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1、第2期(总第408期)内燃机车2008年2月计算机应用基于CAD/CAE/CAM技术的曲柄连杆机构设计方法研究商跃进,曹茹,赖文烨(兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州730070)摘要:探讨了基于CAD/CAE/CAM技术进行曲柄连杆机构设计的方法及其实现过程。首先进行实体建模和虚拟装配,得到曲轴连杆机构的分析模型;然后利用所建模型进行运动学和动力学仿真,并用动力学仿真得到的数据对连杆进行有限元分析;最后对连杆本体进行模拟加工。研究结果表明,在曲柄连杆机构设计中引入CAD/CAE/CAM技术可以大大缩短产品开发周期和节约开发费用。关键词:曲柄连杆机构;CAD/CAE/CAM;有限元;仿真中图
2、分类号:TP39117文献标识码:B文章编号:100321820(2008)0220018203成12V180ZJ型柴油机的连杆体、曲轴、连杆盖、活1引言塞、螺栓、轴瓦等零件的三维建模,如图1—图3所柴油机是内燃机车的核心部件,随着内燃机车示。将各零件的实体模型引入UG装配环境,按零向高速、大功率方向的发展,对其设计要求越来越件的装配次序,完成各零件的定位和装配即可生高。如何在柴油机零部件设计过程中引入现代设成曲柄连杆机构的装配模型,如图4所示。计方法成为亟待解决的问题。为此,本文针对CAD/CAE/CAM技术在柴油机曲柄连杆机构设计中的应用进行了研究。一般认为,CAD指实体建模和虚拟装配,
3、即利用计算机技术进行几何设计。CAE指基于CAD所建的几何模型,利用计算机进行模拟分析和计算。CAM包括工艺设计、数控编程及加工仿真。随着图1活塞计算机在制造业中的应用,CAD/CAE/CAM技术越来越引起关注。2曲柄连杆机构CAD设计利用CAD软件UGNX310中的建模命令,可完收修回稿日期:2007209225作者简介:商跃进(1969—),男,河北南皮人,副教授,硕图2连杆体士。©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第2期(总第408期)商
4、跃进等:基于CAD/CAE/CAM技术的曲柄连杆机构设计方法研究19图3曲轴图6活塞质心位置变化图4曲柄连杆机构3曲柄连杆机构CAE设计3.1曲柄连杆机构运动仿真分析由于12V180ZJ型柴油机12个气缸的运动情况完全相同,只是彼此相差一定的相位角,所以只取一个曲拐上的气缸进行分析。图7活塞质心速度将装配模型调入运动分析模块,将各零件的装配关系转换为运动分析模块中的运动副,设置相应的驱动运动副即可进行分析。曲柄连杆机构分析模型(见图5)包括活塞、连杆组、曲轴、机体共4个构件;包括2个转动副和1个移动副,其中曲轴转动副为驱动运动副,其恒转速输入为驱动力,仿真结果见图6—图9。图8活塞质心加速度
5、将由动力学仿真获得的作用于大、小头孔径向载荷按余弦分布规律处理后施加到连杆的有限元模型(如图10所示,共42027个节点、195520个单元)上进行有限元分析,分析结果见图11。图5曲柄连杆机构运动分析模型由分析结果可见,连杆整个工字形杆身都承受由图9可见,采用不同材料的活塞所受载荷有着较大的应力,最大应力为300195MPa,出现在连较大差别。活塞越轻,载荷幅值越小。杆杆身与小头连接过渡处。连杆材料为40Cr合金3.2连杆有限元分析钢,其许用应力为785MPa,故连杆的静强度满足要将在CAD中建立的实体模型引入到ANSYS等求。有限元软件中,施加由动力学仿真获得的载荷,可3.3连杆模态特性
6、分析以对其进行有限元分析,以确定其强度。随着发动机高速化和大功率化,静态设计越©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net20内燃机车2008年图12连杆的模态分析可知,尽管扭转模态和绕Y轴的振动模态频率较低,但是由于引起振动的激励较小,因此他们对连杆的动应力影响不大。虽然燃气爆发压力激励不直接引起绕X轴的振动,但是,它有可能图9不同质量的活塞受力与曲轴的纵向振动耦合而引起连杆绕X轴的振动,因此绕X轴的振动模态对连杆的强度有一定的影响。为了使连杆在工作
7、过程中的动态应力不至于过大,应对装配过程进行严格控制,并在今后的改进设计中适当调整相应的固有频率。4曲柄连杆机构CAM加工仿真完成零部件的CAE分析后,将最终确定的设计模型引入CAM模块即可进行加工仿真。首先,根据连杆的形状特点、精度要求、加工条图10连杆有限元模型件和使用要求等确定连杆的加工方案;然后,对实体模型进行分析生成“毛坯”(如图13所示),利用操作导航器设置各种加工参数,在刀具路径后处理中设置主轴
