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曲軸連桿機(jī)構(gòu)的的有限元模型畢業(yè)設(shè)計說明書(參考版)

2024-09-01 12:23本頁面
  

【正文】 最后,應(yīng)用 軟件采用有限元方法對曲軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲場分析。 第六章 結(jié)論與展望 39 第六章 結(jié)論與展望 結(jié)論 本文應(yīng)用 UG 軟件建立了曲軸連桿機(jī)構(gòu)的三維實體模型,應(yīng)用 ANSYS WORKBENCH 建立了該機(jī)構(gòu)與曲軸的有限元模型,并行模態(tài)分析,得到機(jī)構(gòu)與曲軸的振型及固有頻率。 本章小結(jié) 本章簡述了與聲場分析有關(guān)的邊界元理論,并介紹了 軟件的特點和振動、噪聲模塊的功能。在 Select Data 對話框先選擇一個點,單擊【 Display】按鈕,然后再選擇另外一個點,單擊【 Add】,最后選擇【 Format】→【 dB】,這時候曲線就是以聲壓 dB 的形式顯示,如圖 54 所示: 圖 54 曲軸 聲壓曲線圖 第五章 曲軸結(jié)構(gòu)的振動噪聲分析 38 線 1 代表場點 35123 的聲壓曲線圖 線 2 代表場點 35105 的聲壓曲線圖 1保存模型。在 Output Points 上單擊鼠標(biāo)右鍵,選擇【 Create Single IOPoint】→【 New IOPoint】,然后單擊場點上的點,自由度選擇 S,用同樣的方法可以多選擇幾個點。如圖 53 為 830HZ 的曲軸聲壓云圖 , 圖 52 為曲軸聲構(gòu)耦合模型 : 圖 52 曲軸 聲構(gòu)耦合模型 第五章 曲軸結(jié)構(gòu)的振動噪聲分析 37 圖 53 830 HZ 曲軸 場點聲壓 云圖 1計算場點上的聲壓頻率響應(yīng)函數(shù)。在 Acoustic Field Response Solution 上單擊鼠標(biāo)右鍵,選擇【 Update】開始計算。 場點計算。雙擊 VibroAcoustic Response Solution ,輸入計算頻率的范圍:起始頻率 100HZ、終止頻率 3000HZ、每間隔 100HZ 計算一次。關(guān)閉對話框后,雙擊結(jié)構(gòu)樹上的的 VibroAcoustic Mesh Structural Mesh,并選擇曲軸結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。 耦合聲場分布計算。雙擊結(jié)構(gòu)樹 Locations 下的 Faces,彈出面定義框,選中曲軸聲學(xué)網(wǎng)格, Side 處只選 positive,單擊【 OK】。雙擊該分支,彈出對話框,在 Name 中輸入 Velocity BC Set,關(guān)閉對話框。 定義速度邊界條件。 定義流體材料及屬性。邊界元中的前處理操作可以檢查網(wǎng)格是否適合邊界元計算,是必須要做的。場點網(wǎng)格不參與運算,只是方便查看聲壓云圖結(jié)果。 定義場點網(wǎng)格。如圖 51: 第五章 曲軸結(jié)構(gòu)的振動噪聲分析 35 圖 51 曲軸聲學(xué)網(wǎng)格 導(dǎo)入曲軸的結(jié)構(gòu)模態(tài)。單擊菜單下的【 Import】,將曲軸的兩種 .cad 文件導(dǎo)入,并且進(jìn)行網(wǎng)格類型定義。單擊菜單【 Tools】下的【 Edit the Modal Type Definition】命令,選擇Indirect。 設(shè)定分析模型的類型。 曲軸聲學(xué)分析步驟 本課題用邊界元法對曲軸進(jìn)行聲構(gòu)耦合分析。曲軸空腔模型導(dǎo)入 到經(jīng)典界面后不進(jìn)行模態(tài)分析直接“ write”成 .cdb 文件。同樣將曲軸幾何模型也寫成 .dat 文件。將曲軸幾何模型全選( select all),并應(yīng)用 Thin/Surface 命令設(shè)置其厚度( thickness)為 0mm,之后點擊“ generate”命令生成曲軸空腔模型。另外結(jié)構(gòu)模塊還專門為聲學(xué)模塊提供了網(wǎng)格粗化和腔體網(wǎng)格生成的功能,可以幫助工程師快速建立起聲學(xué)模型。在聲學(xué)模塊中,提供了聲學(xué)有限元( Harmonic Acoustic FEM)、聲學(xué)邊界元 (Harmonic Acoustic BEM)和 ATV(聲學(xué)傳遞向量 )計算聲場的方法,計算空間可以是時域也可以是頻域。根據(jù)分析類型的不同,可以建立非耦合的聲學(xué)模型,也可以建立結(jié)構(gòu)和聲學(xué)耦合的模型。聲學(xué)模塊采用最先進(jìn)的聲學(xué)有限元法和聲學(xué)邊界元法兩種數(shù)值計算方法,可以在時域內(nèi)計算,也可以在頻率域內(nèi)計算。在此基礎(chǔ)上,可以進(jìn)行基于模態(tài)和基于傳遞函數(shù)的快速修改預(yù)測,得到修改后的結(jié)果,評估修改的效果,提高仿真的效率。 