某型柴油机曲轴三维接触有限元分析.pdf

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1、内燃机与配件2014年第3期某型柴油机曲轴三维接触有限元分析Three—dimensionalContactFiniteElementAnalysisfortheDieselCrankshaft孙文福1王贵新2(1三亚学院2哈尔滨工程大学)(摘要]本文以力学和有限元理论为基础，以某型单缸柴油机曲轴为研究对象，利用大型CAD／CAE软件PRO／E和ANsYs，进行曲轴整体三维接触有限元计算。通过计算得出曲轴所受的应力值，找出危险截面即应力最大区域，并对该曲轴的设计及改进提出合理的建议。(关键词]柴油机曲轴应力有限元分析Keyword：Diesel

2、CrankshaftStressFiniteelementanalysis引言随着柴油机功率的不断强化，曲轴的工作条件越来越苛刻，由于曲轴的形状及其所受的载荷比较复杂，采用传统方法对其进行计算往往有局限性。有限元法是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合在一起的一种数值分析方法。本文采用了基于CAE的三维接触有限元法对柴油机曲轴进行静强度分析。1曲轴及主轴承壁接触模型的建立1．1曲轴和支承实体模型建立某型柴油机曲轴支承实际模型如图1所示。此曲轴支承为三支承，绿色所示的为主轴承壁，它是通过连接螺栓和机体相连。围1支承实际模型本文主要关心的是曲轴

3、的应力分布以及强度问题，假定轴承壁和连接螺栓有足够的强度，因此将支承壁做成一体，如图2所示。圈2搔艟分析曲轴模型和支承模型1．2有限元模型建立及网格划分把支承和曲轴模型导人ANSYS中之后，根据材料特性，单元类型选择S()I。ID92，然后开始划分网格，对支承和曲轴一起划分，设定整体的网格尺寸为0．03，然后细化接触面以及连杆轴颈圆柱面的网格，生成的单元数42209个，节点数66507个，最后的有限元模型如图3所示。E。￡M￡’，-图3曲轴和支承的有限元模型孙文福王贵新：某型柴油机曲轴三维接触有限元分析在ANSYs中，通过目标单元和接触单元来定

4、义模型在变形期间可能发生接触的区域。接触区域可以任意定义，然而为了更为有效地进行计算，应尽量定义更小的局部化接触区域，但要能保证它足以描述所需要的接触行为，不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义。每个主轴颈和支承孔包含两个半圆柱面，把同一位置的主轴颈半圆柱面和支承孔半圆柱面分别设定为接触面和目标面，因此这里总共生成了6个接触对。由于本文进行的是静态分析，所以设置摩擦系数为零；为了减小渗透设置接触刚度因子FKN为o．1；本文采用改进的拉格朗日算法进行计算；为了分析能够顺利进行在主轴颈与支承的接触对中，指定分析过程中拉近接触面并减小穿透，而对于主

5、轴颈与支承的接触对，只选择了促进目标面与接触面的接触；接触方式选择了标准。在实际计算过程中需要根据计算的收敛情况调整以上实常数，经过反复调整和计算才能使计算收敛，求出结果。2边界条件的施加2．1位移边界条件在柱坐标系下，约束左端轴颈圆周面上中心附近几个节点的X、Y、Z方向的移动自由度；取圆周上一节点，限制其X，Y方向的自由度；约束右端轴颈圆周面中心附近节点的X、Y方向的移动自由度。由于支座附着于缸体上，位移受限制，根据实际的约束情况对每个支承上面全约束，如图4所示。_==_—————]口r]一图4主轴颈支承约束2。2力边界条件当忽略了机构摩擦阻

6、力后，作用在曲轴上的力主要为气缸压力、运动质量的惯性力和功率输出端的扭矩等。根据曲柄连杆受力分析可得，作用于曲柄销处的作用力有连杆推力和连杆大端回转质量所产生的离心力，作用于曲柄上的力有曲柄销力、曲臂不平衡离心力(曲拐离心力)、平衡重离心力以及发动机的输出扭矩。该型曲轴缸内最高爆发压力16．64MPa，活塞连杆总成换算到大头的旋转质量144．23kg，活塞连杆总成换算到连杆小头的往复质量111．44kg，曲柄半径与连杆长度之比为o．25。气缸在发火时刻(在上止点后12。发火)，标定转速1050r／min下，曲柄销上所受的气缸压力为1372．34

7、kN，往复惯性力为268．25kN，离心惯性力为207．94kN。由曲柄连杆机构动力学分析可知，曲柄销处所受的径向压缩载荷为859902．73N。对于连杆轴颈受力，根据传统的方法及有限宽度轴颈油膜压力分布规律，忽略油孑L处压力峰值突起的影响，可假定力边界条件为：载荷沿连杆轴颈和主轴颈轴线方向按二次抛物线分布；在沿轴颈径向120。角范围内按余弦规律分布，如图5所示。压力分布曲线方程为：Z一以Z2+甜+f最终得到沿轴颈圆周方向载荷方程为：删∽一怒(·一∽∞s(萼)式中：Q一作用在轴颈上的总载荷尺一轴颈半径，一轴颈承载长度，Z一一L～L根据上述公式，

8、在ANSYS中采用了方程加载的方法对有限元模型施加力的边界条件，如图6所示。对该模型加载采用ANSYs的命令流。厂——————————————————