直列四缸发动机曲轴ansys分析.doc

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1、有限元分析课程报告直列四缸发动机曲轴有限元分析姓名：学号：分数：年月日目录1.引言12.曲轴有限元模型的建立23.曲轴网格划分43.1确定物理场和网格划分法43.2确定全局网格参数设置43.3确定局部网格参数设置43.4网格质量检查53.5调整网格划分64.曲轴强度分析84.1载荷工况84.2载荷及约束边界条件84.3有限元求解结果分析104.4加密收敛分析125.曲轴自由模态分析145.1网格划分145.2约束条件145.3参数设置145.4结果分析14参考文献171.引言曲轴（如图1所示）是发动机中最重要、承载最复杂的零件之一。其造价

2、约占一台发动机总价的20%-30%，它的使用寿命决定发动机的使用寿命。在工作过程中，曲轴承受着气缸内的气体压力及往复和旋转质量惯性力引起的周期性变化载荷。这些扭转力矩和大小、方向不断变化的弯曲力，在曲轴内产生交变的弯曲及切应力，使曲轴发生疲劳破坏。同时，在周期性变化的载荷作用下，曲轴可能在发动机转速范围内发生共振，加速曲轴的疲劳破坏。由于曲轴是发动机中典型的易损件之一，其强度和振动特性都会影响到整机的工作性能，因此对曲轴进行有限元分析，研究曲轴的应力和应变状态，了解其固有频率和模态振型，对于设计和优化曲轴结构有重要意义。图1曲轴实物图曲轴

3、的基本结构如图2所示，主要由前端轴、主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡重和后凸缘盘等部分构成，前端轴主要用来安装止推垫圈、启动抓和皮带轮等部件；曲柄用来连接主轴颈和连杆轴颈；平衡重的作用是平衡曲轴工作时产生的离心惯性力及其力矩；后凸缘盘用来安装飞轮等部件。12345616图2曲轴基本结构1-前端轴2-主轴颈3-平衡重4-曲柄5-连杆轴颈6-后凸缘盘162.曲轴有限元模型的建立本文所研究曲轴为某直列四缸发动机整体式曲轴，含有5个主轴颈，4个连杆轴颈、曲柄和平衡重。由于曲轴的具体尺寸参数设计较为复杂，本文不详细叙述。同时，由于曲轴结构复杂，利用有限

4、元软件进行建模时很难保证与图纸上的曲轴结构完全一致，因此建模时必须简化模型。为了减少应力集中，曲轴上不同截面的结合处都有半径不同的倒角，如果在建模时考虑这些倒角和油孔，则会使有限元的网格非常密集，大大增加了模型的单元数量且生成的网格形状也不理想，降低了求解精度。因此，建模时忽略了对分析结果影响较小的特征，如轴颈上的油孔和后凸缘盘上的环槽。现给出曲轴结构的主要设计尺寸如表1。表1曲轴结构设计尺寸设计参数主轴颈长度主轴颈直径连杆轴颈长度连杆轴颈直径曲柄厚度平衡重厚度尺寸/mm358040662522.5平衡重的二维设计尺寸如图3所示。图3平衡

5、重设计尺寸考虑到在ANSYS中直接进行曲轴建模的复杂性，本文通过SolidWorks建立三维几何模型，并与ANSYSWorkbench无缝连接，进行有限元分析。曲轴三维建模后如图4所示。16图4曲轴三维实体图本文中曲轴材料为QT-800，其基体组织为珠光体或索氏体，主要用于所受载荷较大、受力复杂的汽车、拖拉机的曲轴、连杆、凸轮轴等等场合。表2列出了QT-800的材料性能参数。表2QT-800材料参数材料抗拉强度/MPa抗拉屈服强度/MPa硬度/HBS弹性模量/密度/泊松比QT-800≥800≥480245-35578500.3在workb

6、ench中设置曲轴材料参数如图5所示。图5曲轴材料参数163.曲轴网格划分有限元网格划分是将整体模型结构离散化,是数值分析的前提，也是至关重要的一步，它直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。一个良好的网格划分，不但可以保证分析结果的精度，同时也能够大大降低后期处理的计算量。本文中采用ANSYSWorkbench15.0中自带的Mesh模块对曲轴进行网格划分。ANSYSWorkbench15.0是一个单独的工具平台，为ANSYS的不同求解器提供相应的网格文件。自14.0起，Workbench中可以直接划分网格（DirectMeshing）

7、。直接划分网格最大的优点之一就是能单独地划分几何体的网格，而之前划分网格时只能整个模型同时一起划分，显然，直接控制网格划分具有更大的柔性。3.1确定物理场和网格划分法在网格划分之前必须确定物理场的类型，Workbench中提供Mechanical、CFD、Electron-magnetics和Explicit四种物理场类型。由于本文对曲轴结构进行静力学和模态分析，因此选择Mechanical网格划分法求解静力学结构场。3.2确定全局网格参数设置全局网格设置通常用于整体网格划分的部署，包括网格尺寸函数size，边界层函数Inflation，

8、平滑度函数Smooth等等。现设置全局网格具体参数见表3，如图6所示。表3全局网格参数RelevanceCenterElementSizeSmoothingTransitionSpanAngl