【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 有限元技術(shù)及 ANSYS 軟件 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） _______________________________________________________________________________ 5 有限元技術(shù) 有限元法的基本概念 有限元法是將無限自由度的連續(xù)系統(tǒng)近 似等效為只有有限自由度的離散系統(tǒng)，使所求問題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的數(shù)學(xué)問題。有限元法是把連續(xù)系統(tǒng)離散為數(shù)目有限的單元，單元之間以節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系，構(gòu)成一個(gè)單元集合體以替代原有系統(tǒng)。再把實(shí)際結(jié)構(gòu)上的載荷或邊界條件移植到節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)而引入幾何方程或物理方程等對(duì)每個(gè)單元特性分析求解。最后將單元的特性關(guān)系按一定條件集合起來，引入邊界條件構(gòu)成一組以節(jié)點(diǎn)變量為未知量的方程組，從而可以求得節(jié)點(diǎn)處的待求變量。 有限元技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 有限元技術(shù)不僅可以解決工程上的結(jié)構(gòu)分析問題，而且還可以解決傳熱學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)和聲 學(xué)等領(lǐng)域的問題。有限元計(jì)算結(jié)果已經(jīng)成為各種工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能評(píng)估的重要依據(jù)，在大型結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析、穩(wěn)定性分析、傳熱分析等方面越來越具有影響，為這些問題的解決提供了高效的方法。 ANSYS 軟件 ANSYSY 特點(diǎn)與主要功能 ANSYS 是目前通用的有限元分析軟件之一，其功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛，主要特點(diǎn)與功能表現(xiàn)在首先， ANSYS 具有良好的用戶開發(fā)環(huán)境，用戶可以利用 APDL、 UIDL和 UPFs 等對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)。其次，它具有多種網(wǎng)格劃分方式和獨(dú)特的優(yōu)化功能，可以根據(jù)模型的特點(diǎn)選擇合適的網(wǎng)格劃分方式 ，并且可以利用優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)結(jié)構(gòu)的形貌和材料等進(jìn)行優(yōu)化。再次，其具有友好的程序接口，能實(shí)現(xiàn)與主流CAD 軟件及其他有限元分析軟件在數(shù)據(jù)上的導(dǎo)入和導(dǎo)出。最后， ANSYS 具有強(qiáng)大的求解功能，提供了多種求解器，用戶可根據(jù)具體的分析問題選擇合適的求解器。 本文主要是用 ANSYS Workbench對(duì)曲軸進(jìn)行靜力學(xué)分析以及模態(tài)分析， ANSYS Workbench提出的背景主要是傳統(tǒng) CAE軟件在設(shè)計(jì)研發(fā)中的不足對(duì)分析人員的要求很高，有限元的概念與相關(guān)行業(yè)功能結(jié)合較少數(shù)據(jù)接口與共享不方便，處理模型的功能較弱主要在設(shè)計(jì)后期使 用，而不是貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程。 Workbench 把ANSYS 系列產(chǎn)品融合在仿真平臺(tái)，使數(shù)據(jù)無縫實(shí)現(xiàn)傳遞以及共享，并且 Workbench為仿真模擬和設(shè)計(jì)提供了全新的平臺(tái)，提高了仿真效率。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） _______________________________________________________________________________ 6 3 曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 曲軸的工作條件與設(shè)計(jì)要求 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） _______________________________________________________________________________ 7 曲軸是在周期性變化的氣體力、慣性力及其力矩的共同作用下工作的 ,使曲軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和彎曲變形 ,產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)。