直列四缸發(fā)動機曲軸ansys分析.doc

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有限元分析課程報告 直列四缸發(fā)動機曲軸有限元分析 姓名： 學號： 分數(shù)： 年 月 日 目 錄 1.引言 1 2.曲軸有限元模型的建立 2 3.曲軸網(wǎng)格劃分 4 3.1 確定物理場和網(wǎng)格劃分法 4 3.2 確定全局網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置 4 3.3 確定局部網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置 4 3.4 網(wǎng)格質(zhì)量檢查 5 3.5 調(diào)整網(wǎng)格劃分 6 4.曲軸強度分析 8 4.1載荷工況 8 4.2載荷及約束邊界條件 8 4.3 有限元求解結(jié)果分析 10 4.4 加密收斂分析 12 5.曲軸自由模態(tài)分析 14 5.1網(wǎng)格劃分 14 5.2 約束條件 14 5.3 參數(shù)設(shè)置 14 5.4 結(jié)果分析 14 參考文獻 17 1.引言 曲軸（如圖1所示）是發(fā)動機中最重要、承載最復雜的零件之一。其造價約占一臺發(fā)動機總價的20%-30%，它的使用壽命決定發(fā)動機的使用壽命。在工作過程中，曲軸承受著氣缸內(nèi)的氣體壓力及往復和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力引起的周期性變化載荷。這些扭轉(zhuǎn)力矩和大小、方向不斷變化的彎曲力，在曲軸內(nèi)產(chǎn)生交變的彎曲及切應力，使曲軸發(fā)生疲勞破壞。同時，在周期性變化的載荷作用下，曲軸可能在發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生共振，加速曲軸的疲勞破壞。 由于曲軸是發(fā)動機中典型的易損件之一，其強度和振動特性都會影響到整機的工作性能，因此對曲軸進行有限元分析，研究曲軸的應力和應變狀態(tài)，了解其固有頻率和模態(tài)振型，對于設(shè)計和優(yōu)化曲軸結(jié)構(gòu)有重要意義。 圖1 曲軸實物圖 曲軸的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由前端軸、主軸頸、連桿軸頸、曲柄、平衡重和后凸緣盤等部分構(gòu)成，前端軸主要用來安裝止推墊圈、啟動抓和皮帶輪等部件；曲柄用來連接主軸頸和連桿軸頸；平衡重的作用是平衡曲軸工作時產(chǎn)生的離心慣性力及其力矩；后凸緣盤用來安裝飛輪等部件。 1 2 3 4 5 6 圖2 曲軸基本結(jié)構(gòu) 1-前端軸 2-主軸頸 3-平衡重 4-曲柄 5-連桿軸頸 6-后凸緣盤  2.曲軸有限元模型的建立 本文所研究曲軸為某直列四缸發(fā)動機整體式曲軸，含有5個主軸頸，4個連桿軸頸、曲柄和平衡重。由于曲軸的具體尺寸參數(shù)設(shè)計較為復雜，本文不詳細敘述。同時，由于曲軸結(jié)構(gòu)復雜，利用有限元軟件進行建模時很難保證與圖紙上的曲軸結(jié)構(gòu)完全一致，因此建模時必須簡化模型。為了減少應力集中，曲軸上不同截面的結(jié)合處都有半徑不同的倒角，如果在建模時考慮這些倒角和油孔，則會使有限元的網(wǎng)格非常密集，大大增加了模型的單元數(shù)量且生成的網(wǎng)格形狀也不理想，降低了求解精度。因此，建模時忽略了對分析結(jié)果影響較小的特征，如軸頸上的油孔和后凸緣盤上的環(huán)槽?，F(xiàn)給出曲軸結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計尺寸如表1。 表1 曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸 設(shè)計參數(shù) 主軸頸 長度 主軸頸 直徑 連桿軸頸長度 連桿軸頸直徑 曲柄厚度 平衡重 厚度 尺寸/mm 35 80 40 66 25 22.5 平衡重的二維設(shè)計尺寸如圖3所示。 圖3 平衡重設(shè)計尺寸 考慮到在ANSYS中直接進行曲軸建模的復雜性，本文通過SolidWorks建立三維幾何模型，并與ANSYS Workbench無縫連接，進行有限元分析。