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研究生課程論文 《發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及有限元分析》 課程名稱(chēng) 有限元數(shù)值分析 姓 名 學(xué) 號(hào) 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械工程 任課教師 開(kāi)課時(shí)間 2012-2011學(xué)年第1學(xué)期 教師評(píng)閱意見(jiàn)： 論文成績(jī) 評(píng)閱日期 課程論文提交時(shí)間： 2011 年 12 月 26 日 發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及有限元分析 摘要:在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，利用Pro/E軟件建立了發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)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(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件—曲軸進(jìn)行有限元分析，得到應(yīng)力、應(yīng)變和疲勞壽命云圖，為發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù) 關(guān)鍵詞:曲柄連桿機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)學(xué) 有限元分析 疲勞壽命 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中最重要的組成部分，是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運(yùn)動(dòng)部分.曲柄連桿機(jī)構(gòu)的功用是將燃料燃燒所釋放的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功;將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并向傳動(dòng)裝置輸出動(dòng)力[1].曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和受力情況較為復(fù)雜，因此，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)和有限元分析技術(shù)相結(jié)合，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行研究，分析各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及受力情況，將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。 本文采用三維建模軟件Pro/E，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型，并在此環(huán)境下模擬了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析.借助于有限元分析軟件Algor對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件一曲軸進(jìn)行了有限元分析.實(shí)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(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能提高提供有力保障。 1.曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，活塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，曲軸作圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).活塞在作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)整體的工作具有很大影響，因此研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的主要任務(wù)就是研究活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[2] 。曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，圖中氣缸中心線通過(guò)曲軸中心O，OB為曲柄，AB為連桿，B為曲柄銷(xiāo)中心，A為活塞銷(xiāo)中心曲柄轉(zhuǎn)角為，連桿軸線在其運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)偏離氣缸軸線的角度為，A’為上止點(diǎn)，A’’為下止點(diǎn)。 由圖1得活塞的位移為 （1） 式中: 為連桿比。 又因?yàn)檫M(jìn)一步化簡(jiǎn)式（1），可得： （2） 為便于計(jì)算，將式(2)的根號(hào)項(xiàng)按牛頓二項(xiàng)式展開(kāi)，并忽略極小項(xiàng)得活塞的位移為 （3） 活塞的運(yùn)動(dòng)速度是隨時(shí)間不斷變化的，它在某一瞬時(shí)的速度是位移對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，即: （4） 其中為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，在運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算中，假設(shè)為常數(shù).由式(3)和式(4)可得，活塞速度為： （5） 活塞運(yùn)動(dòng)的加速度為活塞速度對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，即: （6） 2.曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 2. 1曲柄連桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)建立 Pro/E(Pro/Engineer)操作軟件是美國(guó)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(qiáng)大的參數(shù)化建模功能.在Pro/E的標(biāo)準(zhǔn)菜單中包含了各種用于創(chuàng)建零件特征和基準(zhǔn)特征的命令.通過(guò)應(yīng)用這些特征造型技術(shù)可以很方便地設(shè)計(jì)出需要的實(shí)體特征.在Pro/E中建立曲軸的第1個(gè)曲拐，然后再經(jīng)過(guò)復(fù)制、平移、旋轉(zhuǎn)、合并后建立了一個(gè)完整的曲軸，接著創(chuàng)建發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、活塞及活塞銷(xiāo)等構(gòu)件如圖2所示，最后根據(jù)各構(gòu)件之間的相互關(guān)系進(jìn)行自下向上裝配，從而完成發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，如圖3所示。 2. 2曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)建立之后，利用Pro/E軟件的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模塊.可以對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到曲柄連桿機(jī)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.