4125a型柴油机曲轴结构有限元模态分析毕业设计论文(编辑修改稿)

4125a型柴油机曲轴结构有限元模态分析毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

有限元法的基本原理 实体离散化是有限元法的基本思想，也就是把弹性 连续体分割为有限个实体单元，并且这些单元之间仅在节点处相连。 根据物体的几何形状特征、边界约束特征、载荷特征等，单元有各种类型，节点一般在单元边界上，节点的位移分量作为结构的基本未知量。 这样就组成有限单元集合体，并引进节点约束条件与等效节点力，因为节点数目有限，就将原来的无限多自由度的不间断的实体等效转换成有限多自由度的有限元计算模型。 ANSYS 软件的介绍 ANSYS 软件是由 20 世纪 70 年代诞生的 美国 ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析（ FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（ CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（ CAD， puter Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如 Creo, NASTRAN, Alogor, I－ DEAS, AutoCAD 等 ANSYS 是一个功能强大的设计分析以及优化并集热、流体、电磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件之一。 自 20 世纪 70 年代诞生以来，伴随着计算机邵阳学院毕业设计（论文） 6 技术和有限元思想的快速发展，以其易操作性、通用性、分析模拟准确使其在生产生活得到了广泛的运用。 ANSYS 广泛运用于机械工程、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利工程、国防军工、电子、生物医学科研等领域 [16]。 的分析流程 （ 1）分析问题 在有限元分析之前，必须对所分析的问题进行考察：所分析问题的领域、怎样建模、是否可以简化、载荷是集中载荷还是均匀载荷。 （ 2）建立分析模型 的建模有多种方法：自上而下建模、自下而上的建模方法、参数化建模、从其他软件中导入。 1) 定义单元类型 中提供了各种单元类型，如 Link、 Solid、 Beam、 Shell 等不同的单元类型，我们需要根据分析类型确定单元类型。 2) 定义单元常数 单元实常数是由不同的单元类型的特性所决定的，在 ANSYS中不一定要定义实常数，需要根据不同的分析问题所确定。 3) 定义材料的参数 提供的材料特性有：线性的和非线性的。 正交异性的或非弹性的。 也有随温度变化的和不随温度变化的，如果定义线弹性材料只需定义其泊松比和杨氏模量。 4) 创建几何图形 创建几何图形也就是建模，这是所有分析的前提，所有的分析都需要建立正确地三维模型。 （ 3）网格划分 网格划分是有限元分析重要的一环，网格化分的质量和精度直接影响计算的精度，所以在划分网格时需要进行网格的质量评估。 （ 1） 施加载荷 1） 定义分析类型和分析选项 邵阳学院毕业设计（论文） 7 在进行有限元分析时需要定义合适的分析类型， 提供了模态分析、静力学分析、瞬态分析、谱分析、屈曲分析和谐响应分析等不同的分析类型。 2） 施加载荷 施加载荷是有限元分析的重要组成部分，在 中有自由度约束、力、表面分布载荷，惯性载荷等。 3） 指定载荷步 载荷步是指进行求解的在和配置，指定载荷步就是指对载荷步进行控制。 （ 2） 进行求解 在上面的设置完成后对模型进行相关分析。 （ 3） 观察结果 当 ANSYS 计算完后就可以通过后处理器对计算结果进行观察、分析和评估。 