事實(shí)與理論表明，曲軸的主要破壞形式是彎曲疲勞破壞。所以 ,曲軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究的重點(diǎn)是彎曲疲勞強(qiáng)度。曲軸是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重要組成部分 ,其必須具有足夠的剛度。當(dāng)曲軸彎曲剛度不足時(shí) ,活塞、連桿、軸承等的工作條件會(huì)惡化 ,直接影響它們的工作可靠性。因此 ,在設(shè)計(jì)曲軸時(shí) ,還要保證它有足夠高的彎曲剛度。 曲軸由于形狀復(fù)雜，其應(yīng)力集中現(xiàn)象比較嚴(yán)重 ,最主要的是在曲柄至軸頸的過渡圓角區(qū) ,所以曲軸必須具有足夠的疲勞強(qiáng)度 ,在應(yīng)力集中部位應(yīng)設(shè)法緩和應(yīng)力集中現(xiàn)象 ,可以采用局部強(qiáng)化的方法來解決這一矛盾。曲軸軸頸在工作時(shí)會(huì)以較大的相對(duì)速度在軸承中發(fā)生滑動(dòng)摩擦。這就要求設(shè)計(jì)曲軸時(shí) ,各軸頸要有足夠大的承壓面積和耐磨性。另外，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)趨于高速化的條件下 ,曲軸的質(zhì)量應(yīng)盡量 小，以免產(chǎn)生較大的運(yùn)動(dòng)慣性。 曲軸的結(jié)構(gòu)類型與材料 曲軸基本上由若干個(gè)單元曲拐構(gòu)成。一個(gè)曲柄銷，左右兩個(gè)曲柄臂和左右兩個(gè)主軸頸構(gòu)成一個(gè)單元曲拐。按單元曲拐連接方法的不同，曲軸可以分為整體式和組合式兩種。 1)整體式曲軸 各單元曲拐鍛制或鑄造成一個(gè)整體的曲軸為整體式曲軸。這種曲軸的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工面較少，質(zhì)量小，工作可靠性好，適用于中小型發(fā)動(dòng)機(jī)，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸多為整體式曲軸。 2） 組合式曲軸 由單元曲拐組合拆裝而成的曲軸為組合式曲軸。單元曲拐便于制造，而且單元曲拐如果損壞可以更換，不必將整根曲軸換掉。但組 合式曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆裝不便。綜合以上分析，本文采用的曲軸是整體式曲軸形式。 曲軸材料的選擇是曲軸設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。曲軸材料的選擇要保證曲軸有足夠強(qiáng)度 ,為了使曲軸的加工容易而且價(jià)格低廉，應(yīng)盡可能采用一般材料作為曲軸的材料。曲軸材料除了應(yīng)具有良好的機(jī)械性能以外 ,還要具有很高的耐磨性、耐疲勞性和沖擊韌性。目前發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸一般由 4 35Mn 40Cr 等中碳鋼和中碳合金鋼模鍛而成，軸頸表面須經(jīng)高頻淬火或氮化處理，最后再進(jìn)行精加工?，F(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用球墨鑄鐵曲軸，球墨鑄鐵耐磨性能好，價(jià)格便宜，軸頸不需硬化處理，而且 金屬消耗量少，機(jī)械加工量也少。除此以外，為了提高曲軸的疲勞強(qiáng)度，消除應(yīng)力集中，軸頸表面還應(yīng)進(jìn)行噴丸處理，圓角處要經(jīng)滾壓處理。本文曲軸材料為 42CrMoA。 曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） _______________________________________________________________________________ 8 軸頸的設(shè)計(jì) 曲軸軸頸包括主軸頸和曲柄銷。 1）曲柄銷的直徑 D2和長(zhǎng)度 L2 在設(shè)計(jì)曲軸軸頸的尺寸時(shí)，首先要確定曲柄銷的直徑?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，趨于采用較大的曲柄銷直徑，這樣可以降低曲柄銷的比壓，提高連桿軸承工作的可靠性，還可以提高曲軸的剛度。但如果曲柄銷直徑過大，會(huì)引起轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的急劇增大，而且軸承的摩擦損失也會(huì)相應(yīng) 增加，導(dǎo)致軸承熱負(fù)荷過大，故曲柄銷直徑總是小于主軸頸直徑。 