【導讀】機的樣本，并對其進行詳細的測繪以得到相關的數(shù)據(jù)參數(shù)。并在此基礎之上，對機體結(jié)。受力等問題進行詳盡的分析，并得到了精確的分析結(jié)果。利用Pro/E對機體進行三維建。進行分析、網(wǎng)格劃分、施加約束和載荷，最后進行相關的強度計算。研究內(nèi)容及意義··························3. 175F機體實體建模過程·······················5

　　

【正文】 用密的網(wǎng)格。而計算固有特性時則應趨于采用較均勻的網(wǎng)格形式。這是因為固有頻率和振型主要取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度分布，不存在類似應力集中現(xiàn)象，采用均勻網(wǎng)格使結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大，可減小數(shù)值計算誤差。 本文計算機體的變形、應力分析時，由于機體模型結(jié)構(gòu)比較復雜，若采用不同的網(wǎng)格劃分方式 ，在變形、應力集中的突變部位采用較密的網(wǎng)格，其他部分采用較大網(wǎng)格進行劃分時的難度和工作量都會有很大。故本文采取比較折衷的方法，網(wǎng)格劃分單元采用精度較高的四面體十節(jié)點二次單元，利用 ANSYS 網(wǎng)格智能劃分功能 (SmartsizeMesh)對機體進行網(wǎng)格自動劃分。 Pro/E 文件導入 ANSYS Pro/E 文件導入 ANSYS ① 將 prt 文件另存為“ igs”格式 ② 點擊 FileImportIGS,選擇保存的“ igs”文件 ③ 依次選擇 PlotctrlStyleSolit Model FacetsFine ④ 依次選擇 PlotVolumes 30 圖（ ） 分析前處理 1）創(chuàng)建“ jitia”的工作名：從主菜單中選擇 Main Menu： File＞ Change Jobname… 。 打開“ Change Jobname”對話框，在文本框中鍵入“ jitia”作為新的作業(yè)名，然后單擊“ OK”按鈕，如圖所示。 圖 （ ) 2）更改標題為“鋼板彈簧” 從主菜單中選擇 Main Menu： File＞ change title 打開“ change title”對話框，在文本框中鍵入“ jitib”， 然后單擊“ OK”按鈕，如圖所示。 第四章：輕型 175F發(fā)動機機體有限元分析 31 圖 （ ) 3)定義單元類型 (在 Library of element types 中設置為 Solid92) 從主菜單中選擇 Main Menu： Preprocessor＞ Element Type＞ Add/Edit/Delete 命令，將打開的 “Element Type（單元類型） ”對話框。 單擊 “Add…” 按鈕，將打開 “Library of Element Types（單元類型庫） ”，如圖所示。 圖 （ ) 圖 （ ) 32 圖 （ ) 可以繼續(xù)添加，步驟一樣，添加之后再圖框中單擊“ Ok”，并關閉單元類型框，返回，最后定義單元類型如圖所示。 圖 （ ) 4）設置實常數(shù)： 實常數(shù)在劃分網(wǎng)格之前要定義好，這里的 Solid92 十節(jié)點無需定義實常數(shù)。 5）定義材料類型： 在有限元靜力非線性分析中必須定義材料類型，本文 175F 柴油機機體采用鑄鐵，其有關材料特性參數(shù)如下 [14]: 密度 /（ 3/kg m ） 7200 彈性模量 /Gpa 120 泊松比 / 從主菜單中選擇 Main Menu： Preprocessor＞ Material Props＞ Material Model 命令，將第四章：輕型 175F發(fā)動機機體有限元分析 33 打開 “Define Model Behavior（定義材料模型屬性） ”窗口，如圖所示。 圖 （ ) 依次單擊 Structural＞ Linear＞ Elastic＞ Isotropic，展開材料屬性的樹形結(jié)構(gòu)。將打開1 號材料的彈性模量 EX 和泊松比 PRXY 的定 義對話框，如圖所示。 圖 （ ) 在對畫框 的 EX 文本框中輸入彈性模量 ，在 PRXY 文本框中輸入泊松比 單擊“ OK”按鈕，關閉對話框，并返回到定義材料模型屬性窗口，在此窗口的左邊一欄出現(xiàn)剛剛定義的的材料屬性。如圖所示 . 