曲軸三維建模后如圖4所示。 圖4 曲軸三維實體圖 本文中曲軸材料為QT-800，其基體組織為珠光體或索氏體，主要用于所受載荷較大、受力復雜的汽車、拖拉機的曲軸、連桿、凸輪軸等等場合。表2列出了QT-800的材料性能參數(shù)。 表2 QT-800材料參數(shù) 材料 抗拉強度/MPa 抗拉屈服強度/MPa 硬度/HBS 彈性模量/ 密度/ 泊松比 QT-800 ≥800 ≥480 245-355 7850 0.3 在workbench中設(shè)置曲軸材料參數(shù)如圖5所示。 圖5 曲軸材料參數(shù)  3.曲軸網(wǎng)格劃分 有限元網(wǎng)格劃分是將整體模型結(jié)構(gòu)離散化,是數(shù)值分析的前提，也是至關(guān)重要的一步，它直接影響著后續(xù)數(shù)值計算分析結(jié)果的精確性。一個良好的網(wǎng)格劃分，不但可以保證分析結(jié)果的精度，同時也能夠大大降低后期處理的計算量。 本文中采用ANSYS Workbench15.0中自帶的Mesh模塊對曲軸進行網(wǎng)格劃分。ANSYS Workbench15.0是一個單獨的工具平臺，為ANSYS的不同求解器提供相應的網(wǎng)格文件。自14.0起，Workbench中可以直接劃分網(wǎng)格（Direct Meshing）。直接劃分網(wǎng)格最大的優(yōu)點之一就是能單獨地劃分幾何體的網(wǎng)格，而之前劃分網(wǎng)格時只能整個模型同時一起劃分，顯然，直接控制網(wǎng)格劃分具有更大的柔性。 3.1 確定物理場和網(wǎng)格劃分法 在網(wǎng)格劃分之前必須確定物理場的類型，Workbench中提供Mechanical、CFD、Electron-magnetics和Explicit四種物理場類型。由于本文對曲軸結(jié)構(gòu)進行靜力學和模態(tài)分析，因此選擇Mechanical網(wǎng)格劃分法求解靜力學結(jié)構(gòu)場。 3.2 確定全局網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置 全局網(wǎng)格設(shè)置通常用于整體網(wǎng)格劃分的部署，包括網(wǎng)格尺寸函數(shù)size，邊界層函數(shù)Inflation，平滑度函數(shù)Smooth等等?，F(xiàn)設(shè)置全局網(wǎng)格具體參數(shù)見表3，如圖6所示。 表3 全局網(wǎng)格參數(shù) Relevance Center Element Size Smoothing Transition Span Angle Center Coarse Default Medium Fast Coarse 圖6 全局網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置界面 3.3 確定局部網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置 整個曲軸由5個主軸頸，4個連桿軸頸，4個曲柄和平衡重，1個前端軸和后凸緣盤。為了整體較好的網(wǎng)格劃分結(jié)果，需要對整個模型進行分割，不同部分進行不同方法劃分網(wǎng)格。 曲軸軸頸部分為一系列規(guī)則的圓柱體，采用Sweep Method劃分法；曲柄、平衡重、前端軸和后凸緣盤形狀較為不規(guī)則，采用Automatic Method劃分法，即在四面體和掃掠型劃分之間自動切換，當幾何體不規(guī)則時，程序自動產(chǎn)生四面體。 由于曲柄、平衡重、后凸緣盤（含螺紋孔）和前端軸（含鍵槽）形狀較為復雜，對這幾處采用Body Sizing進行局部加密。 整體曲軸網(wǎng)格劃分后如圖7所示，共包含45121個單元，82631個單元節(jié)點。 圖7 曲軸網(wǎng)格劃分 3.4 網(wǎng)格質(zhì)量檢查 本文網(wǎng)格質(zhì)量檢查，采用Skewness（偏度）進行度量。Skewness基于歸一化的角誤差，適用于所有的面和單元形狀，也適用于所有棱柱和棱錐，是最基本的網(wǎng)格質(zhì)量檢查項，其值位于0與1之間，0最好，1最差。度量等級詳見表4。 表4 Skewness網(wǎng)格質(zhì)量度量等級 0-0.25 0.25-0.50 0.50-0.80 0.80-0.95 0.95-0.98 0.98-1.00 極好 很好 好 可接受 壞 不可接受 網(wǎng)格劃分后，網(wǎng)格質(zhì)量如表5所示。