计算结果可以以不同的形式表现出来如通过云图、 图表和曲线等不同的形式表现出来 [16]。 图 21 有限元分析流程 影响有限元分析精度的因素 有限元分析精度主要取决于单元尺寸的选取和插值函数阶次，通常情况下，由于所解决实际工程问题一般都比较复杂，不容易确定，所以影响分析结果的因素也比较复杂，主要有： 1) 单元类型的选取，不同的单元类型的插值精度和计算量是不同的，采用三维等插值函数精度较高 ,由于其力学模型更完善 ,同时计算量也比较大。 2) 网格形式，包括网格类型的和网格精度以及网格划分的密度。 但是随着选择的计算精度提高和网格化分密度的细化，模型计算分析也会更复杂，所以在选择网格划分精度和网格划分密度时需要考虑计算机硬件所能达到的计算要求。 邵阳学院毕业设计（论文） 8 提高有限元分析精度地方法 提高有限元 分析的精度可以使得分析结果更精确，更符合工程实际，提高有限元分析精度的方法有： 1）充分考虑实际的工程问题，由于建模是会对模型进行简化，就需要确定影响数学物理方程的因素，使所建立的数学模型更合理。 这样才能使分析结果更接近实际。 2）通过各种 相关软件建立更精确合理的三维实体模型，不同的软件对所建模操作复杂程度不同，选择操作简便，建模精度高的软件，以减小不合理模型对结果的影响。 3）通过理论分析确定合理的边界条件以及合理的加载边界条件，由于不同的模型在分析时边界条件和所受载荷差异较大，所以需认真分析模型的边界条件和所受载荷。 使模拟结果更精确。 4）通过材料实验，确定材料常数在不同条件下的变化情况。 5) 选用更精确地差值函数 ,提高插值精度，不同的差值函数精度是不同的，阶数越高精度越高，但选择时需要考虑硬件水平。 6）合理安排精度和计算规模的协调问题。 3 柴油机曲轴三维模型的建立 邵阳学院毕业设计（论文） 9 4125A 型柴油机曲轴简介 本课题研究的是 4125A 型柴油机曲轴，相比于单缸机四缸柴油机稳定性好，同时柴油机燃油效率高，并且四缸机设计制造技术比较成熟，所以该曲轴广泛用于汽车、船舶等机械领域。 曲轴三维实体模型相关参数 表 曲轴的基本参数 主轴颈直径： 85mm 连杆轴颈直径：85mm 曲柄壁厚 b： 23mm 曲柄宽度 L： 132mm 曲柄半径 d： 76mm 主轴颈长度 l： 50mm 连杆轴颈长度： 50mm 缸径 D： 125mm 最大爆发力： 转速 n： 1500r/min 行程 S: 152mm 材料： 45 钢 表 材料的力学性能 弹性模量 泊松比 密度 抗拉强度 屈服强度 2GPa 7800 600MPa 355MPa 曲轴建模的准备工作 本课题在对曲轴进行三维建模时，在满足课题研究的前提下，结合实际生产生活对曲轴模型做了相应的简化工作，在简化后的模型中没有平衡重、曲柄的形状也简化成在建模时比较容易创建的形状以及曲轴上相应的润滑油孔也省略了，这些对曲轴模型的简化的措施会使建模过程简单易控，但会使课题的研究结果偏离实际，会导致曲轴的刚度降低，从而使得曲轴共振频率区间向下移，（当前，发动机朝着高转速的方向发展，通过提高发动机转速来提高发动机功率是一种常用的措施，这使得发动机的工作转速范围更广。 ）建模过程中省略了平衡重也会加剧曲轴的振动，降低曲轴的 使用寿命。 所以实际生产生活中可以通过改善曲轴的结构等措施尽可能的提高曲轴的刚度以提高曲轴的共振频率以及通过添加平衡重防止在曲轴的工作转速下发生共振，导致曲轴的失效，提高发动机的使用寿命。 曲轴的实体模型如下图 : 邵阳学院毕业设计（论文） 10 图 曲轴实体 图 曲柄侧向简图 上图中 L 为 曲柄宽度且 L=132， 因为 d1 =85mm d2=85mm d=76mm 又因为  1 2 8 5 8 52 7 6 922ddAd    （ ） 所以 1 2 8 5 9 382 2 2 2dAB     （ ） 这样就可以确定主轴颈和连杆轴颈相对于曲柄中心的位置，这是曲轴建模所必需的计算数据。 