34 圖 （ ) 圖 （ ) 第四章：輕型 175F發(fā)動機機體有限元分析 35 劃分網(wǎng)格 利用 ANSYS 網(wǎng)格智能劃分功能 (SmartsizeMesh)對機體進行網(wǎng)格自動劃分。 查看節(jié)點數(shù)與單元數(shù)：得到總數(shù)為 76790 個單元格， 135621 個結(jié)點。圖 ()為生成的有限元模型。 圖 （ ) 模型邊界條件與載荷的確定 約束處理 從數(shù)學的角度來講，問題的邊界條件屬于解的唯一性條件，對它的模擬合理與否直接影響解的合理性。邊界條件的施加是發(fā)動機零部件有限元分析的難點之一。邊界條件的施加方式與有限元網(wǎng)格模型的生成方式直接相關，對基于幾何模型建立的有限元模型，邊界條件可以施加在幾何模型的邊、表面、點。一旦生成有限元模型，軟件可自動將邊界條件轉(zhuǎn)換施加到節(jié)點、單元面和單元邊等有限元實體上。如果在幾何位置點 (頂點、邊或面上的位置點 )上施加的邊界條件，則必須在施加后對模型進行自由式網(wǎng)格劃分后才能生效。為了確保每一個幾何點都與節(jié)點相關聯(lián)，應 該對幾何點施加邊界條件后再進行模型網(wǎng)格劃分。這樣可以使繁雜的邊界條件施加變得直觀方便 [15]。 36 邊界條件的確定方法大體上可分為解析法、試驗法和試算法。實際上精確的邊界條件的確定是非常困難的。 175F 柴油機在實際工作中是通過機體和飛輪殼上的四個支座，用螺栓固定在裝置的車架上。為了盡可能真實的反映機體在發(fā)動機工作過程中的受力情況，在分析中仔細考慮了各種約束的影響。對于發(fā)動機機體的支撐，我們將機體底部施加約束來進行分析，結(jié)果表明，施加機體底部約束可以很好地清除機體各點位移中的機體位移分量，且對應力分布無明顯影響， 能較好地反映機體各點的真實變形。 載荷的確定 機體載荷是機體靜強度分析計算的關鍵因素，它直接影響計算的準確性和可靠性。在工作過程中，發(fā)動機各部分的作用力都在不斷的發(fā)生變化，為了考察機體在極限工作狀態(tài)下的強度，應該選缸體做功行程中各部分受力最大的時刻進行分別計算，由于發(fā)動機工作時，工作狀態(tài)變化是一種循環(huán)過程，所以在機體強度、剛度分析時把某一缸極限工作狀況時刻的發(fā)動機的工作狀態(tài)作為發(fā)動機的極限工作狀態(tài)進行分析計算。 根據(jù)第 3章提供的計算方法和計算公式，可以順利算出氣缸壁所受的工作壓力 gp 活轉(zhuǎn)角 360176。）受到最大爆發(fā)壓力作用，其值為 Pt＝ 。在進氣行程上止點時受到最大慣性力作用，其值 Ｐ z=， 此力通過連桿蓋軸瓦作用在軸連桿軸頸下部的圓柱面上。這兩個力在接觸處沿周向呈余弦規(guī)律分布。 加載和計算結(jié)果分析 加載 具體步驟是：選 擇 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructural ，選擇Displacement 定義約束區(qū)，選擇 Force/Monent 定義加載載荷。如圖 ()和 ()所示。找出機體上受最大拉力和最大壓力的部位 ,這是兩種最危險的工況。 圖（ ） 機體承受最大壓縮載荷的約束、加載情況 第四章：輕型 175F發(fā)動機機體有限元分析 37 圖 （ ) 圖（ ） 機體承受最大拉伸載荷的約束、加載情況 圖 （ ） 38 分析載荷力云圖 在 Main Menu下選擇 General PostprocPlot Resultscontour plot Nodal Solu,將出現(xiàn)一個對話框 ,在 “Item to be contoured”下選擇 “stress”,在其下選擇 “VonM ises SEQV”,單擊OK。 從機體曲軸有限元應力分析結(jié)果中可以看出 ,無論是受壓力見圖 ()還是受拉力見圖 (),在氣缸缸臂頂端周圍及缸蓋螺栓孔周圍都有較大集中應力 ,圖中應力單位為 Mpa 最危險部位是缸套頂端。上述情況得到的應力變化趨勢、危險點與有關文獻報道也是一致的。因此在設計過程中應重點考慮缸套頂端。 圖（ ） 機體承受最大壓縮載荷的應力云圖 第四章：輕型 175F發(fā)動機機體有限元分析 39 圖 () 機體承受最大拉伸載荷的應力云圖 強度校核 從圖 ()和圖 ()中取出最大應 力值，來進行強度校核。 靜強度安全系數(shù)校核 靜強度安全系數(shù)計算公式為maxbn ??? ，式中 b? 是材料強度極限， 175F 機體材料經(jīng)正火和調(diào)質(zhì)處理，強度極限本文取 400MPa， max? 