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1、安徽工程科技学院毕业设计（论文）第1章绪 论1.问题背景往复活塞式内燃机的曲轴系包括活塞、连杆、曲柄等内燃机的主要运动部件。其功用是将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动，且将作用的活塞上的燃气压力转化为扭矩，借助飞轮向外输出，从而实现热能向机械能的转化，是内燃机传递运动和动力的机器。内燃机工作时,其机械行为表现为多学科的行为同时发生。实际上,机械设计就是多学科的行为的综合和优化。但以往由于计算机技术落后，计算能力有限，机械行为研究主要集中在单一的学科领域。近年来随着对内燃机动力性和可靠性的要求不断提高,高转速、废气增压发动机的出现，使曲轴系的工作条件愈加苛刻,原有的动力学、摩擦学、强度、刚度等
2、单学科行为研究已远不能适应现代内燃机设计的需要，迫切需求对曲轴系进行多学科行为的综合研究。同时,随着计算技术的发展，各种专业软件的广泛应用，为曲轴系多学科机械行为的研究提供了必要的前提 1 。从单一学科的研究，人们已经做了大量的工作，现分述如下：1.2曲轴系动力学行为的研究现状对于曲轴系动力学行为，单缸内燃机传统的分析方法如图1-1，在对各构件进行运动分析的基础上，计算出各自产生的旋转惯性力和往复惯性力，与气体爆发压力合成后求解出对机体的作用力以及曲轴系振动的激振力，这种利用内燃机动力计算方法对曲轴系统进行分析，几何关系非常直观，但是计算过程是十分烦琐的 1。图1-1用内燃机动力计算法多缸内燃
3、机曲轴系的计算，常用的传统计算方法有两种: 简支梁法和连续梁法2。1 简支梁法该方法以通过主轴颈中心并垂直于曲轴中心线的平面将曲轴分成若干个曲拐, 每个曲拐视为一简支梁。图1-2 为其计算简图(几何-力学模型)。其不考虑相邻曲拐上作用力的影响，与实际情况有较大差异。图1-2 简支梁法计算简图2 连续梁法 连续梁法把曲轴简化为多支承的静不定连续梁(图1-3) , 应用三弯矩或五弯矩方程求解。由于假设的几何-力学模型不同, 连续梁法主要有以下三种: 将曲轴简化为多支承圆柱形连续直梁, 其直径与轴颈直径相同或相当; 曲轴作为支承在弹性支承上变截面的静不定直梁; 曲轴作为支承在弹性支承上的静不定曲梁。
4、连续梁法一般假设曲轴的支承以铰接形式作用于主轴颈的中点。其将曲轴简化为当量连续梁，根据五弯矩方程求出连续梁各支承处的弯矩，再以一个曲拐为对象计算主轴承负荷。与简支梁法比较，连续梁法更接近实际情况，但其计算需分步进行，各主轴承负荷也是分别求解，因此过程比较复杂、烦琐，而且还存在计算模型简化产生的误差。图1-3 连续梁法计算简图近年来，多体系动力学有了进一步的发展，并在机械设计领域有一定的应用。ADAMS软件的出现，使设计人员进一步摆脱了烦琐的编程计算，使虚拟样机技术成为现实。北理工的覃文洁等人利用ADAMS软件对某型车辆V型六缸发动机曲轴系进行过动力学分析，显示了ADAMS动力学分析的优越性 3
5、。图1-4 CAD软件、有限元分析软件和系统动力学分析软件的数据流1.3曲轴强度研究现状确定曲轴强度的方法有两种: 一是试验研究, 二是分析计算。由于试验研究需要花费很长时间和高昂费用, 而且一根曲轴的试验, 也不能说明整批曲轴的强度。另外, 试验研究只能在已制成的曲轴上进行, 设计阶段则无法进行。因此, 人们很早就致力于用分析计算的方法研究曲轴强度。然而, 曲轴强度的计算甚为困难。一方面, 曲轴工作应力的准确计算十分困难: 内燃机曲轴承受弯曲、扭转和振动等多种载荷; 曲轴形状十分复杂, 应力集中相当严重; 轴承的不同心度及工作状态下机体的变形、轴颈与轴承之间的间隙和油膜状况均显著影响曲轴的受