曲柄銷長(zhǎng)度是在曲柄銷直徑的基礎(chǔ)上選定的。為保證曲軸的剛度和軸承的可靠性，曲柄銷長(zhǎng)度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)為了提高曲軸的剛度，軸承長(zhǎng)徑比一般為 左右。本文取曲柄銷直徑為 50cm，長(zhǎng)度為 35cm。 2） 主軸頸的直徑 D1和長(zhǎng)度 L1 為了最大限度地加強(qiáng)曲軸剛度，一般選用短而粗的主軸頸。加粗主軸頸不僅可以提高曲軸的剛度，還能相對(duì)縮小長(zhǎng)度，提高曲軸強(qiáng)度。但如果主軸頸直徑過大，會(huì)使軸承圓周速度加大，增加摩擦損失。因此。為保證曲軸各部分尺寸的協(xié)調(diào)性 ，一般取 D1=(~ )D2。 主軸頸的長(zhǎng)度一般小于曲柄銷長(zhǎng)度。取較短的主軸頸可滿足增加剛度和保證良好潤(rùn)滑的要求，但不能過短，否則會(huì)使軸承負(fù)荷能力下降。本文取主軸頸直徑為 58cm,長(zhǎng)度為 32cm。 曲柄臂的設(shè)計(jì) 曲柄臂在曲柄平面內(nèi)的抗彎剛度和強(qiáng)度均較差，常因受交變彎曲應(yīng)力而斷裂。曲柄臂是整體曲軸上最薄弱的環(huán)節(jié)，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇其厚度、寬度及形狀，以改善應(yīng)力分布情況，保證曲軸有足夠的剛度和強(qiáng)度。曲柄的 抗彎能力可以用其矩形斷面的抗彎斷面模數(shù)來衡量，曲柄臂強(qiáng)度可通過增大曲柄臂的厚度和寬度來提高，但增加厚度比增加寬度更能提高其抗彎能力。同時(shí)，當(dāng)缸心距一定時(shí)，曲柄臂厚度不可能過大。現(xiàn)代高速內(nèi)燃機(jī)曲軸的曲柄形狀多采用橢圓形或圓形，本文采用橢圓形曲柄，橢圓形曲柄具有良好的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。本文設(shè)計(jì)的曲柄臂寬為 30cm，厚為 18cm。 平衡重的設(shè)計(jì) 平衡重的作用是平衡發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)離心力及其力矩，有時(shí)也可平衡往復(fù)慣性力及其力矩，并且還可以減小主軸承的負(fù)荷。設(shè)計(jì)平衡重時(shí)，要盡可能使平衡重武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） _______________________________________________________________________________ 9 的重心遠(yuǎn)離曲軸的旋轉(zhuǎn)中心 ，平衡重的徑向尺寸要防止其旋轉(zhuǎn)時(shí)與曲軸箱等固定件發(fā)生干涉，也不能與活塞裙部和連桿大頭相碰。平衡重的厚度應(yīng)連桿能從兩個(gè)平衡重之間的空隙通過為限度。 平衡重可與曲柄臂做成一個(gè)整體，也可以單獨(dú)制造。鑄造曲軸的平衡重一般與曲軸鑄成整體，這樣加工簡(jiǎn)單且工作可靠。鍛造曲軸由于結(jié)構(gòu)或鍛造設(shè)備的限制，平衡重往往與曲軸分開鑄造，并用螺釘緊固在曲柄臂上。本文采用的是分開鑄造式平衡重，并用螺釘緊固在曲柄臂上。 油道的設(shè)計(jì) 曲軸軸承的工作能力在很大程度上取決于摩擦表面的潤(rùn)滑品質(zhì) ,因此 ,為了保證軸承的工作可靠性 ,主軸頸和 連桿軸頸通常都釆用壓力潤(rùn)滑。將潤(rùn)滑油輸送到曲軸軸承中去的供油方式有兩種：一種是集中供油，即將曲軸內(nèi)部作為中空的連續(xù)孔道，該孔道作為內(nèi)燃機(jī)的主油道，潤(rùn)滑油從曲軸的一端進(jìn)入曲軸，然后經(jīng)曲軸內(nèi)控串聯(lián)流向各軸承；另一種是分路供油，即潤(rùn)滑油從曲軸箱上的主油道并聯(lián)進(jìn)入各個(gè)主軸承，然后通過曲軸油道再進(jìn)入相應(yīng)的連桿軸承?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)多采用分路供油。油道的布置方案較多，本文采用比較普遍的斜油道，即從曲柄臂肩部鉆一油孔，貫通曲柄銷與主軸頸，再以直孔接通，最后將曲柄臂肩部孔堵死，這種斜油道的上部還可作機(jī)械雜質(zhì)的收集器。 綜合上述分 析，對(duì)于柴油機(jī)主軸頸直徑 D1/D=(~ ),長(zhǎng)度L1/D=(~ )；曲柄銷直徑 D2/D=(~ ),長(zhǎng)度 L2/D=(~ )。而本文 的柴油機(jī)缸徑是 80cm,故取 D1為 58cm,L1為 32cm；取 D2為 50cm,L2為 35cm。曲柄臂寬 W=30cm，厚 b=18cm。 