曲轴APDL三维实体建模与模态分析.pdf

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1、14内燃机与配件2010年第2-3期曲轴APDL三维实体建模与模态分析高云全1宋涛：(1长江大学机械工程学院2胜利油田)[摘要)本文直接采用ANSYS软件所支持的APDL参数化设计语言，建立一个直列四冲程发动机的曲轴三维实体模型，同时添加合理的约束，通过模态分析，得到了曲轴的各阶固有频率和振型，确定了其危险区域，为更合理的设计曲轴提供了依据。[关键词]曲轴振动有限元模态分析ANSYS1引言由于大型发动机在石油、矿山以及在船舶中频繁使用。并且其处在高速、重载等恶劣工况下。导致发动机常因振动剧烈发生损坏。影响生产或正常作业，造成极大

2、的经济损失。因此，降低发动机的振动和噪声变得越来越来重要。而曲轴是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件之一。它的振动特性及机械强度对发动机的可靠性、经济性、动力性和整机噪声都有十分重要的影响。曲轴受到周期性不断变化的交变载荷激励作用，产生扭转和横向与纵向振动，当某一激振力的频率与轴系某一阶的固有频率相同或相近时产生轴系共振现象，致使曲轴过早的疲劳破坏，对发动机的工作可靠性带来致命的影响。普通的静力设计和经验设计由于与实际偏离太大。已经不能满足要求I”。因此，动力设计和曲轴动态特性特别是振动特性的模拟就十分重要。国内外学者采用

3、不同的研究方法对曲轴这一重要特性进行了研究。StefanSchagerberg嘲等建立了相关的曲轴动态空间模型．描述了压力与扭矩信号的动态关系并提出了算法．经过了实验的验证。刘永红13l等建立了三维实体并进行了动特性分析。获得了曲轴轴系的扭转、弯曲、伸缩振动及其复合振动。2曲轴三维有限元模型的建立虽然现在的CAD／CAE技术可以实现信息共享，但是也存在相关缺陷：操作稍有不慎。会出现信息丢失．导致需要大量的时间进行修补．影响工作效率和计算精度。因此．直接采用ANSYS参数化直接来建模，通过改变参数的值可以对零件的属性进行修改，是实

4、现设计和分析自动化的主要手段。下面简要的介绍参数化建模的相关步骤及原则。有限元模型的建立包括单元类型的选择．材料的定义，网格的划分以及边界条件的应用。其大致应该遵循以下几条原则：(1)选用的单元应该正常反应出结构所受载荷的响应。(2)结构简化应保证有足够的计算精度。(3)网格的划分要适当，过高的精度导致求解时间的增加，耗费大量计算机资源；过低的精度导致问题求解偏离实际，没有实用价值。(4)设置适当的边界条件。正确边界条件的设定有利于更好的贴近实际分析问题。得到可信的结果。对四面体单元的网格划分技术已经相当成熟闱，本文选择Soli

5、d92单元，这种单元是一种四面体单元，它由10节点组成，每个节点有3个自由度，分别为x、Y、z轴移动；～般设置国际单位制“MKS”(MeterKilogramSecond)，材料密度数值为7，83E3，杨氏模量为2．03E11．泊松比为0．29。虽然网格质量好坏也将影响计算精度嘲，但是固有频率和振型主要取决于结构质量分布和刚度分布，不存在类似应力集中的现象。所以模态分析时取均匀的网格就可以满足精度要求。节点总数为85642，单元总数为53203。划分网格前、后的模型如图1所示。高云全1，宋涛2：曲轴APDL三维实体建模与模态分析

6、15圈1曲轴模型网格化曹、后田3加载和求解实际中对曲轴进行固有模态实验时，采用弹性绳将曲轴悬挂起来。以模拟不受约束的自由状态。在ANSYS计算时，为模拟该自由一自由状态．对曲轴不加位移约束与力，计算曲轴的固有模态。求取模态时应注意刚体模态的出现，刚体模态所对应的固有频率为零，它对实际的分析没有意义。因此在ANSYS中提取前20阶之内的非刚体固有模态。4模态结果分析采用BlockLanczos法求解，得到曲轴固有频率和相对应振型，固有频率如表1，部分振型如图2一图7。表1曲轴前20阶固有频率／Hz阶数l23456789lO频率0o

7、．18E-4D．40E-40．6E一47．912．719j24．9阶数ll12314151617181920频率26．137．238．453．556．860．981．289．1973111．9前6阶固有频率对应的是曲轴的刚体频率．由动态显示发现其对应的振型是曲轴在X—Y平面内整体刚体平动，各曲轴并没有单独的产生弯曲和扭转变形，但刚体模态对实际的分析没有意义。通过研究曲轴前非刚体模态13阶．发现曲轴在第7阶固有频率处发生了整体的横向弯曲振动，如图2；在第8阶处发生了整体的纵向弯曲振动，如图3；第9、10阶处发生了纵向两次弯曲振动，

8、如图4：第11阶出现了曲轴的整体扭转振动，如图5：第12、13阶处产生了弯扭耦合振动，如图6；第14圈2曲轴第7阶振型圈3曲轴第8阶振型圈4曲轴第10阶振型圈5曲轴第11阶振型圈6曲轴第12阶振型圈7曲轴第14阶振型阶以后直到第20阶的固有频率振型则完全表现为曲