6、力, 并涉及到许多互相关联互相制约的因素。另一方面, 曲轴的强度考核也比较困难,特别是采用工艺强化措施后, 其效果的定量描述难以确定。已有的曲轴强度计算都归结为疲劳强度计算, 其计算步骤分为以下两步: 一是应力计算, 求出曲轴危险部位(如轴颈与曲柄的过渡圆角处和轴颈油孔附近) 的应力幅和平均应力; 二是在此基础上进行疲劳强度计算 2。1.3.1应力计算1 应力集中系数的计算在曲轴中, 轴颈与曲柄的过渡圆角处和轴颈油孔附近存在严重的应力集中现象, 传统方法通常用应力集中系数修正由简支梁法或连续梁法计算所得的名义应力, 以计算曲轴的最大工作应力。以往一般通过试验方法研究确定应力集中系数, 提出的应
7、力集中系数计算公式都是经验计算式, 使用时必须注意其适用的参数范围、试验条件以及应用场合, 否则可能产生很大的误差。另外, 它们没有考虑过渡圆角处三维形状的影响, 因此不能用于精确计算。有限元和边界元方法的应用, 为准确地计算应力集中系数提供了可能。由于曲轴几何形状复杂, 三维有限元分析比较费时, 因此Guagliano 等人进行了试验测试和数值分析。结果表明, 具有相同载荷和边界条件的二维和三维分析所得的应力集中系数数值相近。从节省计算时间考虑, 可以使用曲轴的平面模型确定应力集中系数。为了在较短时间内方便精确地预测应力集中系数, Shiomi 等人应用人工神经网络技术研制了一个预测应力集中
8、系数的系统。该系统建立在由曲轴几何形状和有限元计算得到的应力集中系数组成的数据库的基础上, 提出了一个适应传递函数运算法则作为神经网络的学习方法, 可以利用有限的数据计算不同曲轴的应力集中系数。2 有限元方法 传统方法根据名义应力和应力集中系数计算曲轴危险部位的应力。由于曲轴形状复杂, 名义应力的准确计算比较困难, 而应力集中系数通常由单拐平面模型计算或由有限数量的曲轴试验数据推算得到, 再加上名义应力和应力集中系数很难结合一致地反映实际最大应力, 因此传统方法有相当的不准确性。有限元理论的发展, 为精确且全面地计算曲轴应力提供了条件。曲轴是空间构件, 从对实际形状的逼近和整个应力分布规律的求
9、解来说, 三维有限元分析最为理想。平面分析方法不能求出曲轴沿圆周方向的应力分布, 因此, 除在确定应力集中系数时还有应用外, 目前已基本不采用二维有限元模型。（1）计算模型三维有限元分析采用的计算模型一般有三种。 1/4 或1/2 曲拐模型。它主要考虑弯曲载荷作用, 并认为曲轴的形状和作用载荷相对于曲拐平面对称。 单个曲拐模型。用于分析曲轴上受载最严重的曲拐, 优点在于计算规模小。但其很难正确确定主轴颈剖分面处的边界条件, 剖分面距离过渡圆角很近也会影响计算精度。为了考虑相邻曲拐、轴承孔不同心度及支承变形等影响因素, 常将单拐模型与曲轴的整体梁元模型联合起来使用, 先用梁元模型计算曲轴各拐的约
10、束力和支反力, 然后将计算所得的约束力和支反力与单拐受到的气压力和惯性力一并作为单拐模型的力边界条件。 整体曲轴模型(图1-5) 。这是进行曲轴有限元分析最合理的模型, 计算精度高。但是, 其计算规模巨大, 为了在常规条件下求解, 必须采用合适的方法。图1-5 整体曲轴有限元计算模型 划分有限元网格时, 考虑到曲轴局部(如过渡圆角和油孔部位) 产生应力集中, 必须在应力集中区域将网格加密。一般采用两种方式: 一种是在应力集中区域直接加密网格; 另一种是先采用粗网格计算, 然后在应力集中区域取出一块进行局部细化计算。在大多数计算模型中, 油孔处的应力集中只根据经验进行粗略估算。蓝军等人对曲轴的油
11、孔应力集中进行了有限元分析。计算结果表明, 有油孔与无油孔模型油孔边缘处的应力相差很大, 另外油孔周围和油道内表面的应力变化也非常剧烈, 呈明显的应力集中态势。(2) 边界条件处理载荷边界条件的处理重点是作用在轴颈表面的力处理。早期计算时, 作用在主轴颈上的支承反力由简支梁法确定, 并设定为集中力。现在已基本按连续梁法计算并设作用在轴颈上的载荷为分布载荷, 沿轴线方向均布或呈抛物线分布(图1-6a) , 沿圆周方向120呈余弦分布。对于这样的处理, 钱丽丽等人认为不能较真实地反映连杆大头与曲柄销之间实际接触力的分布情况, 该作者运用三维有限元法对两者之间的接触关系进行了考查 , 结果显示, 接