Vibration 是進(jìn)行振動分析的模塊,可以將仿真的模態(tài)和來修正有限元的模型,使計算出來的試驗的模態(tài)進(jìn)行相關(guān)性對比,根據(jù)試驗?zāi)B(tài)并結(jié)合優(yōu)化模塊來修正有限元的模型,使計算出來的模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)從頻率和振型上都接近,并可 以將仿真的模型和試驗?zāi)P突旌涎b配在一起。 Acoustics 簡介 LMS公司開發(fā)的基于 CATIA V5平臺的集成仿真 CAE平臺,主要有 Acoustics(聲學(xué) )、 Durability(耐久性 )、 Motion(多體動力學(xué) )、 Vibration(振動 )、 Structure(有限元前后處理 )、 Desktop(桌面 )和 Optimization(優(yōu)化 )等模塊工程。直接邊界元的網(wǎng)格要求必須是封閉的,它可以直接第五章 曲軸結(jié)構(gòu)的振動噪聲分析 33 計算封閉網(wǎng)格內(nèi)部的聲場,或計算 封閉網(wǎng)格外部的聲場,但是不能同時計算內(nèi)部聲場和外部聲場,即它適用于封閉結(jié)構(gòu)的內(nèi)聲場或外聲場的分析,略偏重于數(shù)學(xué)方法;間接邊界元的網(wǎng)格可以是封閉的,也可以不封閉,所以可以同時計算內(nèi)聲場和外聲場。 聲學(xué)邊界元理論 聲學(xué)有限元法通常用于計算封閉空間中聲場,而邊界元法適用于內(nèi)聲場和外聲場的計算,如結(jié)構(gòu)表面或聲場中任意點在頻域或時域中的響應(yīng)以及聲傳播途經(jīng)分析和噪聲源的分析等。 ( 5)聲級:由于人耳能聽到的聲強(qiáng)的范圍非常大,用聲壓或聲強(qiáng)的絕對值來衡量聲音的強(qiáng)弱很不方便,并且人耳對聲音的感覺(聽覺)與客觀物理量(聲強(qiáng)、聲壓)之間并不是線性關(guān)系,而近似于對數(shù)關(guān)系,即人的聽覺隨刺激量的增大而逐漸趨于遲鈍,所以,人們普遍采用對數(shù)標(biāo)度來度量聲壓、聲強(qiáng)和聲功率,分別稱為聲壓級、聲強(qiáng)級和聲功率級。 ( 3)聲功率 (W):聲源的強(qiáng)弱。 ( 2)聲強(qiáng) (I):單位時間內(nèi),通過垂直于聲波 傳播方向的單位面積的聲能稱為聲強(qiáng)。 ( 1)聲壓 (p):當(dāng)?shù)芈晧河诖髿鈮褐睢? 本章小結(jié) 本 章 介 紹 了 ANSYS 與 WORKBENCH 的 功 能 及 應(yīng) 用 , 并 利 用 和 ANSYS 經(jīng)典界面分別對曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸進(jìn)行了動力學(xué)分析,為曲軸結(jié)構(gòu)的 噪聲預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。并且在 處位移最大, 說明在該頻率下可能發(fā)生共振,振動幅度較大。圖 414 為頻率為 時的曲軸變形圖。旋轉(zhuǎn)慣性力在主軸頸處以慣性載荷的形式施加,取? =157rad/s。而且載荷形式為隨時間變化的簡諧載荷,按發(fā)動機(jī)工作順序( 1243)先后在各缸曲柄銷上進(jìn)行壓強(qiáng)施加,間隔相位為 1800。 曲軸諧響應(yīng)分析 在 Ansys 經(jīng)典界面中對曲軸進(jìn)行諧響應(yīng)分析, 與整個機(jī)構(gòu)諧響應(yīng)分析時操作基本相同,只是在載荷簡化及施加時有所不同,具體表現(xiàn)為: 在曲軸上施加氣缸內(nèi)氣體對曲軸的壓力、往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力。 圖 413 位移 頻率曲線圖 圖 414 曲軸連桿機(jī)構(gòu)變形圖 第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動力學(xué)分析 30 從圖 413中可以看出,該點在 Y方向 即該機(jī)構(gòu)上下 振動位移比較大,應(yīng)是活塞連桿組的往復(fù)慣性力造成。圖 414為頻率為 3400HZ 時的曲軸連桿機(jī)構(gòu)的變形圖。對曲軸 連桿機(jī)構(gòu) 進(jìn)行動力響應(yīng)分析過程中不能忽略阻尼的影響,根據(jù)經(jīng)驗取 ? =~,這里取 ? =。旋轉(zhuǎn)慣性力在主軸頸處以慣性載荷的形式施加,取 ? =157rad/s。而且載荷形式為第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動力學(xué)分析 29 隨時間變化的簡諧載荷,按發(fā)動機(jī)工作順序( 1243)先后在各缸活塞上進(jìn)行壓強(qiáng)施加,間隔相位為 1800。曲軸連桿機(jī)構(gòu) 諧響應(yīng)分析時的約束與其模態(tài)分析時相同。 