基于ANSYS的柴油机曲轴有限元分析

摘 要:本课题针对某四缸直列柴油机进行有限元静强度分析。曲轴采用三维建模软件PRO/E对柴油机曲轴进行了符合实际情况的三维建模。曲轴模型通过数据接口导入ANSYS,在ANSYS中对曲轴模型进行有限元网格划分。对曲轴进行静强度分析,研究了单个曲拐的变形和应力状态,检验了曲轴在实际工况下的强度及安全系数。为柴油机改进设计提供了有价值的理论依据。

关键词:曲轴 有限元分析 ANSYS 静强度分析

中图分类号:TK423.3文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)10(a)-0109-01

曲轴是发动机中最重要的运动部件之一。曲轴在工作中承受着汽缸内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。

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。

目前先进的方法是利用有限元进行分析预测,评价这些零部件的强度和刚度。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。

1 曲轴实体模型建立及导入

1.1 基于PRO/E的曲轴三维实体建模

本文的曲轴模型是在PRO/E中建立的,曲轴的主体模型是根据曲轴的结构特点,可先建立一个单拐模型,再通过旋转、平移、合并而成;最后将主体模型与前、后端模型合并成曲轴的整体模型。

在对曲轴进行简化时,参考一些机械结构的计算经验,认为小圆角和细油孔对曲轴整体结构动特性影响很小,在建模时忽略圆角及直径较小的油道,协调好计算精度与计算工作量之间的矛盾。

1.2 模型导入ANSYS

曲轴的作用载荷和计算工况是相当复杂的,同时承受气缸内的气体压力、往复和旋转质量惯性力的作用。作用于曲轴上的载荷主要是通过连杆传到曲轴上的气体压力,活塞连杆组,往复惯性力,连杆轴颈和曲柄旋转惯性力等。准确确定载荷边界条件比较困难。因此在很多情况下,对边界条件的处理都进行简化假设:(1)假设各力为集中力;(2)不考虑各轴颈扭矩及弯矩的作用;(3)各力均作用在曲拐平面内。

该柴油机曲轴钢架有限元模型如图1所示,活塞做功顺序为1-2-4-3。

考虑到1缸和4缸,2缸和3缸做功时曲轴的受力基本上是关于主轴颈中部截面左右对称的,故只需考虑1缸和3缸两种载荷状况即可。当柴油机曲轴转过180°时的1缸和2缸,曲轴转过540°时的4缸和3缸,可以近似看做关于不同位置的重复做功。所以这里对曲轴模型取第1缸单曲拐模型进行计算分析。

将模型导入ANSYS,网格划分共有节点数17176,有限元单元数10437。

2 加载约束载荷及边界条件处理

对有限元模型的加载有两层含义:一是加约束;二是加载荷。根据受力分析,对已经划分完网格的数据模型进行简化,模拟真实情况下实体所受到的约束与载荷。ANSYS中大多数载荷既可施加于实体模型上也可以施加于有限元模型上。但ANSYS的求解期望所有载荷应该依据有限元模型,因此,如果将载荷施加于实体模型,在开始求解时,ANSYS会自动将这些载荷转换到节点和单元上。

由于曲轴主要是因弯曲而破坏的,所以不考虑扭转应力。因此为简便起见,可以假设对于发火的气缸,当活塞处于上止点位置时、连杆轴颈载荷达到最大值;所以在此只考虑1缸发火状况下活塞处于压缩行程终了,在上止点位置时的受力状况。

为了限制曲轴沿轴向的刚体位移,在曲轴单拐模型两端轴心处施加轴向X、Y、Z方向位移约束。对曲轴轴颈上表面施加径向载荷。

3 有限元分析

3.1 外载荷形变位移

对有限元模型分析因外载荷发生的位移载荷形变,查看曲轴单拐模型X、Y、Z位移。(1)X方向最大位移发生在曲拐轴颈上部,其最大值为0.0859mm;(2)Y方向最大位移发生在曲拐轴颈顶部,其最大值为0.2883mm;(3)Z方向最大位移发生在曲拐轴颈两侧的轴间部位,其最大值为0.0864mm。

3.2 据分析

曲轴单拐的X、Y、Z方向应力云图说明曲轴在实际工况中受到活塞的压力,对其产生局部细微的形变。

综合分析,曲拐最大位移发生在Y方向最大位移发生在曲拐轴颈顶部,其值为0.2883mm,占主轴颈直径80mm的比例为0.108%,其形变量在允许范围内。

查看应力分析图表示曲轴等效应力较大值发生在主轴颈与曲柄相连的过渡圆角处及连杆轴颈与曲柄相连的过渡圆角下部,最大值发生在短端主轴颈和曲柄臂之间的过渡圆角处,其数值为91.3Mpa。

根据《柴油机设计》中疲劳安全系数计算公式,求得曲轴的疲劳安全系数为1.38。使用40Cr制造的柴油机曲轴疲劳安全系数许用值为1.3～1.5之间,因此认为该曲轴强度能达到要求。

4 结语

通过对曲轴工况条件下的有限元分析,分析了曲轴单拐模型因受外载荷作用发生的位移形变,查看曲轴单拐模型X、Y、Z位移云图,对曲轴的最大位移进行讨论,验证曲轴受外载荷作用发生的位移形变的幅度在允许范围之内。根据第四强度理论应力云图表明曲轴在工作中的最大等效应力未超过其许用应力,检验了曲轴在实际工况下的强度及安全系数。这在一定程度上说明曲轴在工作中是安全的。

参考文献

[1]苏铁雄,张儒华,蔡坪,等.利用有限元法研究曲轴弯曲应力的变化规律[J].车用发动机,1995(4):35～40.

[2]费少梅.柴油机曲轴结构参数的优化设计[J].内燃机工程,1998(3):26～29.

[3]巨建民,吴昌华.柴油机曲轴整体三维强度分析[J].车用发动机,1996(5):32～32.

①作者简介:陈涛(1988-),男,汉族,学士,北方工业大学机电工程学院,研究方向为机械设计、CAD/CAM等。

推荐访问:曲轴 柴油机 有限元 分析 ANSYS