考慮到曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的主要任務(wù)就是研究活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，活塞的速度和加速度的變化對(duì)曲柄連桿機(jī)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(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)上1 ,4缸與2,3缸相隔1800，因此工作時(shí)，活塞1和活塞4運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，活塞2和活塞3運(yùn)動(dòng)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(dāng)各活塞的速度均為0時(shí)，加速度達(dá)到正向和反向最大值，這與曲柄連桿機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況相符.進(jìn)一步說(shuō)明了采用虛擬樣機(jī)技術(shù)分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)具有很大的優(yōu)越性，無(wú)需繁瑣的數(shù)學(xué)式推導(dǎo)，就可以輸出構(gòu)件任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(chē)、電子、航空航天、醫(yī)學(xué)、軍事、電力系統(tǒng)、石化、土木工程、微機(jī)電系統(tǒng)、日用品生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域中均得到了廣泛的應(yīng)用，Algor具有完善的有限元分析功能.在此可利用Algor軟件對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，來(lái)達(dá)到曲柄連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。 本文以曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重要構(gòu)件曲軸為例進(jìn)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(qiáng)度= 980 MPa，屈服極限為=785 MPa.將曲軸三維模型導(dǎo)入Algor:軟件后，通過(guò)定義材料屬性，劃分網(wǎng)格，添加約束，施加載荷，設(shè)置分析類(lèi)型，求解等步驟，可以得到曲軸的“應(yīng)力”、“應(yīng)變”分析結(jié)果.曲軸所承受的氣體壓力、活塞與連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力需要在工況計(jì)算時(shí)，轉(zhuǎn)換到曲軸的曲柄銷(xiāo)部位.根據(jù)傳統(tǒng)方法及有限寬度軸頸油膜壓應(yīng)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(duì)曲軸進(jìn)行研究，曲軸軸頸受力如圖7所示。 曲軸在工作過(guò)程中，應(yīng)力主要集中在連桿軸頸、曲柄臂和主軸頸、曲柄臂過(guò)渡圓角處[4-6]。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸發(fā)生最大爆發(fā)壓力時(shí)，曲軸軸頸處的受力是最大的，所以其應(yīng)力與應(yīng)變也應(yīng)該是比較大[7] 。以第3缸處于最大爆發(fā)工況為例對(duì)曲軸進(jìn)行有限元分析，得到應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖8所示。由圖8看出，當(dāng)?shù)?缸處于最大爆發(fā)壓力工況時(shí)，曲軸最大應(yīng)力值為67.06 MPa，發(fā)生在第3連桿軸頸上部與曲柄過(guò)渡圓角處。最大應(yīng)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(shí)際工作過(guò)程中，這些部位也容易產(chǎn)生應(yīng)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(shí)現(xiàn)曲軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 4曲軸疲勞壽命分析 由于曲軸在交變應(yīng)力作用下，其軸頸截面變化轉(zhuǎn)接圓角處發(fā)生應(yīng)力疲勞與應(yīng)力疲勞破壞的危險(xiǎn)性極大，如何提高發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的抗疲勞強(qiáng)度，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，多年來(lái)一直是人們研究和探索的課題川.采用有限元技術(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。本文利用Algor:軟件對(duì)曲軸進(jìn)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(yīng)力疲勞法，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)、輸入設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)為1010 ，最后輸出疲勞計(jì)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(duì)較低的部位位于連桿軸頸，曲柄臂和主軸頸以及各過(guò)渡圓角處，這些部位也是容易發(fā)生應(yīng)力集中的部位.最短壽命次循環(huán)，達(dá)到了發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的設(shè)計(jì)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(guò)渡圓角處，這與實(shí)際狀況相符合.驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。 5結(jié)語(yǔ) 采用三維CAD軟件Pro/E建立了四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的準(zhǔn)確性；利用Algor軟件對(duì)曲軸進(jìn)行了靜力學(xué)性能分析，分析第3缸爆發(fā)時(shí)的應(yīng)力云圖和變形圖，找到曲軸的應(yīng)力集中部位，為曲軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)；利用Algor軟件的疲勞分析模塊對(duì)曲軸進(jìn)行疲勞分析，得到曲軸疲勞壽命云圖和損傷圖，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性提供了參考依據(jù).研究表明，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)相結(jié)合，可以更快驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，達(dá)到機(jī)械產(chǎn)品的快速化設(shè)計(jì)目的。 參考文獻(xiàn): [1]李飛鵬內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與原理[M]北京:中國(guó)鐵道出版社，2003 [2]李明海，徐小林，張鐵臣內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)[M]北京:中國(guó)水利機(jī)電出版社，2010 [3]沈海濤，鄭水英柴油機(jī)曲軸危險(xiǎn)工況的確定及其靜強(qiáng)度分析[J]機(jī)械設(shè)計(jì)，2006,23(11):28-30 [4]李迎，裘碧峰，李孝祿,490柴油機(jī)曲軸應(yīng)力應(yīng)變有限元仿真[J]農(nóng)機(jī)化研究，2011,33(11):217-220 [5]唐傳茵，馬巖，朱博，等V8發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸有限元分析[J]機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013(1):211-213 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