准确地确定振形节点位置,并能快速地分析曲轴尺寸、平衡块大小与布置、曲轴材料等因素对轴系动
12、特性的影响。这对产品改进和开发选择较优的轴系参数是很有效的。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
13、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45。1.3 研究任务（1）了解模态的概念及模态分析的基本理论；掌握有限元解题思路与步骤；（2）了解曲轴的结构及工作特点；（3）熟练掌握ANSYS有限元分析软件。并应用其对490Q柴油机曲轴进行有限元模态分析分析。2柴油机曲轴的基本叙述2.1功用和工作条件曲轴连杆机构是发动机五大机构之一。其曲轴是内燃机的一个重要零部件，也是内燃机中成本最高的零件，它的尺寸较大、材料昂贵、形状复杂、 加工精
14、度要求很高。曲轴的主要功用是把活塞、连杆传来的气体压力、往复惯性力和旋转惯性力，转变为转矩，驱动汽车的传动系统和发动机的配器机构，及其它辅助装置（如喷油泵、水泵、机油泵、发电机、风扇等）。在周期性变化的气压力、往复和旋转运动引起的惯性力以及它们的弯扭矩共同作用下，使得曲轴在工作过程中既弯曲又扭转，因此，曲轴应具有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度；轴颈应具有足够大的承压表面和耐磨性；曲轴的质量应尽量小，对各轴颈的润滑应该充分。2.2曲轴的分类曲轴的可根据不同的方式分类。从结构上可分为整体式曲轴和组合式曲轴；主从轴承可分为滑动轴承式曲轴和滚动轴承式曲轴；根据曲柄臂的特点，曲轴又分为普通型和圆盘形两种。对车辆发动机来说，整体式曲轴用的最多，其中又以采用滑动轴承的占绝大多数。曲轴的不同结构型式，会使整个发动机结构有很大的变化，还会涉及到曲轴的制造方法与成本。所以要根据发动机的用途、要求和制造条件来考虑。本文选用多支承式滑动轴承整体式曲轴。2.3 曲轴的结构设计曲轴的结构形式有很多种。从结构上可分为整体式曲轴和组合式曲轴；主从轴承可分为滑动轴承式曲轴和滚动轴承式曲轴；根据曲柄臂的特点，曲轴又分为普通型和圆盘形两种。对车辆发动机来说，整体式曲轴用的最多，其中又以采用滑动轴承的占绝大多数。曲轴的不同结构型
