基于有限元与多体动力学的曲轴系分析

发布时间：2017-07-25 16:17

  本文关键词：基于有限元与多体动力学的曲轴系分析

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【摘要】：曲轴内燃机中最重要的部件之一,在内燃机的工作中起着无可替代的作用。同时曲轴具有结构复杂、受力较大且为交变力、容易产生应力集中等特点,导致了曲轴在工作时发生复杂的变形,产生严重的振动。所以曲轴的强度与振动分析也成为了内燃机研发中的一项重点课题。本文主要运用有限元与多体动力学相结合的方法对某12缸V型中速柴油机进行曲轴系分析。首先根据需要建立了相关的计算模型。运用Hypermesh软件进行六面体网格的划分,并对曲柄销、主轴颈与曲柄臂的过渡圆角处进行网格细分。根据该机型的工作原理以及各零件之间的连接关系,在AVL EXCITE中建立轴系的多体动力学模型。然后对该曲轴系进行了多体动力学分析。通过主轴颈受力分析,得到了各主轴颈的受力情况。通过各主轴颈的轴心轨迹分析,得到了轴心偏移较大值以及对应的圆周角坐标。对该转子的转速波动进行计算,得到不均匀度δ=0.0024,满足设计要求。接着对该曲轴系进行了扭振计算与分析。采用编写的MATLAB程序计算得到自由振动的自振频率与振型。利用多体动力学模型对该轴系进行强制扭转振动分析,得到该曲轴自由端在额定工况以及其它中间工况的扭转角位移与各谐次扭转角振幅。通过观察对比得知额定工况下的主谐次1谐次的扭转角振幅最大,单阶峰-峰值为0.244°CA,可知该曲轴轴系扭振情况满足工程要求。最后进行曲轴的疲劳强度计算与优化。通过应力恢复找出该曲轴最大应力点位于第六连杆轴颈与最末端曲柄臂的过渡圆角处。应用曲轴疲劳强度校核公式对该点进行强度校核,得到综合安全系数为1.64。根据该机型结构提出了将止推轴承位置由原来的第六主轴颈处改为末端第七主轴颈处的优化方案,再次查找应力最大点并对其进行疲劳强度校核,得到该点的综合安全系数为1.84,相比原来应力最大点的安全系数提高了9.5%。
【关键词】：柴油机 曲轴 多体动力学 扭振 疲劳强度
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK403
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-14
• 1.2.1 疲劳强度研究10-12
• 1.2.2 曲轴扭振研究12-14
• 1.3 本文的主要工作14-16
• 2 理论基础与相关软件简介16-24
• 2.1 有限元理论及相关软件16-18
• 2.1.1 有限元计算方法的基础理论16
• 2.1.2 子结构法简介16-17
• 2.1.3 Hypermesh软件简介17
• 2.1.4 MSC.Patran&Nastran简介17-18
• 2.2 多体动力学理论及相关软件18-20
• 2.2.1 多体动力学计算的理论基础18-19
• 2.2.2 AVL EXCIT软件简介19-20
• 2.3 疲劳强度相关理论20-22
• 2.4 扭转共振理论22-23
• 2.5 本章小结23-24
• 3 模型的建立24-36
• 3.1 有限元模型24-29
• 3.1.1 曲轴有限元模型24-28
• 3.1.2 主轴承壁、电机转子有限元模型28-29
• 3.2 AVL EXCITE模型29-35
• 3.2.1 全局参数的设置30-31
• 3.2.2 体单元31-32
• 3.2.3 连接单元32-35
• 3.3 本章小结35-36
• 4 多体动力学计算结果及分析36-44
• 4.1 主轴颈受力分析36-38
• 4.2 轴心轨迹分析38-42
• 4.3 转速波动分析42-43
• 4.4 本章小结43-44
• 5 曲轴扭振分析44-55
• 5.1 轴系集中质量模型44-45
• 5.2 霍尔兹表格法计算轴系自由扭转振动45-49
• 5.2.1 霍尔兹表格法原理介绍45-46
• 5.2.2 霍尔兹表格法编程计算46-49
• 5.3 基于多体动力学的自由端强制扭振分析49-54
• 5.4 本章小结54-55
• 6 曲轴疲劳强度分析与优化55-66
• 6.1 疲劳强度校核55-62
• 6.1.1 应力恢复55-60
• 6.1.2 危险点疲劳强度计算60-62
• 6.2 曲轴疲劳强度优化62-65
• 6.2.1 改变止推轴承位置62-64
• 6.2.2 其他优化方法64-65
• 6.3 本章小结65-66
• 7 总结与展望66-68
• 7.1 结论66-67
• 7.2 展望67-68
• 参考文献68-71
• 附录A 自由扭转振动MATLAB程序71-73
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况73-74
• 致谢74-75

【参考文献】

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本文编号：572162