曲轴系静动强度及扭振仿真分析

论文摘要

内燃机制造业日益发展的新技术在逐渐满足了低能耗、低排放、低噪声目标的同时,也对内燃机结构可靠性设计和振动控制提出了更高的要求,伴随这一发展趋势,内燃机的轴系扭振问题也日益凸现出来。其中曲轴是内燃机中最重要的部件,也是受力最复杂的部件,同时也影响内燃机的可靠性与寿命。随着内燃机技术的不断完善和发展,曲轴的工作条件也愈加苛刻,对曲轴的强度提出了更高的要求。在这一背景下,追求扭振理论的进一步完善,寻求新的扭振解决方案势在必行。本文总结了一些前人计算轴系扭振的方法,并基于虚拟样机技术,采用结合有限元法(FEM)的多体系统仿真(MSS)方法对内燃机曲轴系进行了扭转振动仿真分析。本文主要工作是围绕内燃机曲轴系的虚拟样机建模、曲轴固有频率分析、曲轴在气缸爆发压力下的静动强度分析、轴系动态扭振特性仿真这几方面来展开的,主要内容包括:(1)以大连柴油机厂6110型柴油机作为研究对象。首先利用三维建模软件PROE对其进行零件的建模与装配。随后将三维模型通过MECHANISM/PROE施加相应的约束,导入ADAMS中生成多刚体模型。然后利用ANSYS软件对曲轴进行模态分析生成模态中性文件,将多刚体模型中的曲轴置换成柔性体曲轴进行仿真分析。(2)对内燃机曲轴系模型进行固有频率计算。将气缸爆发压力载荷和旋转往复运动部件的惯性力加载在曲轴上进行强度分析。(3)运用ADAMS对曲轴系在气缸爆发压力下进行动态特性分析。(4)对轴系模型进行动态扭振特性仿真。通过上述工作及其结果能够分析和预测实际发动机曲轴系扭转振动的情况。并且运用虚拟样机技术能够方便地对各种工况进行模拟,非常适合于发动机的研究与开发。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 内燃机曲轴系扭转振动研究的意义
• 1.2 扭转振动的特点与危害
• 1.2.1 扭转振动的特点
• 1.2.2 扭转振动的危害
• 1.3 扭转振动的研究方法与发展
• 1.3.1 集中质量模型的基本方法
• 1.3.2 分布质量模型的基本方法
• 1.3.3 有限元方法
• 1.3.4 结合有限元法的多体系统仿真
• 1.4 课题的研究内容及研究方法
• 2 内燃机曲轴系扭转振动的理论研究
• 2.1 内燃机曲轴系扭振的激振力分析
• 2.1.1 气体爆发压力产生的激振力矩
• 2.1.2 运动部件的重力和惯性力产生的激振力矩
• 2.1.3 扭振激振力矩的相位分析
• 2.2 离散化模型的建立
• 2.3 传递矩阵的计算
• 3 曲轴系元件的有限元分析
• 3.1 空间三维实体有限元法
• 3.2 整体曲轴有限元分析
• 3.2.1 有限元网格的划分
• 3.2.2 载荷工况的确定
• 3.2.3 力边界条件
• 3.2.4 支承边界条件
• 3.2.5 曲轴强度有限元分析
• 3.2.6 模态分析
• 3.3 单拐有限元分析
• 4 多体动力学仿真技术的基础研究
• 4.1 虚拟样机技术概述
• 4.1.1 虚拟样机技术的概念
• 4.1.2 虚拟样机技术的背景
• 4.1.3 虚拟样机技术的发展
• 4.1.4 虚拟样机技术的应用
• 4.2 ADAMS软件介绍
• 4.3 多体动力学研究的现状
• 5 基于虚拟样机技术的曲轴系建模
• 5.1 曲轴系虚拟样机建模概述
• 5.2 曲轴系三维模型的建立
• 5.3 接口模块MECHANISM/PROE概述
• 5.4 柔性曲轴的生成
• 5.4.1 柔性体生成的方法
• 5.4.2 运用有限元软件ANSYS
• 5.5 柔性体曲轴的导入
• 5.5.1 读入mnf模态中性文件
• 5.5.2 柔性体和刚性体之间的连接
• 5.5.3 在柔性体上创建Maker
• 5.5.4 用柔性体替换刚性体
• 5.6 阻尼的影响
• 6 内燃机曲轴系扭振仿真分析
• 6.1 ADAMS动力学分析
• 6.1.1 坐标的选择
• 6.1.2 动力学方程的建立
• 6.1.3 动力学方程的求解
• 6.2 基于ADAMS软件的曲轴系动态强度的仿真分析
• 6.2.1 仿真软件之间数据传递关系
• 6.2.2 曲轴系仿真模型的建立
• 6.2.3 仿真软件中的初始条件
• 6.2.4 激励作用下的强度仿真分析
• 6.3 扭转振动仿真分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