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研究生课程论文发动机曲柄连杆机构运动学仿真及有限元分析课程名称 有限元数值分析 姓 名 学 号 专 业 机械工程 任课教师 开课时间 2012-2011学年第1学期 教师评阅意见：论文成绩评阅日期课程论文提交时间： 2011 年 12 月 26 日发动机曲柄连杆机构运动学仿真及有限元分析摘要:在对发动机曲柄连杆机构运动学分析的基础上，利用Pro/E软件建立了发动机曲柄连杆机构的虚拟样机模型，并进行运动学仿真分析，得到活塞的速度、加速度曲线;利用有限元分析软件Algor对曲柄连杆机构关键构件曲轴进行有限元分析，得到应力、应变和疲劳寿命云图，为发动机曲柄连杆机构的优化设计提供了参考依据关键词:曲柄连杆机构 运动学 有限元分析 疲劳寿命曲柄连杆机构是发动机系统中最重要的组成部分，是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动部分.曲柄连杆机构的功用是将燃料燃烧所释放的热能转变为机械功;将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动，并向传动装置输出动力1.曲柄连杆机构的运动和受力情况较为复杂，因此，采用虚拟样机技术和有限元分析技术相结合，对曲柄连杆机构的运动学特性进行研究，分析各构件的运动规律及受力情况，将对发动机曲柄连杆机构的优化设计和可靠性设计奠定基础。本文采用三维建模软件Pro/E，建立了发动机曲柄连杆机构虚拟样机模型，并在此环境下模拟了曲柄连杆机构的运动规律，进行了运动学仿真分析.借助于有限元分析软件Algor对曲柄连杆机构关键构件一曲轴进行了有限元分析.实践表明，以理论分析为依据，以模拟分析为手段，将为发动机曲柄连杆机构的优化设计和性能提高提供有力保障。1.曲柄连杆机构运动学分析在曲柄连杆机构的运动过程中，活塞作往复直线运动，曲轴作圆周旋转运动.活塞在作往复运动时，其速度和加速度都是变化的，它的速度和加速度的数值和变化规律对曲柄连杆机构以及发动机整体的工作具有很大影响，因此研究曲柄连杆机构运动学的主要任务就是研究活塞的运动规律2 。曲柄连杆机构简图如图1所示，图中气缸中心线通过曲轴中心O，OB为曲柄，AB为连杆，B为曲柄销中心，A为活塞销中心曲柄转角为，连杆轴线在其运动平面内偏离气缸轴线的角度为，A为上止点，A为下止点。由图1得活塞的位移为 （1）式中: 为连杆比。又因为进一步化简式（1），可得： （2）为便于计算，将式(2)的根号项按牛顿二项式展开，并忽略极小项得活塞的位移为 （3） 活塞的运动速度是随时间不断变化的，它在某一瞬时的速度是位移对时间的一阶导数，即: （4）其中为曲柄转动的角速度，在运动学计算中，假设为常数.由式(3)和式(4)可得，活塞速度为： （5）活塞运动的加速度为活塞速度对时间的一阶导数，即: （6）2.曲柄连杆机构运动学仿真2. 1曲柄连杆机构虚拟样机建立Pro/E(Pro/Engineer)操作软件是美国参数技术公司(PTC)旗下CAD/CAM/CAE一体化的三维软件，具有强大的参数化建模功能.在Pro/E的标准菜单中包含了各种用于创建零件特征和基准特征的命令.通过应用这些特征造型技术可以很方便地设计出需要的实体特征.在Pro/E中建立曲轴的第1个曲拐，然后再经过复制、平移、旋转、合并后建立了一个完整的曲轴，接着创建发动机连杆、活塞及活塞销等构件如图2所示，最后根据各构件之间的相互关系进行自下向上装配，从而完成发动机曲柄连杆机构的虚拟样机模型，如图3所示。2. 2曲柄连杆机构运动学仿真曲柄连杆机构的虚拟样机建立之后，利用Pro/E软件的机构运动模块.可以对曲柄连杆机构进行运动学仿真，得到曲柄连杆机构各个构件的运动规律.考虑到曲柄连杆机构运动学的主要任务就是研究活塞的运动规律，活塞的速度和加速度的变化对曲柄连杆机构性能影响较大，所以在此只输出活塞的速度和加速度曲线.如图4和图5所示。由图4和图5可知，直列四缸发动机由于结构上1 ,4缸与2,3缸相隔1800，因此工作时，活塞1和活塞4运动规律相同，活塞2和活塞3运动规律相同.各气缸活塞的速度曲线呈正弦曲线周期变化，跟理论分析相吻合.当各活塞的速度均为0时，加速度达到正向和反向最大值，这与曲柄连杆机构的实际运动状况相符.