網(wǎng)格劃分質(zhì)量分布如圖8所示，整體網(wǎng)格質(zhì)量較好，小于0.95的單元個數(shù)為42775，不可接受單元個數(shù)為3，占總體0.07‰,但可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量較差處多位于連桿軸頸處，因此后續(xù)分析中可能會出現(xiàn)應力奇異現(xiàn)象或者網(wǎng)格加密不收斂。因此對于此網(wǎng)格劃分，需要進一步調(diào)整，使其連接處網(wǎng)格質(zhì)量提高。 表5 網(wǎng)格質(zhì)量 度量方法 最小值 最大值 平均值 標準差 Skewness 0.0016 0.998 0.290 0.175 圖8 網(wǎng)格質(zhì)量分布圖 3.5 調(diào)整網(wǎng)格劃分 重新確定全局網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置，采用高級尺寸函數(shù)(Advanced Sizing Function),此函數(shù)主要控制曲面在曲率較大的地方的網(wǎng)格。其中Proximity and Curvature函數(shù)采用曲率法確定細化邊和曲面處的網(wǎng)格大小，同時又控制模型鄰近區(qū)網(wǎng)格生成，對于窄薄處網(wǎng)格也有較好的劃分效果。更改后全局網(wǎng)格具體參數(shù)如圖9所示。 圖9 更改后全局網(wǎng)格參數(shù) 由于先前網(wǎng)格劃分在軸頸處網(wǎng)格質(zhì)量較差，于是推測為sweep方法下六面體網(wǎng)格與四面體網(wǎng)格過渡過程中，出現(xiàn)較差質(zhì)量的網(wǎng)格。因此，此次采用全四面體網(wǎng)格劃分方法，如圖10所示，最大單元尺寸為10mm。 圖10 四面體劃分方式 整體曲軸網(wǎng)格劃分后如圖11所示，共包含82408個單元，125538個單元節(jié)點。 圖11 更改后曲軸網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分質(zhì)量分布如圖12所示，整體網(wǎng)格質(zhì)量較之前明顯改善，且網(wǎng)格質(zhì)量較差處位于后凸緣盤邊緣位置，此處不承受載荷，對后處理結(jié)果影響基本可以忽略。網(wǎng)格劃分后，網(wǎng)格質(zhì)量與前一次劃分做比較，如表6所示。 圖12 更改后網(wǎng)格質(zhì)量分布圖 表6 兩次網(wǎng)格劃分網(wǎng)格質(zhì)量比較 劃分方法 度量方法 最小值 最大值 平均值 標準差 1 Skewness 0.0016 0.998 0.290 0.175 2 Skewness 0.0029 0.691 0.271 0.159 因此采用調(diào)整后的方法得到整個曲軸的網(wǎng)格劃分。 16 4.曲軸強度分析 4.1載荷工況 曲軸在工作過程中承受的載荷及邊界條件有：主軸承支撐作用力、輸出端反扭矩、平衡塊離心力、曲柄和連桿軸頸的離心力、連桿對連桿軸頸的載荷等。 本文中直列四缸發(fā)動機點火順序為1-3-4-2。當1、2、3、4缸分別點火時活塞和曲軸位置示意如圖9、10所示。 圖9 1、4缸點火示意圖 圖10 2、3缸點火示意圖 對于直列四缸發(fā)動機，當活塞處于上止點位置時連桿軸頸載荷達到最大值，因此只需考慮各個氣缸分別處于壓縮終了，活塞在上止點位置時的受力狀況即可。 本文中發(fā)動機的最大扭矩轉(zhuǎn)速，最大功率。并以此計算工況。由發(fā)動機動力學計算得，在點火上止點附近，由于爆發(fā)壓力與活塞和連桿慣性的作用使得連桿軸頸受最大載荷。 按動力學法計算載荷，并假設(shè)作用在軸頸上的載荷為分布載荷，且根據(jù)有限寬度軸頸油膜壓力應力分布規(guī)律并忽略油孔處壓力峰值突變的影響，采用以沿軸線均勻分布，沿圓周方向120°范圍內(nèi)呈余弦分布的載荷邊界條件，如圖11所示。 圖11 連桿軸頸載荷邊界條件 4.2載荷及約束邊界條件 4.2.1 轉(zhuǎn)速條件 在Workbench中Static Structural中插入項Rotational Velocity，以主軸頸軸線為轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)速設(shè)為188rad/s（ramped），即，如圖12所示。 