[doc] 某型军用V8发动机曲轴的动态强度分析

[doc] 某型军用V8发动机曲轴的动态强度分析 某型军用V8发动机曲轴的动态强度分析 2008年第6期?设计与研究? 文章编号:1001—2265(2008)06—0001—04 某型军用V8发动机曲轴的动态强度分析 尤小梅,马星国,闻邦椿. (1.东北大学机械及自动化学院,沈阳l10015;2.沈阳理工大学机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,沈阳l10168) 摘要:以某型军用V8发动机曲轴为研究对象,结合三维实体建模,有限元分析与柔性体生成技术,多体 动力学的动态事件仿真等手段,搭建了曲轴系统柔性多体系统动力学的仿真分析模型,研究了曲轴在实 际工况下实时动力学响应,找到曲轴在工作过程中的危险部位,并对该危险部位进行了结构优化,所得 结果与实践结果吻合较好. 关键词:曲轴;响应;仿真;多体动力学 中图分类号:TG68;THll3文献标识码:A AnalysisofDynamicStrengthofACertainTypeofMilitaryV8EngineCranks haft YOUXiao—mei一,MAXing—guo一,WENBang—chun (1.NortheasternUniversity,Shenyang110015;2.ShenYangLiGongUniver sity,Shenyang110168,China) Abstract:Combinedthemeansof3DSolidModeling,f’miteelementanalysisandflexiblebodyGeneration TechnologyandMulti-bodydynamicsofEventSimulation,anAnalysisModeloftheFlexiblemulti-bodydy? namicsofthecrankshaftsystemisbuilttostudythedynamiccharacteristicsofsomecertaintypeofmilitary v8engine.Fromthesimulatingonthemodel,thereal-timedynamicsresponseofthecrankshaftisachievedand thedangerouspartofthecrankshaftinacycleisfound;thenananalysisonstructuraloptimizationdesignof thepartisdoneandtheresultcoincideswiththepracticewel1. Keywords:crankshaft;response;simulation;multi-bodydynamics O引言 曲轴作为发动机的主要承载零件,其力学性能优 劣直接影响着发动机的工作性能和寿命.早期的曲轴 强度研究主要采用简支梁法;随后,由于计算机的普及 和有限元法的出现,产生了整体曲轴计算的连续梁模 型…和利用杆系有限元理论提出的把曲轴当作由其轴 线构成的空间刚架来计算的空间刚架模型.上述方 法都对曲轴做了太多的简化,难以保证计算精度.另 外,曲轴是运动件,但迄今为止曲轴强度计算时的作用 载荷都是按静力考虑.也就是说,当评价曲轴强度时, 所用的某部位的最大应力和最小应力只不过是从大量 的曲轴准动态计算中挑选出来的,并没有考虑动力响 应的因素,这些都大大限制了计算的精确度和可信度. 在对某军用V8发动机曲轴进行动态响应分析过程中, 由于实际工况中曲轴承受活塞,连杆传递的爆发压力 的交变载荷作用,受力情况及其复杂,采用传统的单纯 有限元分析方法很难完成对曲轴运行过程中动态变化 的边界条件描述.一般采用局限于某个或某几个特定 时刻的,过度简化的曲轴加载边界条件,其计算结果往 往与实测偏差较大,不能真实地反映曲轴在实际运行 工况下的力学特性.