进一步说明了采用虚拟样机技术分析机构运动学具有很大的优越性，无需繁琐的数学式推导，就可以输出构件任一点的运动规律变化曲线。3曲轴有限元分析Algor(现更名为Autodesk Simulation)是新一代的CAF分析工具，在汽车、电子、航空航天、医学、军事、电力系统、石化、土木工程、微机电系统、日用品生产等诸多领域中均得到了广泛的应用，Algor具有完善的有限元分析功能.在此可利用Algor软件对曲柄连杆机构的主要构件进行有限元分析，来达到曲柄连杆机构优化设计的目的。本文以曲柄连杆机构的重要构件曲轴为例进行分析.曲轴所用材料为40Cr，其泊松比, =0. 3，弹性模量为E=210 GPa，材料的抗拉强度= 980 MPa，屈服极限为=785 MPa.将曲轴三维模型导入Algor:软件后，通过定义材料属性，划分网格，添加约束，施加载荷，设置分析类型，求解等步骤，可以得到曲轴的“应力”、“应变”分析结果.曲轴所承受的气体压力、活塞与连杆往复运动的惯性力需要在工况计算时，转换到曲轴的曲柄销部位.根据传统方法及有限宽度轴颈油膜压应力分布规律，忽略油孔处压力峰值突变的影响，假定压力边界条件为载荷沿连杆轴颈按二次抛物线规律分布，沿轴颈圆周1200范围内按余弦规律分布3 ，如图6所示.以第3缸处于最大爆发工况为例对曲轴进行研究，曲轴轴颈受力如图7所示。曲轴在工作过程中，应力主要集中在连杆轴颈、曲柄臂和主轴颈、曲柄臂过渡圆角处4-6。发动机气缸发生最大爆发压力时，曲轴轴颈处的受力是最大的，所以其应力与应变也应该是比较大7 。以第3缸处于最大爆发工况为例对曲轴进行有限元分析，得到应力、应变云图如图8所示。由图8看出，当第3缸处于最大爆发压力工况时，曲轴最大应力值为67.06 MPa，发生在第3连杆轴颈上部与曲柄过渡圆角处。最大应变为0.023 mm，发生在第2缸和第3缸连杆轴颈及曲柄部位.实际工作过程中，这些部位也容易产生应力集中现象。因此，借助于有限元技术，可以找到曲轴的薄弱环节，实现曲轴的优化设计。4曲轴疲劳寿命分析由于曲轴在交变应力作用下，其轴颈截面变化转接圆角处发生应力疲劳与应力疲劳破坏的危险性极大，如何提高发动机曲轴的抗疲劳强度，以提高发动机的使用寿命，多年来一直是人们研究和探索的课题川.采用有限元技术对机构进行疲劳分析可以简化设计过程。本文利用Algor:软件对曲轴进行疲劳寿命分析.具体步骤为在Algor后处理环境中单击Fatigue Wizar按钮，选择应力疲劳法，设置各项参数、输入设计循环次数为1010 ，最后输出疲劳计算结果如图9和图10所示。由图9可以看出，曲轴上疲劳寿命相对较低的部位位于连杆轴颈，曲柄臂和主轴颈以及各过渡圆角处，这些部位也是容易发生应力集中的部位.最短寿命次循环，达到了发动机曲轴的设计要求。由图10可以看出，曲轴上最先出现损坏的的部位位于连杆轴颈与曲柄过渡圆角处，这与实际状况相符合.验证了设计的合理性。5结语采用三维CAD软件Pro/E建立了四缸发动机曲柄连杆机构的虚拟样机，并在此基础上进行了运动学仿真分析，验证了曲柄连杆机构运动规律的准确性；利用Algor软件对曲轴进行了静力学性能分析，分析第3缸爆发时的应力云图和变形图，找到曲轴的应力集中部位，为曲轴的优化设计提供了重要依据；利用Algor软件的疲劳分析模块对曲轴进行疲劳分析，得到曲轴疲劳寿命云图和损伤图，对提高发动机的可靠性提供了参考依据.研究表明，采用虚拟样机技术和有限元技术相结合，可以更快验证设计的准确性，从而缩短产品设计周期，提高设计质量，达到机械产品的快速化设计目的。参考文献:1李飞鹏内燃机构造与原理M北京:中国铁道出版社，20032李明海，徐小林，张铁臣内燃机机构M北京:中国水利机电出版社，20103沈海涛，郑水英柴油机曲轴危险工况的确定及其静强度分析J机械设计，2006,23(11):28-304李迎，裘碧峰，李孝禄,490柴油机曲轴应力应变有限元仿真J农机化研究，2011,33(11):217-2205唐传茵，马岩，朱博，等V8发动机曲轴有限元分析J机械设计与制造，2013(1):211-2136薛海，商跃进，王红,12V180内燃机连杆的强度分析J兰州交通大学学报，2009,28(3):118-1007任思路，童宝宏车用发动机曲轴的有限元分析J重庆理工大学学报，2011,20(9):11-108刘荣昌，马淑英，马国清曲轴滚压关键参数设计理论与数值模拟M.北京:国防工业出版社，2010