基于多体动力学的机体可靠性分析

论文摘要

机体作为发动机中最重要的零件之一,具有十分复杂的结构和受载情况。随着发动机强化程度提升,机体可靠性分析向着更加精细化的方向发展。采用经验的加载方式和局部模型的静力学方法已经无法满足现在机体研发需求。近年来,结合多体动力学技术和有限元技术的强度计算方法逐渐兴起,在曲轴强度计算方面已有广泛应用,由于机体结构和受载复杂,这种方法还未能成熟地应用于机体强度分析中。本文以某一直列六缸机为例,结合多体动力学技术、油膜润滑计算、有限元技术和Python语言编程,对机体的强度计算方法进行研究,并对机体进行可靠性分析,得出该机型第六主轴承润滑性能较差和第六主轴承壁中部缺口处容易破坏的结论。本文的主要研究内容包括：1、采用NONL主轴承单元进行曲轴机体耦合多体动力学计算,并且应用EHD2主轴承单元进行主轴承油膜润滑计算,比较这两种单元计算结果的主轴承力,并分析第六和第七主轴承的润滑性能。2、结合曲轴机体耦合的动力学计算和有限元方法,对整个机体进行-个工作循环的可靠性分析。从曲轴机体耦合的动力学计算结果中提取出机体组一个工作循环的动载结果,结合有限元技术,完成机体强度计算,并分析整个机体的疲劳强度。由于机体组的应力结果十分庞大,现有的疲劳分析软件无法直接处理,因此在疲劳计算之前,采用Python语言编程对应力结果做了处理,从庞大的机体组应力结果中,分别提取出机体和机座的应力结果并生成两个较小的结果文件,使其能够导入疲劳软件进行疲劳分析。3、结合主轴承油膜润滑计算和有限元方法,对主轴承壁进行可靠性分析。从主轴承油膜润滑计算结果中提取出轴承总压结果,应用Python语言编程将轴承总压映射于主轴瓦网格上,结合有限元技术进行主轴承壁强度计算,并完成主轴承壁的疲劳分析。4、采用静力学方法计算主轴承壁强度,并和动力学方法的计算结果进行比较。发现采用动力学方法计算主轴承壁强度得到的最小安全系数比静力学方法要小些,并且获得的危险区域比静力学方法更全面。5、采用升降法进行机体疲劳实验,将实验与以上三种机体强度计算方法相比较,讨论了实验与这些计算方法的相关性。通过数值计算以及实验分析得出：基于多体动力学的机体强度计算方法应用于整个机体可靠性分析时,具有全局性和全面性的优势,能够得到整个机体的安全系数分布情况；应用于主轴承壁可靠性分析时,具有精度高、计算量小的特点,这种方法可以有效支持机体的研发和改进工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本课题研究内容及技术路线
• 1.4 本章小结
• 第二章 曲轴机体耦合动力学计算
• 2.1 多体动力学及润滑理论
• 2.1.1 多体动力学理论
• 2.1.2 油膜润滑理论
• 2.2 动力学模型
• 2.2.1 体单元设置
• 2.2.2 连接单元设置
• 2.2.3 全局参数设置
• 2.2.4 载荷设置
• 2.3 结果分析
• 2.3.1 两种单元的轴承力对比
• 2.3.2 润滑结果分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于多体动力学的机体强度分析
• 3.1 网格模型
• 3.2 载荷边界条件设置
• 3.3 计算分析步设置及结果后处理
• 3.4 疲劳分析
• 3.4.1 机体疲劳分析
• 3.4.2 机座疲劳分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 机体主轴承壁强度分析
• 4.1 网格模型
• 4.2 边界条件及载荷设置
• 4.2.1 静力学方法主轴承载荷及分析步设置
• 4.2.2 动力学方法主轴承载荷及分析步设置
• 4.3 有限元结果分析
• 4.3.1 静力学方法应力分析
• 4.3.2 动力学方法应力分析
• 4.4 疲劳分析
• 4.4.1 静力学结果的疲劳分析
• 4.4.2 动力学结果的疲劳分析
• 4.5 两种方法的比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 机体疲劳试验
• 5.1 疲劳试验设备及方案
• 5.2 试验原理
• 5.3 试验参数确定
• 5.4 试验结果分析
• 5.5 试验与计算方法的相关性
• 5.5.1 试验与静力学方法的相关性
• 5.5.2 试验与动力学方法的相关性
• 5.5.3 试验与基于多体动力学的机体强度计算方法的相关性
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所获专利
• 学位论文评阅及答辩情祝表