发动机曲柄连杆机构结构分析

论文摘要

曲轴是汽油机的重要零件,其强度和刚度直接影响到整机的工作性能。因为曲轴的结构形状比较复杂,曲拐的受力又在发生周期性的变化,所以运用经典力学对其进行强度和刚度计算有一定的困难。计算机技术的飞速发展使得有限元法在曲轴的强度、刚度计算中得到了广泛应用。本文以此为立足点,针对某GX160汽油机发生的曲轴断裂问题进行了有限元分析和改进。首先,对断裂曲轴进行受力分析,建立了整根曲轴的有限元模型,施加约束和载荷后计算得到曲轴拉、压工况的应力云图,确定其危险点,并对危险点进行了静强度和疲劳强度校核。查明曲轴断裂的原因是在低载荷作用下由于应力集中而引起的疲劳断裂。其次通过曲轴的断口分析,说明曲轴的设计没有问题,继而采用更换材料的方式对曲轴进行了改进。然后对改进后的曲轴进行静强度分析,并对危险点进行了静强度和疲劳强度校核,结果说明改进后的曲轴符合要求,再通过400h耐久性试验证明仿真的正确性。接着对改进后的曲轴进行了模态分析,提取前8阶固有频率,得到曲轴前8阶模态的振型图,并得出结论曲轴从启动到标定工况运转不会发生共振现象。最后对改进后的曲轴轴系进行多刚体动力学仿真,通过仿真得到曲轴运转过程中活塞和轴承点的受力情况等,为以后的曲轴设计提供参考。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 本文的主要工作
• 2 结构系统动态分析理论与方法
• 2.1 模态分析的基本理论
• 2.1.1 多自由度系统的固有频率
• 2.1.2 系统的主振型（模态形状）
• 2.1.3 主振型的正交性
• 2.1.4 模态坐标和模态参数
• 2.2 模态分析技术在工程领域的应用
• 2.3 有限元法在结构动态分析中的应用
• 2.3.1 有限元法
• 2.3.2 动力分析中的有限元法
• 2.4 有限元技术的介绍
• 2.4.1 有限元网格生成技术
• 2.4.2 边界条件的确定方法
• 2.4.3 有限元技术应用于发动机结构设计中的问题
• 2.5 CAD/CAE软件介绍
• 2.5.1 CAD软件介绍
• 2.5.2 CAE软件介绍
• 2.5.3 多体动力学软件介绍
• 2.6 本章小结
• 3 某GX160汽油机曲轴的静强度分析
• 3.1 三维模型的建立
• 3.1.1 模型简化
• 3.1.2 模型的建立
• 3.1.3 曲轴的边界条件
• 3.2 某GX160汽油机曲轴的断口分析
• 3.3 本章小结
• 4 曲轴的改进
• 4.1 两种材料的静强度分析
• 4.2 试验验证
• 4.2.1 试验用曲轴材料确认
• 4.2.2 试验过程
• 4.2.3 试验结果
• 4.3 采用40Cr材料的模态分析
• 4.3.1 边界条件的设定
• 4.3.2 计算结果
• 4.4 本章小结
• 5 曲轴轴系多体动力学分析
• 5.1 概述
• 5.2 多体动力学仿真
• 5.2.1 多刚体动力学概述
• 5.2.2 多刚体动力学算法原理
• 5.3 曲轴轴系多刚体动力学模型
• 5.3.1 曲轴轴系三维几何模型的建立
• 5.3.2 曲轴轴系多刚体动力学模型
• 5.4 曲轴轴系多刚体动力学仿真
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 本课题的展望
• 致谢
• 参考文献