同时本文中所分析的发动机曲轴 为引进机型,设计经验和现有计算公式严重缺乏,单纯 依靠传统方法完成曲轴实时动态响应的分析工作是不 可能的. 本文运用有限元分析软件ANSYS生成曲轴的柔 性体文件,结合机械系统仿真软件ADAMS,通过建立 曲轴系统的多体系统动力学模型,在最少假设情况下, 收稿日期:2007—12一O4 {基金项目:国家自然科学基金资助项目(50535010) 作者简介:尤小梅(1976一),女,江苏连云港人,东北大学机械设计及理论专业博士研究生,沈阳理工大学讲师,主要从事”三化”综合设计法,多 体动力学仿真及机械振动研究,(E—mail)prime—queen@163.corn. ? 设计与研究?组合机床与自动化加工技术 研究曲轴在既定工况下整周期的实时动力学响应,从 而可以迅速找到其在工作过程中的危险部位,为进一 步进行曲轴的优化设计提供了理论参考和依据. l动态特性分析方法 1.1柔性多体动力学分析理论 本文采用机械系统仿真软件ADAMS进行曲轴系 统多体动力学分析,其系统运动微分采用拉格朗日方 程建立.首先选择适当的广义坐标对物体进行描述: 对于刚体i,采用质心在惯性参考系中的笛卡尔坐标和 反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标={,),,z,, ,{;对于柔性体,采用将零件的运动分解为整体(物 体参考系)的刚性运动和相对于物体参考系的变形运 动的相对描述法.变形运动近似地采用离散的有限 个自由度位移u来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示,在弹性小变形的范围内,该位 移可用模态向量及相应的模态坐标的线性组合来描述 u=?q(1) 式中为模态向量矩阵,q为模态坐标.则柔性体i 的广义坐标可表示为 c {,Y,,,0,,q,=1,m} m为模态坐标数. 接着建立约束方程和作用力方程,并将他们都写 成广义坐标的表达式.最后用拉格朗日乘子法建立系 统的运动微分方程: _【d[oL卜嚣+OF+A—QQ=.(2)【aJ一【J:U =0(3) 其中L为拉格朗日函数,F为耗散能函数,为约束函 数,A为约束的拉格朗日乘子列阵,Q为广义力列阵, 为广义坐标列阵,为广义速度列阵.上述变量中 L=T—V(4) 式中为系统动能,I,为系统势能. F=Dq(5) 式中叮为模态坐标对时间的导数,D为阻尼矩阵. 2分析模型 实际工况中作用于曲轴上的外载荷,曲轴的结构 形状尺寸,以及材质的物性参数等均是随机的,曲轴的 应力也是随机.因而为了较为准确地把握曲轴在实际 工况中的应力变形情况,本文借助三维建模软件Solid. Works,有限元分析软件ANSYS,多体动力学仿真软件 ADAMS搭建了可用于精确分析机构中零部件在实际 工作中所表现出的力学特性的集成分析环境,由此分 析某型军用V8发动机曲轴在其工作循环周期内的实 时动力学响应. 2.1曲轴系统多刚体动力学模型的建立 本文主要分析曲轴的实时动态特性,建模时曲轴 系统的其他组成部件包括连杆,活塞等在系统中的作 用只是传递气体爆发压力和运动产生的惯性力,可以 不考虑它们的变形情况建为刚体即可. ADAMS软件本身对于复杂模型的建模功能较薄 弱,本文在SolidWorks环境中完成曲轴系统模型的三 维建模与装配工作,确定基本关节与约束关系,并考虑 不同平台间数据传输及分析精度需要,通过软件平台 之间的数据传输,在ADAMS环境中搭建曲轴系统多刚 体动力学模型(如图1所示). 图1曲轴系统的多刚体动力学模型 2.2曲轴柔性体模型的建立 为了精确分析曲轴的实时动态响应,需要用柔性 曲轴替换多刚体动力学模型中的刚性曲轴,运用AN- SYS软件建立曲轴的有限元模型如图2所示.曲轴有 限元模型通过有限元分析软件ANSYS与多体动力学 软件ADAMS之间的数模转换技术,生成一个包含零件 材料,节点,单元,柔性体的质量,质心,转动惯量,频 率,振型以及对载荷的参与因子等信息的曲轴模态中 性文件,以满足ADAMS中建立柔性体模型的需要.