12、触力沿曲柄销轴线方向上各接触面的圆周接触角大小不同, 越靠近中间接触面, 接触角度越小。接触力的大小也是越靠近中间接触面越小(图1-6b)。但该文的假设条件是将连杆大头与曲柄销作为接触问题考虑, 没有考虑油膜形状和厚度的影响。图1-6 传统分析油膜压力的添加 在位移边界条件处理中, 一般根据曲轴结构等方面的实际情况决定处理方法。例如, 考虑到曲轴推力轴承的止推作用, 在主轴颈中央端面施加轴向约束; 在曲拐对称平面内不会产生垂直于曲拐平面方向上的位移, 因此在对称面上加相应的约束。曲轴的支承情况很复杂, 以前一般把主轴承视为刚性, 对主轴颈施加刚性约束。为了使其处理尽可能符合实际, 李桂琴等人将
13、支承看成是有一定弹性的线性弹簧; 王良国等人将主轴颈所受的轴承弹性支承作用离散为作用在支承面每个节点上的弹性边界元;丁彦闯等人将曲轴和机体组装在一起建立计算模型,用厚度不等的膜单元形成的结构来模拟机体, 曲轴与机体利用节点变位主从关系在主轴颈中点连接起来; 蓝军等人把主轴承盖和主轴承轴瓦看成整体的弹性体, 求出相应节点的刚度, 然后把它施加到主轴颈的相应节点上。3.边界元方法边界元方法在内燃机中的应用较多, 但对于曲轴这样的复杂零件, 为了获得外形比较准确、疏密适当、单元畸变小的三维边界元网格, 一方面划分比较困难,另一方面节点数也较多, 规模较大, 求解时间较长。因此, 目前边界元方法一般是
14、结合有限元方法计算曲轴局部区域(如应力集中处) 的应力。然而, 由于边界元方法具有一般只需对物体的表面进行网格划分的显著优势, 数据准备比较简单, 所以仍有人在研究适合内燃机曲轴这样的复杂零件的边界元分析方法。胡圣荣等人提出了一种高精度边界元算法, 其允许采用非规则非均匀网格: 除应力集中较严重的局部区域采用较小单元外, 其它部位尽量采用较大单元; 在网格疏密之间快速过渡; 允许单元有相当程度的畸变等(一般边界元方法要求网格比较规则和均匀过渡, 否则计算精度难以保证) , 从而有效地降低了节点数, 减小了计算规模。1.4本文的研究内容、思路和意义从前人的研究，我们可以看出目前内燃机曲轴系的研究
15、分析已经取得了很多重要成果，但是进行的研究工作一般都是限定在各自的学科范围内，没有跨出动力学、摩擦学、强度学等学科领域进行多学科的耦合分析。本文以N485柴油机曲轴系为研究对象，对其进行进行多学科的研究。研究主要涉及曲轴系多体动力学和曲轴强度两个方面问题。首先须对内燃机曲柄连杆机构进行的动力分析。因此，设计的第一步是利用UG软件对内燃机的活塞、连杆、曲轴、主轴承进行几何建模，并在UG中装配以及填加运动副进行机构运动仿真。因为UG动力学分析功能有限，因此对机构仿真检查无误后，要将机构导入ADAMS软件系统中。接着在ADAMS软件中，对曲轴系模型进行多体系统动力学分析。求得曲轴主轴承反力和连杆轴承
16、反力,然后利用优化算法和流体动压润滑理论在MATLAB中编程求得曲轴的轴心轨迹，并进行动态油膜压力分析。把曲轴模型导入ANSYS软件进行网格划分，并在ANSYS中将所得的动态油膜压力加载到曲轴模型上，进行结构强度分析。曲轴系多体动力学分析能得到连杆轴颈的载荷曲线，是曲轴系统设计的关键数据，也是进行轴颈动压润滑设计的前提。曲轴强度计算采用动态油膜压力，是我们研究的主要特色，能比较准确的得到轴颈表面的动应力，为曲轴疲劳强度设计提供可靠的依据。曲轴系的多学科机械行为研究是一项十分复杂的工作，由于本人能力和毕业设计时间的限制，在为期3个月的时间里，本人仅对曲轴系多刚体动力学和曲轴强度学行为进行了分析研究，下图是分