步驟如圖 46 示: 第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動力學(xué)分析 26 曲軸幾何模型 ↓ 曲軸有限元模型 ↓ 施加約束 ↓ 求解計算得到結(jié)果 六階模態(tài) 圖 46 曲軸模態(tài)分析過程 第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動力學(xué)分析 27 計算求得曲軸的前 6 階固有頻率如下表 43 所示: 表 43 曲軸模態(tài)結(jié)果 階次 固有頻率( HZ) 最大變形量( mm) 1 2 3 4 5 6 其對應(yīng)的振型如圖 47 至 412: 圖 47 一階 振型 圖 48 二階振型 圖 49 三階振型 第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動力學(xué)分析 28 圖 410 四階振型 圖 411 五階振型 圖 412 六階振型 曲軸連桿機(jī)構(gòu)的諧響應(yīng)分析 在 Ansys 經(jīng)典界面中對曲軸進(jìn)行諧響應(yīng)分析,具體步驟為 : 定義分析類型 在 solution 分支下的 Analysis Type 中定義分析類型為 Harmonic。 結(jié)果顯示與輸出 本研究通過計算求得曲軸連桿機(jī)構(gòu)的前 6 階固有頻率如下表 42 所示: 表 42 曲軸連桿機(jī)構(gòu)模態(tài)結(jié)果 階次 固有頻率( HZ) 最大變形量( mm) 最大位移發(fā)生位置 1 飛輪邊緣 2 3567 2 缸活塞 3 3 缸活塞 4 4 缸活塞 5 1 缸活塞 6 1 缸連桿 第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動力學(xué)分析 25 與其對應(yīng)的振型如圖 45: 一階振型 二階振型 三階振型 四階振型 五階振型 六階振型 圖 45 各階振型圖 曲軸零件的模態(tài)分析 曲軸模態(tài)分析步驟與 整個機(jī)構(gòu)模態(tài)分析 步驟差別不大,只是不需要進(jìn)行接觸設(shè)置。故在“ Analysis Settings”下設(shè)置最大模態(tài)數(shù)為 6 階,頻率變化的范圍為默認(rèn),后點擊“ Solve”命令進(jìn)行求解。四個活塞在氣缸內(nèi)上下運動,在活塞表面同樣施加 cylindrical support。本文針對曲軸的五個主軸頸的滑動軸承支撐,施加這五個主軸頸的表面徑向?qū)ΨQ約束,同時施加軸向位移約束,采用 cylindrical support。在模態(tài)分析中 , 邊界條件的施加非常重要 ,它不僅影響計算的準(zhǔn)確合理性 ,甚至能決定計算能否完成 。曲軸連桿機(jī)構(gòu)的有限元模型如圖 43: 圖 43 曲軸連桿機(jī)構(gòu)有限元模型 在 Design Simulation 模塊中選擇 Modal 分析類型,設(shè)置邊界條件、求解參數(shù),然后進(jìn)行求解并輸出最終結(jié)果。因此劃分網(wǎng)格時定義單元大小為 15mm,點擊“ Mesh”命令進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在本文中,由于進(jìn)行曲軸連桿機(jī)構(gòu)振動噪聲計算,對網(wǎng)格要求不是很高,所以采用自動劃分和手動劃分相結(jié)合,以四面體單元為主,兼之以六面體單元。 ( 3) 劃分網(wǎng)格 單元類型的選取在有限元模型建立的過程中是非常重要的,因為它直接關(guān)系到計算結(jié)果的精度以及所用的時間 ,通常對后者的影響尤為重要。前兩種是線性的,后三種是非線性接觸。在“ Geometry”分 支下定義各個組件的材料,材料的卡片數(shù)據(jù)包括彈性模量、泊松比和密度。簡化后第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動力學(xué)分析 22 的模型如圖 42: 圖 42 曲軸連桿機(jī)構(gòu)幾何模型 進(jìn)入 Design Simulation 模塊,在 “ Model”分支下設(shè)置模型的材料屬性、接觸關(guān)系,并對模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格單元。采用“ Merge”命令可以將一些小面整合成一個完整且光滑的大面,用以減少接觸對,方便進(jìn)行接觸設(shè)置。 第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動力學(xué)分析 21 曲軸連桿機(jī)構(gòu)模態(tài)分析過程 考慮到曲軸連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜、單元多、自由度數(shù)目大,因此模態(tài)分析采用了子空間迭代法提取模態(tài)。 ( 5) *.wbdb:項目數(shù)據(jù)庫,保存“項目”中所有類型的 Workbench 數(shù)據(jù)庫。
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