圖12 轉(zhuǎn)動條件 4.2.2 連桿軸頸載荷 Workbench中自帶了Bearing Load項，即軸承載荷。其徑向分量將根據(jù)投影面積來分布壓力載荷，軸向載荷分量沿著圓周均勻分布。由動力學計算可知，在點火上止點位置時，由于氣體爆炸壓力與慣性作用使得作用于連桿軸頸表面，方向沿徑向指向轉(zhuǎn)軸的最大載荷為；其他連桿軸頸主要受到連桿慣性力的作用，此時連桿軸頸所受最小載荷為。對于不同氣缸點火，對應有不同的連桿軸頸載荷條件，圖13為1缸點火連桿軸頸示意圖。 圖13 1缸點火連桿軸頸示意圖 4.2.3曲軸扭轉(zhuǎn)載荷 Workbench中可通過力矩/偶載荷(Moment)施加力矩/偶在任意實體表面，如果選擇多個表面則力矩/偶將分攤在這些面上。發(fā)動機工作中，由曲軸后端傳出扭矩，曲軸必然受到一定的扭轉(zhuǎn)力，作用在曲軸前端軸和后凸緣盤上。根據(jù)公式，因此作用在曲軸上的最大扭矩可以近似為，如圖14所示。 圖14 扭矩載荷 4.2.4 支撐約束 Workbench中常用的支撐約束為Cylindrical，即圓柱面約束，可以施加在圓柱表面，并可以指定軸向、徑向或者切向自由度的約束狀況，但此約束通常僅適用于小變形（線性）分析。由于曲軸在實際工作中，變形量極小，因此可采用此種約束。本文所研究曲軸為某直列四缸發(fā)動機整體式曲軸，含有5個主軸頸，并通過軸瓦、軸承安裝在發(fā)動機箱體內(nèi)，因此5個主軸頸處可施加軸向和徑向固定，切向自由的圓柱面約束，如圖15所示。 圖15 主軸頸支撐約束 4.3 有限元求解結(jié)果分析 對于主應力和主應變，根據(jù)力學基礎(chǔ)理論，應力張量可以轉(zhuǎn)成只顯示法向應力的形式。這就是三個主應力，即，其值可以被指定，且三個主應力值帶有方向。常用于塑性材料的理論是最大等效應力和最大剪切應力。本文采用最大等效應力分析。 等效應力Equivalent（von-Mises），也稱von-Mises應力，其定義為： 總變形量Total Deformation，其定義為： 4.3.1 1缸點火結(jié)果分析 1缸點火時，曲軸的等效應力圖和總變形量圖分別如圖16、17所示。其中，最大等效應力為130.35MPa，位于1缸連桿軸頸與曲柄、主軸頸與平衡重的連接處。最大的變形量為0.05471mm，位于連桿軸頸與平衡重的邊緣處。 圖16 等效應力圖 圖17 總變形量圖 4.3.2 2缸點火結(jié)果分析 2缸點火時，曲軸的等效應力圖和總變形量圖分別如圖18、19所示。其中，最大等效應力為133.2MPa，位于2缸連桿軸頸與曲柄的連接處。最大的變形量為0.05224mm，位于連桿軸頸與平衡重的邊緣處。 圖18 等效應力圖 圖19 總變形量圖 4.3.3 3缸點火結(jié)果分析 3缸點火時，曲軸的等效應力圖和總變形量圖分別如圖20、21所示。其中，最大等效應力為127.5MPa，位于2缸連桿軸頸與曲柄的連接處。最大的變形量為0.05215mm，位于連桿軸頸與平衡重的邊緣處。 圖20 等效應力圖 圖21 總變形量圖 4.3.4 4缸點火結(jié)果分析 4缸點火時，曲軸的等效應力圖和總變形量圖分別如圖22、23所示。其中，最大等效應力為124.8MPa，位于2缸連桿軸頸與曲柄的連接處。最大的變形量為0.05425mm，位于連桿軸頸與平衡重的邊緣處。 圖22 等效應力圖 圖23 總變形量圖 4.4 加密收斂分析 分析上述四種情況得，2缸點火時，最大等效應力為133.2MPa，最大變形量為0.05224mm。因此為了，減少計算量，對2缸點火時，對曲軸加密網(wǎng)格劃分，檢查應力值與變形量是否穩(wěn)定于一個值。 對于2缸連桿軸頸與曲柄進行局部加密，單元尺寸調(diào)整至最大6mm，加密后如圖24所示。共包含177312個單元，260480個單元節(jié)點。單元質(zhì)量分布圖如圖25所示。 圖24 局部加密后網(wǎng)格劃分圖 圖25 單元質(zhì)量分布圖 此時曲軸的等效應力圖和總變形量圖分別如圖26、27所示。最大等效應力為149.3MPa，最大的變形量為0.05272mm。 圖26 等效應力圖 圖27 總變形量圖 加密后最大應力值從133.2MPa增大至149.3MPa，應力增幅約12%。最大的變形量從0.05224增大至0.05272，變形增幅約0.92%。