曲軸疲勞強(qiáng)度分析與校核 有限元計(jì)算結(jié)果顯示 ,在曲柄銷及主軸頸處有較大的應(yīng)力集中 ,最危險(xiǎn)的區(qū)域在第三個(gè)氣缸發(fā)火時(shí)第三主軸頸與第三個(gè)曲拐處 ,曲軸的位移量較小 ,遠(yuǎn)在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi) ,故本文對(duì)曲軸強(qiáng)度作如下校核。 對(duì)于曲軸靜強(qiáng)度安全系數(shù)的校核，靜強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算公式為 ??maxn b? ，式中 ?b 是材料的強(qiáng)度極限 ,取值為 980MPa； ?max 是曲軸危險(xiǎn)部位的最大應(yīng)力 ,按最大應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行校核 ,根據(jù)應(yīng)力云圖可以得到最大應(yīng)力數(shù)值為 ,所以 n=980/=。通常合 金鋼制造的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸安全系數(shù) ? ? 3~2?n ,故強(qiáng)度安全系數(shù)在許用范圍內(nèi) ,曲軸武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） _______________________________________________________________________________ 10 的強(qiáng)度滿足要求。 [9] 對(duì)于曲軸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核，疲勞安全系數(shù)計(jì)算公式為 ???????????? mkK ?? ?1n 其中， ?1 是材料對(duì)稱彎曲循環(huán)疲勞極限； ?? 是曲軸彎曲時(shí)的名義應(yīng)力幅； ?m 是曲軸彎曲時(shí)的名義平均應(yīng)力； K? 是曲軸有效總不均勻度系數(shù)； k? 是曲軸彎曲時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)； ?? 是絕對(duì)尺寸影響系數(shù)； ? 是強(qiáng)化系數(shù) ,表示不同加工方法和工藝措施對(duì)曲軸圓角部位疲勞強(qiáng)度的影響； ?? 是材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱的敏感系數(shù)。 ?? minmax、 為第三氣缸爆發(fā)時(shí)施加的最大載荷和最小載荷對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值分別為 和 。則 ??? , ??m 。根據(jù)材料屬性查得各個(gè)參數(shù)如下 : ??1 , ?K? ， ?k? ，??? , ?? , ??? 。 將上述數(shù)據(jù)帶入式中得到 n? =,考慮到多缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸一般扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及動(dòng)載荷對(duì)曲軸的沖擊作用將增大曲軸應(yīng)力 ,因此再引用動(dòng)力強(qiáng)化系數(shù) ?d 和動(dòng)荷系數(shù) C修正原有的安全系數(shù) : Cdn???n 查表 可得 ?d =，一般取 C= ~ ，本文取 C=?？傻?n=。 對(duì)于鋼材料曲軸 ,在制造工藝穩(wěn)定的情況下 ,安全系數(shù)應(yīng)取 n? ,因此曲軸的強(qiáng)度能滿足要求。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） _______________________________________________________________________________ 11 4 基于 ANSYS 的曲軸結(jié)構(gòu)的有限元分析 曲軸在工作時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變情況對(duì)設(shè)計(jì)曲軸 十分重要，其應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 ,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難準(zhǔn)確地反映出曲軸的實(shí)際運(yùn)行狀況。隨著計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)和完善，有限元法作為一種強(qiáng)有力的數(shù)值計(jì)算方法，已經(jīng)應(yīng)用到工程實(shí)踐中，并且大大減少了計(jì)算過程，縮短了曲軸的設(shè)計(jì)周期。利用有限元分析，可以有效地分析曲軸工作時(shí)的形狀和應(yīng)力的變化，為改善曲軸的性能提供了理論依據(jù)。 曲