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研究生課程論文 《發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)運動學仿真及有限元分析》 課程名稱 有限元數(shù)值分析 姓 名 學 號 專 業(yè) 機械工程 任課教師 開課時間 2012-2011學年第1學期 教師評閱意見： 論文成績 評閱日期 課程論文提交時間： 2011 年 12 月 26 日 發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)運動學仿真及有限元分析 摘要:在對發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)運動學分析的基礎上，利用Pro/E軟件建立了發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的虛擬樣機模型，并進行運動學仿真分析，得到活塞的速度、加速度曲線;利用有限元分析軟件Algor對曲柄連桿機構(gòu)關鍵構(gòu)件—曲軸進行有限元分析，得到應力、應變和疲勞壽命云圖，為發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的優(yōu)化設計提供了參考依據(jù) 關鍵詞:曲柄連桿機構(gòu) 運動學 有限元分析 疲勞壽命 曲柄連桿機構(gòu)是發(fā)動機系統(tǒng)中最重要的組成部分，是發(fā)動機實現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運動部分.曲柄連桿機構(gòu)的功用是將燃料燃燒所釋放的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功;將活塞的往復直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動，并向傳動裝置輸出動力[1].曲柄連桿機構(gòu)的運動和受力情況較為復雜，因此，采用虛擬樣機技術(shù)和有限元分析技術(shù)相結(jié)合，對曲柄連桿機構(gòu)的運動學特性進行研究，分析各構(gòu)件的運動規(guī)律及受力情況，將對發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的優(yōu)化設計和可靠性設計奠定基礎。 本文采用三維建模軟件Pro/E，建立了發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)虛擬樣機模型，并在此環(huán)境下模擬了曲柄連桿機構(gòu)的運動規(guī)律，進行了運動學仿真分析.借助于有限元分析軟件Algor對曲柄連桿機構(gòu)關鍵構(gòu)件一曲軸進行了有限元分析.實踐表明，以理論分析為依據(jù)，以模擬分析為手段，將為發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的優(yōu)化設計和性能提高提供有力保障。 1.曲柄連桿機構(gòu)運動學分析 在曲柄連桿機構(gòu)的運動過程中，活塞作往復直線運動，曲軸作圓周旋轉(zhuǎn)運動.活塞在作往復運動時，其速度和加速度都是變化的，它的速度和加速度的數(shù)值和變化規(guī)律對曲柄連桿機構(gòu)以及發(fā)動機整體的工作具有很大影響，因此研究曲柄連桿機構(gòu)運動學的主要任務就是研究活塞的運動規(guī)律[2] 。曲柄連桿機構(gòu)簡圖如圖1所示，圖中氣缸中心線通過曲軸中心O，OB為曲柄，AB為連桿，B為曲柄銷中心，A為活塞銷中心曲柄轉(zhuǎn)角為，連桿軸線在其運動平面內(nèi)偏離氣缸軸線的角度為，A’為上止點，A’’為下止點。 由圖1得活塞的位移為 （1） 式中: 為連桿比。 