加密后，應力值仍處于未加密前的應力水平，最大變形量幾乎未變，因此可以認為采用Workbench進行的曲軸靜力學強度分析數(shù)據(jù)基本可靠。 根據(jù)材料屬性可得，QT-800的屈服強度為480MPa，塑性較好，對于塑性材料安全系數(shù)一般選取1.2-2.5，本文取安全系數(shù)為2，因此，該曲軸強度校核合格。 5.曲軸自由模態(tài)分析 振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法可以了解結(jié)構(gòu)在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，從而進一步分析結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實際振動響應。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備故障診斷的重要方法。 對曲軸進行模態(tài)分析，可以確定曲軸的固有頻率和振型。計算獲取各階固頻率和觀察振型變形圖，為曲軸避免共振設(shè)計提供參考。 模態(tài)分析一般分為自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析，自由模態(tài)分析及對模型不施加任何約束，而約束模態(tài)分析則需考慮結(jié)構(gòu)所受的實際載荷，從而對模型添加合適的載荷約束，但如果約束施加不當，則可能造成固有頻率的巨大偏差或者遺漏。因此，本文采用自由模態(tài)分析。 5.1網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分仍采用先前調(diào)整后的網(wǎng)格劃分法，即采用高級尺寸函數(shù)中的Proximity and Curvature函數(shù)進行全局設(shè)置，并采用全四面體的網(wǎng)格劃分方法，最大網(wǎng)格尺寸為10mm?？傮w網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿足模態(tài)分析要求。 5.2 約束條件 由于進行自由模態(tài)分析，對曲軸不施加任何約束。 5.3 參數(shù)設(shè)置 Workbench模態(tài)分析(Modal)中，程序可設(shè)定的模態(tài)數(shù)為1-200，默認值為6。頻率范圍為0Hz-1e+08Hz。此設(shè)定從工程應用角度看完全足夠。 對于機械結(jié)構(gòu)的共振問題，一般關(guān)心較低階次的頻率，且由于曲軸自由模態(tài)分析的前6階頻率僅反映剛體振動，因此共取12階模態(tài)進行分析，設(shè)置如圖28所示。 圖28 模態(tài)分析設(shè)置參數(shù) 5.4 結(jié)果分析 曲軸的12階自由模態(tài)頻率圖如圖29所示。 圖29 曲軸12階自由模態(tài)頻率圖 由于曲軸的前6階自由模態(tài)頻率接近于零，為剛體模態(tài)，對于本次分析意義不大，因此將后6階模態(tài)頻率求解結(jié)果列入表7。 表7 曲軸非零模態(tài)頻率及最大位移 1階 2階 3階 4階 5階 6階 頻率/Hz 300.93 418.08 725.60 804.81 822.90 1104.60 位移/mm 12.79 13.59 14.20 17.98 13.52 15.21 非零模態(tài)頻率振型圖如圖30—圖35所示。需要注意的是，振型顯示模式變形量的放大比例為2.3:1。 圖30 1階振型 圖31 2階振型 圖32 3階振型 圖33 4階振型 圖34 5階振型 圖35 6階振型 曲軸1、3、4、6階非零模態(tài)從振型圖中可以看出，以彎曲變形為主，而2、5階非零模態(tài)，對應的振型圖可以看出，以彎曲扭轉(zhuǎn)為主。 曲軸最低固有頻率，1階非零模態(tài)頻率為300.93Hz。該發(fā)動機在轉(zhuǎn)速為1800 r/min時，基頻為60Hz，遠低于最低固有頻率，避開了共振頻率。 參考文獻 [1] 古成中,吳新躍. 有限元網(wǎng)格劃分及發(fā)展趨勢[J]. 計算機科學與探索,2008(03):248-259. 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