内燃机曲轴强度计算

论文摘要

曲轴是发动机中最重要的零件之一。曲轴的疲劳失效及断裂将引起其它零件随之损坏,甚至造成安全事故,特别是随着发动机的动力性和可靠性要求的提高,其强度问题变得更加重要。然而,对曲轴的疲劳强度进行准确预测是一件困难的事。寻找一种实用性强、精度可靠的曲轴强度考核方法,对企业来说具有较强的实际意义。本文以WD615型柴油机曲轴为主要研究对象,引入现代动力学仿真及有限元法对曲轴常规强度设计方法进行改良,结合有限元法与非线性多体动力学仿真求取曲轴的动态应力,进而进行疲劳计算,并通过弯曲疲劳试验考察曲轴的实际强度。本文所做的主要工作内容可概括为以下几点:1.利用动力学软件ADAMS对曲轴系统进行多刚体运动学及动力学仿真,为曲轴强度设计提供较为准确的载荷边界。比较分析认为,在计算活塞加速度、活塞侧击力、曲柄销载荷时,应用传统算法具有快速、简易可信的优点;但当需要计算主轴承载荷时,现代的仿真计算方法在操作上就更简单,且精度高,并且可以为整个轴系动力学分析提供丰富、全面的仿真数据。2.在分析比较多种常规曲轴强度设计方法的基础上,提出改进方法,运用实体建模软件计算截面模量,有限元法计算应力分布状况,可较为准确求取圆角的应力集中系数。通过曲轴静态应力试验验证有限元计算模型,研究应力计算精度对网格的依耐性;同时阐明了重力和离心力在曲轴静应力分析中是可以忽略不计的。对WD615型柴油机曲轴进行疲劳计算,证明了改进方法的正确性。3.结合有限元法和非线性多体动力学软件EXCITE对轴系总成进行动态响应研究,考虑弯曲、扭转的耦合作用,求取曲轴在整个工作循环的动态应力,并运用疲劳分析软件分析其疲劳强度。比较分析说明在进行曲轴详细设计或对轴承润滑及强度考核时不能忽略曲轴的柔性作用。阐述了基于动态应力的疲劳强度分析比常规疲劳强度分析更具说服力。4.在谐振式弯曲疲劳试验台上,利用疲劳极限统计分析法对本文研究的曲轴进行疲劳试验,从试验研究的角度考核曲轴的疲劳强度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 内燃机曲轴强度概述及研究意义
• 1.1.1 疲劳强度问题概述
• 1.1.2 曲轴强度研究的内容及方法
• 1.1.3 曲轴强度研究面临的主要问题
• 1.2 曲轴强度计算的发展现状
• 1.2.1 截断简支梁法
• 1.2.2 连续梁法
• 1.2.3 有限元法
• 1.3 曲轴强度的评价方法
• 1.4 课题研究目的和主要内容
• 第二章 轴系动力学仿真分析
• 2.1 概述
• 2.2 ADAMS软件算法介绍
• 2.2.1 ADAMS运动学分析
• 2.2.2 ADAMS动力学分析
• 2.2.3 ADAMS静力学及线性化分析
• 2.3 曲轴系统动力学模型的建立
• 2.3.1 建立模板文件
• 2.3.2 建立子系统
• 2.3.3 建立装配
• 2.4 曲轴系统动力学仿真结果分析
• 2.4.1 减振器参数调试
• 2.4.2 活塞加速度比较分析
• 2.4.3 活塞侧击力比较分析
• 2.4.4 曲柄销载荷比较分析
• 2.4.5 主轴承载荷分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 曲轴疲劳强度设计
• 3.1 概述
• 3.2 曲轴强度设计方法比较
• 3.2.1 计算原理及相关假定
• 3.2.2 名义应力计算
• 3.2.3 应力集中系数与工作应力计算
• 3.2.4 当量应力与强度计算
• 3.3 基于有限元法的曲轴应力计算
• 3.3.1 有限元方法简述
• 3.3.2 建立分析模型
• 3.3.3 网格依赖性研究
• 3.3.4 试验验证
• 3.4 基于有限元法的曲轴强度计算
• 3.4.1 计算原理
• 3.4.2 名义应力计算
• 3.4.3 应力集中系数计算
• 3.4.4 疲劳强度评价
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于非线性动力学的曲轴动态应力及疲劳计算
• 4.1 概述
• 4.2 轴系非线性动力学仿真模型的建立
• 4.2.1 建立有限元模型
• 4.2.2 模态压缩与数据提取
• 4.2.3 定义连接体属性
• 4.2.4 确定仿真模型总体参数
• 4.3 非线性动力学仿真计算结果分析
• 4.3.1 柔性体对曲柄销载荷的影响
• 4.3.2 柔性体对主轴承载荷的影响
• 4.3.3 柔性体主轴承油膜曲线
• 4.4 曲轴动态应力计算
• 4.5 曲轴疲劳强度计算
• 4.6 本章小结
• 第五章 曲轴弯曲疲劳试验研究
• 5.1 试验方法概述
• 5.1.1 成组试验法
• 5.1.2 配对升降法
• 5.1.3 疲劳极限统计分析法
• 5.2 试验介绍与误差分析
• 5.2.1 试验设备及应变片
• 5.2.2 谐振加载的原理
• 5.2.3 载荷标定
• 5.2.4 系统误差分析
• 5.3 试验数据处理
• 5.3.1 失效数据的中位秩估计
• 5.3.2 统计线性回归
• 5.3.3 概率统计评价
• 5.3.4 最小样本量考核
• 5.3.5 极限承载弯矩数据
• 5.4 安全系数计算
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表