又因為進一步化簡式（1），可得： （2） 為便于計算，將式(2)的根號項按牛頓二項式展開，并忽略極小項得活塞的位移為 （3） 活塞的運動速度是隨時間不斷變化的，它在某一瞬時的速度是位移對時間的一階導數(shù)，即: （4） 其中為曲柄轉(zhuǎn)動的角速度，在運動學計算中，假設為常數(shù).由式(3)和式(4)可得，活塞速度為： （5） 活塞運動的加速度為活塞速度對時間的一階導數(shù)，即: （6） 2.曲柄連桿機構(gòu)運動學仿真 2. 1曲柄連桿機構(gòu)虛擬樣機建立 Pro/E(Pro/Engineer)操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司(PTC)旗下CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件，具有強大的參數(shù)化建模功能.在Pro/E的標準菜單中包含了各種用于創(chuàng)建零件特征和基準特征的命令.通過應用這些特征造型技術(shù)可以很方便地設計出需要的實體特征.在Pro/E中建立曲軸的第1個曲拐，然后再經(jīng)過復制、平移、旋轉(zhuǎn)、合并后建立了一個完整的曲軸，接著創(chuàng)建發(fā)動機連桿、活塞及活塞銷等構(gòu)件如圖2所示，最后根據(jù)各構(gòu)件之間的相互關系進行自下向上裝配，從而完成發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的虛擬樣機模型，如圖3所示。 2. 2曲柄連桿機構(gòu)運動學仿真 曲柄連桿機構(gòu)的虛擬樣機建立之后，利用Pro/E軟件的機構(gòu)運動模塊.可以對曲柄連桿機構(gòu)進行運動學仿真，得到曲柄連桿機構(gòu)各個構(gòu)件的運動規(guī)律.考慮到曲柄連桿機構(gòu)運動學的主要任務就是研究活塞的運動規(guī)律，活塞的速度和加速度的變化對曲柄連桿機構(gòu)性能影響較大，所以在此只輸出活塞的速度和加速度曲線.如圖4和圖5所示。 由圖4和圖5可知，直列四缸發(fā)動機由于結(jié)構(gòu)上1 ,4缸與2,3缸相隔1800，因此工作時，活塞1和活塞4運動規(guī)律相同，活塞2和活塞3運動規(guī)律相同.各氣缸活塞的速度曲線呈正弦曲線周期變化，跟理論分析相吻合.當各活塞的速度均為0時，加速度達到正向和反向最大值，這與曲柄連桿機構(gòu)的實際運動狀況相符.進一步說明了采用虛擬樣機技術(shù)分析機構(gòu)運動學具有很大的優(yōu)越性，無需繁瑣的數(shù)學式推導，就可以輸出構(gòu)件任一點的運動規(guī)律變化曲線。 3曲軸有限元分析 Algor(現(xiàn)更名為Autodesk Simulation)是新一代的CAF分析工具，在汽車、電子、航空航天、醫(yī)學、軍事、電力系統(tǒng)、石化、土木工程、微機電系統(tǒng)、日用品生產(chǎn)等諸多領域中均得到了廣泛的應用，Algor具有完善的有限元分析功能.在此可利用Algor軟件對曲柄連桿機構(gòu)的主要構(gòu)件進行有限元分析，來達到曲柄連桿機構(gòu)優(yōu)化設計的目的。 本文以曲柄連桿機構(gòu)的重要構(gòu)件曲軸為例進行分析.曲軸所用材料為40Cr，其泊松比, =0. 3，彈性模量為E=210 GPa，材料的抗拉強度= 980 MPa，屈服極限為=785 MPa.將曲軸三維模型導入Algor:軟件后，通過定義材料屬性，劃分網(wǎng)格，添加約束，施加載荷，設置分析類型，求解等步驟，可以得到曲軸的“應力”、“應變”分析結(jié)果.曲軸所承受的氣體壓力、活塞與連桿往復運動的慣性力需要在工況計算時，轉(zhuǎn)換到曲軸的曲柄銷部位.根據(jù)傳統(tǒng)方法及有限寬度軸頸油膜壓應力分布規(guī)律，忽略油孔處壓力峰值突變的影響，假定壓力邊界條件為載荷沿連桿軸頸按二次拋物線規(guī)律分布，沿軸頸圓周1200范圍內(nèi)按余弦規(guī)律分布[3] ，如圖6所示.