柴油机曲轴轴系强度和主轴承润滑仿真研究

论文摘要

内燃机曲轴一轴承系统是内燃机的关键部件,其摩擦学、动力学性能分析和强度刚度计算是内燃机设计必须面临的问题,直接影响到内燃机工作的可靠性和耐久性。然而,长期以来,由于曲轴一轴承系统特殊的结构形式和复杂的受力状况,理论研究难度较大,其摩擦学性能、动力学行为的分析和强度刚度计算是在各自独立的领域里分别进行的。实际上,内燃机在运转时,各种机械行为是同时发生互相影响的。因此,进行曲轴一轴承系统摩擦学、动力学、刚度和强度耦合研究、提高曲轴一轴承系统理论分析的准确性,具有重要的理论意义和现实的应用价值。多体动力学和有限元法的发展使得较精确地分析曲轴动力学响应问题成为可能。本文运用有限元法和多体动力学仿真相结合的方法,对CA4D32柴油机曲轴轴系进行动力学分析仿真,其主要研究内容为:通过建立合理的柴油机曲轴轴系多体动力学模型,完成一个工作周期内的仿真,得到曲轴在实际工作周期内所表现出的动力响应特性,然后运用有限元分析软件对曲轴进行瞬态动力学分析。首先针对具体产品结构特点以及后续的功能分析特点来决定曲轴轴系模型的简化程度,建立了CA4D32柴油机轴系俩种有限元模型,根据下文多体动力学模型的需要建立了轴系缩减有限元模型,在此基础上建立了轴系多体动力学分析模型。然后通过轴系的有限元模态分析与厂方实验数据结果的对比,论证了轴系有限元模型的合理性。接着通过EXCITE多体动力学仿真,进行了柴油机额定转速下的正常工况下包括曲柄销受力、轴系自由端扭转位移、曲轴位移量、转速波动等参数的多体动力学分析,得到曲轴在实际工作周期内所表现出的动力响应特性,进一步验证多体动力学模型的正确性。同时进行轴承载荷分析,得到最小油膜厚度、最大油膜压力、主轴承轴心轨迹等,对主轴承的润滑状况进行分析,得到3#主轴承的润滑状况最为恶劣,需要优化处理。最后对曲轴进行应力应变分析,并与传统有限元法比较。计算表明,曲轴的最大应力在其许用应力范围内,且变形小,曲轴的刚度足够。不同时段最大应力均发生在主轴颈和曲柄臂连接处,因此主轴颈和曲柄臂连接处是结构设计和优化的重点。多体动力学结合有限元法的使用为曲轴的精确仿真,创新设计,改型设计及优化设计提供了强有力的技术保证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 内外发展状况
• 1.2.1 曲轴强度
• 1.2.2 主轴承润滑
• 1.3 内容、方法及意义
• 第2章 理论基础及软件介绍
• 2.1 有限元法及ANSYS简介
• 2.2 多体系统动力学基本原理
• 2.3 AVL-EXCITE轴系多体系统动力学
• 2.4 本章小结
• 第3章 曲轴轴系仿真模型的建立
• 3.1 ANSYS中模型建立
• 3.1.1 单元类型选择
• 3.1.2 有限元网格划分
• 3.1.3 有限元模型建立
• 3.2 缩减有限元模型
• 3.2.1 元子结构法概述
• 3.2.2 主自由度和主自由度节点
• 3.2.3 模型和网格控制
• 3.3 多体系统动力学模型
• 3.3.1 轴系全局参数、载荷
• 3.3.2 ANSYS与AVL-EXCITE间数据传递
• 3.3.3 弹性体单元
• 3.3.4 非线性连接单元
• 3.3.5 线性阻尼/弹簧的分布
• 3.3.6 多体动力学模型
• 3.4 恢复有限元模型
• 3.4.1 Pro/E到ANSYS的数据传递
• 3.4.2 模型单元及网格控制
• 3.5 本章小结
• 第4章 轴系有限元模态分析
• 4.1 模态分析原理介绍
• 4.1.1 运动微分方程
• 4.1.2 结构模态分析理论
• 4.1.3 求解结构模态分析的数值方法
• 4.2 曲轴自由模态分析
• 4.3 实验数据与理论值的比较
• 4.4 本章小结
• 第5章 曲轴轴系多体动力学分析
• 5.1 多体动力学结果校验
• 5.1.1 连杆大端轴承受力分析
• 5.1.2 曲轴节点的运动学分析
• 5.1.3 轴系扭振分析
• 5.2 主轴承润滑分析
• 5.2.1 主轴承受力分析
• 5.2.2 最小油膜厚度分析
• 5.2.3 主轴承最大油膜压力
• 5.3.4 轴心轨迹分析
• 5.3 曲轴瞬态动应力分析
• 5.3.1 曲轴动应力恢复结果分析
• 5.3.2 传统基于有限元法的曲轴强度分析
• 5.4 曲轴强度校核
• 5.4.1 静强度安全系数校核
• 5.4.2 疲劳强度安全系数校核
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历