发动机曲轴轴承系统弹性流体润滑分析及曲轴强度研究

发布时间：2017-05-24 19:13

  本文关键词：发动机曲轴轴承系统弹性流体润滑分析及曲轴强度研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：曲轴是发动机中最重要的零部件之一，承受着连杆传递过来的周期变化的气缸爆发压力与活塞组惯性力以及曲轴的旋转惯性力，其在工作中的润滑状况、振动特性及强度直接关乎到整个发动机的寿命、经济性及可靠性。特别是随着发动机动力性能、经济性能及可靠性要求的不断提高，对曲轴的润滑、振动以及强度提出了更高的要求，对曲轴进行多学科、全方位的弹性流体动力学，多体动力学，动、静强度，疲劳寿命等方面的综合研究迫在眉睫。本文以某四缸发动机为研究对象，基于非线性多体动力学理论与有限元理论，建立了整个曲轴轴系非线性多体动力学系统，对曲轴主轴承弹性流体动力润滑进行了深入研究，并在此基础上，对曲轴的动态特性和模态动应力恢复技术进行了研究。最后完成了曲轴的静强度分析与疲劳强度分析，为后续的优化分析奠定了基础。具体工作如下： 1、在建立曲轴轴系基本零件的三维实体模型的基础上，结合非线性多体动力学的要求，对网格划分技术进行了深入研究，利用网格划分软件Hypermesh采用手动和自适应联合划分的方式对曲轴轴系系统进行了基于六面体的网格划分。 2、通过对有限元自由度缩减理论和技术的深入研究，设定曲轴、轴承主自由度节点，并利用通用有限元软件ABAQUS进行结构缩减，建立了曲轴轴承系统的缩减模型。 3、利用上述有限元模型、缩减模型，基于有限元方法、非线性多体动力学方法及有限差分法，并以真实油膜表征主轴颈与主轴承之间的非线性动力学耦合效应，考虑轴瓦轴颈表面的形貌效应、弹性变形效应、轴颈不对中、供油状况以及空穴效应等因素，同时加入气体爆发压力、输出端反扭矩等基本载荷位移边界条件，对上述模型进行计入油膜润滑的非线性多体动力学仿真分析。 4、以曲轴主自由度节点位移为边界条件，，进行曲轴动态应力恢复。通过对有限元准静态应力恢复方法与模态动应力恢复方法的的比较研究，选择以模态动应力恢复方法进行动态应力恢复，并提取了第二循环内的曲轴应力场谱。通过分析各气缸爆发时刻的最大应力，对曲轴进行了静强度研究。 5、以多体动力学分析得到的应力张量谱数据，在fe-safe中，基于疲劳线性积累理论，采用无限寿命设计方法，Goodman平均应力修正，Brown-Miller关键平面算法，考虑表面加工和表面处理的影响，计算曲轴疲劳强度。
【关键词】：曲轴轴承系统 弹性流体润滑 结构缩减 多体动力学 疲劳强度
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK403
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 课题研究背景及意义11-13
• 1.2 国内外研究现状13-20
• 1.2.1 内燃机主轴承润滑分析方法及研究现状13-17
• 1.2.2 曲轴强度研究方法及现状17-20
• 1.3 课题研究主要内容20-23
• 第二章 理论基础研究23-38
• 2.1 曲轴主轴承弹性流体动力润滑理论23-32
• 2.1.1 油膜厚度表达式23-24
• 2.1.2 计入表面粗糙度的影响24-26
• 2.1.3 粗糙峰弹性接触压力26-27
• 2.1.4 润滑剂的粘压特性27
• 2.1.5 计入轴承弹性变形的影响27-28
• 2.1.6 轴心轨迹的计算28-30
• 2.1.7 油膜边界条件30-32
• 2.2 EXCITE 多体动力学理论32-37
• 2.2.1 多体系统质点坐标描述32-33
• 2.2.2 多体系统质点动力学方程33-35
• 2.2.3 自由度缩减35-37
• 2.2.4 动态缩减动力学方程37
• 2.3 本章小结37-38
• 第三章 曲轴-轴承系统动力学仿真模型建立38-53
• 3.1 曲轴、主轴承有限元模型38-41
• 3.1.1 曲轴、主轴承三维实体模型38-39
• 3.1.2 网格划分技术研究及有限元模型的建立39-41
• 3.2 有限元结构缩减方法研究41-45
• 3.2.1 主自由度的选取原则41-42
• 3.2.2 定义曲轴 RBE2 并验证42-45
• 3.2.3 有限元结构缩减45
• 3.3 非线性多体动力学模型的建立45-51
• 3.3.1 EXCITE 体单元46-47
• 3.3.2 EXCITE 非线性连接单元47-49
• 3.3.3 模型全局数据与边界条件49-51
• 3.3.4 组建整体多体动力学模型51
• 3.4 本章小结51-53
• 第四章 多体动力学仿真及曲轴主轴承流体润滑分析53-69
• 4.1 多体动力学仿真及结果分析53-57
• 4.1.1 活塞侧击力分析53-54
• 4.1.2 曲柄销受力分析54-55
• 4.1.3 主轴承受力分析55-56
• 4.1.4 曲轴转速不均匀性与扭振特性56-57
• 4.2 曲轴主轴承流体润滑分析57-64
• 4.2.1 最小油膜厚度分析58-59
• 4.2.2 摩擦功耗分析59-60
• 4.2.3 最大油膜压力分析60-61
• 4.2.4 油膜各参数的平均分布图61-64
• 4.3 轴心轨迹结果分析64-67
• 4.4 本章小结67-69
• 第五章 基于 EXCITE 的曲轴动态应力恢复及疲劳强度分析69-85
• 5.1 曲轴动态应力恢复69-74
• 5.1.1 动态应力恢复步长的选择69-70
• 5.1.2 基于有限元计算的准静态应力分析法70-71
• 5.1.3 模态动应力恢复方法71-74
• 5.2 曲轴静强度分析74-79
• 5.3 曲轴疲劳强度分析79-84
• 5.3.1 疲劳分析软件 fe-safe 介绍80-81
• 5.3.2 曲轴疲劳强度分析81-84
• 5.4 本章小结84-85
• 第六章 总结与展望85-87
• 6.1 总结85-86
• 6.2 展望86-87
• 参考文献87-91
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文91-92
• 致谢92-93

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 李洪;;基于有限元法的边界条件处理对曲轴强度计算的影响[J];安庆师范学院学报(自然科学版);2006年02期

2 沈海涛;郑水英;李志海;;基于弹簧支承的柴油机曲轴强度有限元分析[J];机械强度;2007年01期

3 包学海;池茂儒;杨飞;;子结构分析中主自由度选取方法研究[J];机械;2009年04期

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7 王谦,高永平,施爱平,何志霞;发动机曲轴主轴承润滑分析与节省功率的研究[J];农业机械学报;2003年04期

8 汤乐超;李骏;卢炳武;李康;;曲轴动态应力模拟及多轴疲劳计算[J];汽车技术;2007年08期

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本文编号：391707