以第3缸處于最大爆發(fā)工況為例對曲軸進行研究，曲軸軸頸受力如圖7所示。 曲軸在工作過程中，應力主要集中在連桿軸頸、曲柄臂和主軸頸、曲柄臂過渡圓角處[4-6]。發(fā)動機氣缸發(fā)生最大爆發(fā)壓力時，曲軸軸頸處的受力是最大的，所以其應力與應變也應該是比較大[7] 。以第3缸處于最大爆發(fā)工況為例對曲軸進行有限元分析，得到應力、應變云圖如圖8所示。由圖8看出，當?shù)?缸處于最大爆發(fā)壓力工況時，曲軸最大應力值為67.06 MPa，發(fā)生在第3連桿軸頸上部與曲柄過渡圓角處。最大應變?yōu)?.023 mm，發(fā)生在第2缸和第3缸連桿軸頸及曲柄部位.實際工作過程中，這些部位也容易產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。因此，借助于有限元技術(shù)，可以找到曲軸的薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)曲軸的優(yōu)化設計。 4曲軸疲勞壽命分析 由于曲軸在交變應力作用下，其軸頸截面變化轉(zhuǎn)接圓角處發(fā)生應力疲勞與應力疲勞破壞的危險性極大，如何提高發(fā)動機曲軸的抗疲勞強度，以提高發(fā)動機的使用壽命，多年來一直是人們研究和探索的課題川.采用有限元技術(shù)對機構(gòu)進行疲勞分析可以簡化設計過程。本文利用Algor:軟件對曲軸進行疲勞壽命分析.具體步驟為在Algor后處理環(huán)境中單擊Fatigue Wizar按鈕，選擇應力疲勞法，設置各項參數(shù)、輸入設計循環(huán)次數(shù)為1010 ，最后輸出疲勞計算結(jié)果如圖9和圖10所示。 由圖9可以看出，曲軸上疲勞壽命相對較低的部位位于連桿軸頸，曲柄臂和主軸頸以及各過渡圓角處，這些部位也是容易發(fā)生應力集中的部位.最短壽命次循環(huán)，達到了發(fā)動機曲軸的設計要求。由圖10可以看出，曲軸上最先出現(xiàn)損壞的的部位位于連桿軸頸與曲柄過渡圓角處，這與實際狀況相符合.驗證了設計的合理性。 5結(jié)語 采用三維CAD軟件Pro/E建立了四缸發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的虛擬樣機，并在此基礎上進行了運動學仿真分析，驗證了曲柄連桿機構(gòu)運動規(guī)律的準確性；利用Algor軟件對曲軸進行了靜力學性能分析，分析第3缸爆發(fā)時的應力云圖和變形圖，找到曲軸的應力集中部位，為曲軸的優(yōu)化設計提供了重要依據(jù)；利用Algor軟件的疲勞分析模塊對曲軸進行疲勞分析，得到曲軸疲勞壽命云圖和損傷圖，對提高發(fā)動機的可靠性提供了參考依據(jù).研究表明，采用虛擬樣機技術(shù)和有限元技術(shù)相結(jié)合，可以更快驗證設計的準確性，從而縮短產(chǎn)品設計周期，提高設計質(zhì)量，達到機械產(chǎn)品的快速化設計目的。 參考文獻: [1]李飛鵬內(nèi)燃機構(gòu)造與原理[M]北京:中國鐵道出版社，2003 [2]李明海，徐小林，張鐵臣內(nèi)燃機機構(gòu)[M]北京:中國水利機電出版社，2010 [3]沈海濤，鄭水英柴油機曲軸危險工況的確定及其靜強度分析[J]機械設計，2006,23(11):28-30 [4]李迎，裘碧峰，李孝祿,490柴油機曲軸應力應變有限元仿真[J]農(nóng)機化研究，2011,33(11):217-220 [5]唐傳茵，馬巖，朱博，等V8發(fā)動機曲軸有限元分析[J]機械設計與制造，2013(1):211-213 [6]薛海，商躍進，王紅,12V180內(nèi)燃機連桿的強度分析[J]蘭州交通大學學報，2009,28(3):118-100 [7]任思路，童寶宏車用發(fā)動機曲軸的有限元分析[J]重慶理工大學學報，2011,20(9):11-10 [8]劉榮昌，馬淑英，馬國清曲軸滾壓關鍵參數(shù)設計理論與數(shù)值模擬[M].北京:國防工業(yè)出版社，2010