曲轴有限元模型的建立 ANSYS 软件建模的介绍 邵阳学院毕业设计（论文） 11 ANSYS 程序为用户提供了四种模型生成方法：直接生成法、在 ANSYS 中创建实体模型、在计算机辅助设计（ CAD）系统建模、参数化建模。 （ 1） 直接生成法 直接建模方法是指直接在 ANSYS 中建立有限元模型，而不必先建几何模型。 其方法与较早编制的程序系统基本相同，即先对结构进行节点和单元编号，然后输入节点坐标，这种方法是直接建立节点和单元的编号，从而建立有 限元模型。 这种方法对于小型简单模型生成比较方便，但是对于大型复杂模型的建模非常复杂，且对于 3D 实体模型靠人工去划分网格容易出错。 （ 2） 在 ANSYS 中创建实体模型 实体模型在 ANSYS 程序中包括两种建模方法： 1) 自底向上构造实体模型。 这种方法按照点、线、面、体的顺序来创建模型 首先建立点，再由点生成线，然后由线组成面，最后由面生成体。 2) 自顶向下构造实体模型。 这种生成实体的方法比较高级，在这种方法下 ANSYS 在生成一种体素时就会自动生成所有的从属于该体素的低级图元。 （ 3） 在计算机辅助设计系统建模 虽然 ANSYS 有强大的建模工具但是与专门的 CAD 软件比起来还是比较弱的，对于复杂的实体模型可以在 CAD 软件中创建，然后再导入到 ANSYS 程序中进行处理。 提供了丰富的 CAD 接口，大部分主流 CAD 文件可以直接导入 ANSYS中进行分析。 支持 Pro/E、 Solidworks、 CATIA、 UG 等设计软件。 （ 4） 参数化建模 参数化建模就是用参数变量而不是数字建立和分析模型，在 ANSYS 程序中除了结构尺寸可以参数化以外，对其他特征也可以，如材料属性、约束数、温度、应力以及最大纵向变形都可以参数化 [17]。 4125A 型柴油机曲轴的建模 在实际生产中曲轴的模型往往比较复杂，曲轴复杂的结构导致其建模非常复杂，为了减少建模的工作，在不影响对曲轴分析的情况下在对曲轴建模时进行相应的简化。 这些措施可能导致曲轴的分析与曲轴实际工作情况有偏差。 这就需要控制简化程度，防止分析结果严重偏离工作情况。 曲轴的建立步骤： 邵阳学院毕业设计（论文） 12 （ 1） 建立曲轴曲柄的矩形图元 以整体坐标原点为矩形的中心建立长为 132，宽为 48，厚为 23 的矩形单元 ,其在ANSYS 中的操作如下 : GUI: ANSYS Main Menu— Preprocessor— Modeling— Create— Volumes— Block— By Dimensions 输入坐标如下图： 图 矩形图元输入参数 图 矩形图元 （ 2） 移动工作坐标建立圆柱单元 邵阳学院毕业设计（论文） 13 把工作坐标向 y 轴正方向以 24，得到一个新的工作原点，建立下一个半径为 66，厚为 23 的圆柱 ,其在 ANSYS 中的操作如下 : GUI: ANSYS Main Menu— Preprocessor— Modeling— Create— Volumes— Cylinder— By Dimensions 输入坐标如下图： 图 圆柱图元输入参数 图 圆柱图元 （ 3） 移动工作坐标建立下一圆柱单元 将工作坐标向下移 48，同上建立一个圆柱行图元， 其在 ANSYS 中的操作如下 : GUI:ANSYS Main Menu— Preprocessor— Modeling— Create— Volumes— 邵阳学院毕业设计（论文） 14 Cylinder— By Dimensions 建立如下图元 ： 图 圆柱图元 （ 4） 移动工作坐标建立下一圆柱单元 把工作坐标向上移 62，建立一个主轴颈图元，其半径为 ，长度为 50，其在ANSYS 中的操作如下 : GUI: ANSYS Main Menu— Preprocesso。