是危險部位最大應力，按最大應力數(shù)進行校核。其值為 ,故 n=400/= ,通?；诣T鐵靜強度安全系數(shù)為 3,故靜強度安全系數(shù)在許用范圍內(nèi) [16]。 疲勞安全系數(shù)校核 疲勞安全系數(shù)計算公式為： 1mn k?? ???????????式中， σa為應力幅， σm為平均應力，ψσ材料應力循環(huán)不對稱的敏感系數(shù) ,ψσ=； kσ 為有效應力集中系數(shù)， kσ=； εσ 為尺寸系數(shù)， εσ=； σ1 為對稱疲勞極限， σ1=211Mpa； β為表面質(zhì)量系數(shù)， β=；nσ 為疲勞強度許用安全系數(shù) [17]。由應力分布圖 ()、圖 ()可知， σmax=，σmin=。 )(21 m inm a x ??? ??? a )(21 m inm a x ??? ??? m 代入公式可得 ??n ，鑄鐵疲勞強度許用安全系數(shù)為 ,所以柴油機的機體滿足疲勞強度要求。 40 第五章： 總 結(jié) 機體本身就是汽車當中的一個相對復雜的部件，正因為它復雜，所以人們在設計與制造時并不能準確的把握它的性能，于是為了避免高成本的制造生產(chǎn)， ANSYS 軟件便產(chǎn)生了。 ANSYS 能在機體還沒有完全制造出來的時候，可以先對機體進行細致化的分析從而找到機體部分當中存在的薄弱環(huán)節(jié)從而進一 步的改良，節(jié)省了成本的投入。 本文以 ANSYS 軟件為平臺，用 175F 機體的三維模型導入到 ANSYS 中進行分析。在設計過程中就要求我們要相當嚴謹，一絲一毫的差錯就可能導致有限元分析的錯誤，從而功虧一簣。 ANSYS 有限元分析是首先以三維實體建模為基礎，考慮到 Pro/E 這款軟件在實體建模過程中具有操作簡單的特點，所以用它來對 175F 機體進行實體建模。而用 ANSYS 對實體模型進行分析，網(wǎng)格的劃分就是重點，不同的形狀可以選取不同的劃分單元，不同的劃分單元影響著計算的精度，所以網(wǎng)格劃分值得仔細琢磨。另外就是加載和約束 的過程，約束類型很復雜，非線性接觸要建立接觸對，添加摩擦系數(shù)，約束有很多種，有面約束位移約束，加載要設置步載和子步，所以在這里要仔細的設置，一旦設置出了一丁點的差錯就會對最后結(jié)果的精度造成影響。 通過這次畢業(yè)設計使我明白了很多東西，深刻的了解到了自己知識的不足：對學習所得的東西往往停留在理論的程度上而沒有提升到實踐的高度上去。所以自己以后要學習的東西還很多。這次畢業(yè)設計，我學到了很多也領悟了很多。要想真正掌握一門軟件，只有通過不斷的學習然后再不斷的實踐，再學習再實踐的過程，只有這樣才能把這門軟件真正的融會貫 通。在這次設計中 Pro/E 與 ANSYS 在對接時出現(xiàn)了一點錯誤，其根本的原因就是自己平時沒有注意 Pro/E 畫圖的細節(jié)，在細微的地方還存在著一定的問題從而導致分析的圖形出現(xiàn)錯誤，這為以后的學習敲響了警鐘：凡是都要做到細致，一絲不茍。 第五章：總 結(jié) 41 參考文獻 [1]周龍保 .內(nèi)燃機學 [M].北京 :機械工業(yè)出版社 ,2021:286298,331333. 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[17]徐灝 .安全系數(shù)和許用應力 [M].北京 :機械工業(yè)出版社 ,1985:242261. 42 致 謝 經(jīng)過這一個多月來的奮戰(zhàn)，畢業(yè)設計也接近了尾聲。在這次畢業(yè)設計的過程中，自己感覺收獲了很多的東 西。 首先應該感謝的就是我的指導老師，在設計的過程中給了我很多的指導意見，使得自己的畢業(yè)設計能夠穩(wěn)步的開展。同時在自己的設計過程中還存在了很多的不足之處，老師都不厭其煩的指出了我的錯誤使得我可以及時糾正，不至于偏離課題的方向。在這里向老師表達我的感激之情。 最后就是感謝我們小組同學，在準備畢業(yè)設計的這段時間里我們可謂是同舟共濟，大家仿佛就像是兄弟姐妹一樣。遇到了什么問題，互相討論，互相解決，大家一起交流在畢業(yè)設計過程中的經(jīng)驗和教訓并為對方提供一定的借鑒，避免類似的錯誤再次發(fā)生。能跟你們一起渡過這美好的大學時 光，感覺自己非常的幸運。 自己的大學生活馬上就要劃上圓滿的句號，這段美好的回憶會永遠保留在我記憶的最深處。大學生活的結(jié)束是我人生中的又一個起點，在大學里收獲的東西會成為我最寶貴的財富，從而為我以后的工作與學習打下良好的基礎。