这 一 步骤也是本次分析的关键所在. 图2曲轴有限元模型 2.3曲轴系统柔性多体动力学模型的建立 在ADAMS环境中读人生成的曲轴模态中性文件, 创建曲轴柔性体模型,将建立的曲轴系多刚体动力学 2008年第6期?设计与研究? 模型中的刚体曲轴替换为柔性体曲轴.考虑到飞轮的 主要作用是储存能量,减小转速的不均匀性,而模型仿 真运行时的转速是恒定的,为了兼顾计算效率与精度, 在建立曲轴系统柔性多体动力学模型时,省略了飞轮, 在ADAMS中建立的曲轴系统柔性多体动力学模型如 图3所示. 图3曲轴系统柔性多体动力学模型 2.4曲轴系多体仿真工况条件 曲轴系统进行多体动力学仿真时,对曲轴施以工 况为发动机转速/7,=1300r/min时的旋转运动激励,同 时按照发动机发火顺序施加燃气爆发压力.在AD. AMS中,采用Akima曲线拟合技术对示功图的燃气爆 发压力曲线进行拟合,根据各缸上止点对应的曲轴转 角和发火次序插值出对应的燃气爆发压力,并沿气缸 轴向施加于活塞顶部,令曲轴按示功图对应转速转动. 2.5曲轴系多体仿真结果及分析 利用曲轴系柔性多体动力学模型,控制曲轴转速 为/7,=1300r/min,同时按照发动机发火顺序在活塞上 施加给定工况下的拟合爆发压力曲线,模拟发动机的 实际运行情况,对曲轴系进行多个工作周期的仿真(曲 轴系一个工作周期为0,09216s)后我们得到了曲轴在 工作过程中的应力变化趋势,以载荷步的形式输出 ANSYS分析所需要的载荷文件. 仿真结果: (1)曲轴系在第一个工作周期结束时出现应力最 大,发生部位位于输出端第一曲柄臂与第一主轴径的 圆角处.应力最大发生时刻,即0.09216s时,曲轴的 应力分布状态如图4所示. 图4应力最大发生时刻曲轴的应力分布状态 (2)曲轴在工作过程应力较大的部位均集中在各 个曲柄臂与主轴径,连杆径的圆角部位. (3)通过仿真分析,得到了曲轴在实际工况的动态 边界载荷如图5所示,从而可以实现精确的实时动态 特性分析. 结果分析:通过对曲轴系多个周期的仿真可以发 现,曲轴的输出端,承受外力的反扭矩,应力值较大, 其他应力较大的地方均集中在曲柄臂与连杆连接的圆 角部分,这与实际是相吻合的.(由于该曲轴为某国外 引进机型中关键部件,相关实验数据无法准确得到,本 文将仿真结果与国内类似产品的相关特性进行比较) 曲轴在析. 2.6曲轴瞬态动力学响应分析 在有限元分析软件ANSYS环境中加载得到的曲 轴动态边界条件,完成瞬态动力学响应分析,得到曲轴 在既定工况下的实时应力应变分布情况. 仿真结果:曲轴系在工作过程中,按照发动机的发 火顺序完成八个汽缸的爆发以后(0.09216s),曲轴出 现最大应力,vonMises值为869MPa,发生部位位于靠 近输出端的第一曲柄臂与第一主轴径的圆角部位,同 时,靠近输出端的第一,二曲柄臂与第一连杆径的圆角 部位应力值也较大.由于本次分析的计算量较大,对 应载荷的载荷步较多,文中只给出一个工作周期内出 现应力最大载荷步时刻曲轴的应力分布云图和位移分 布云图分别如图6所示. ? 设计与研究?组合机床与自动化加工技术 , 舯一 ? 一一… ? … _, ,…一一 曲轴的应力分布云图 ????????*??????’一??????? j,— 一 州 一一 曲轴的位移分布云图 图6应力位移分布云图 结果分析: (1)曲轴在工作过程中承受8个气缸爆发压力作 用,承受很大的载荷,通过对曲轴系进行多个工作周期 的仿真计算发现,曲轴的最大应力发生在第一个工作 周期完成时,发生部位位于靠近输出端的第一主轴颈 与曲柄臂的圆角部位.曲轴的最大yonMises应力为 869.807MPa在其材料许用应力范围内曲轴材料的屈 服极限(曲轴材料42CrMo的屈服极限为930MPa),强 度足够. (2)通过分析,可知曲轴变形较小,刚度足够. (3)曲轴在不同的工作时段内,最大应力均发生在 连杆颈和曲柄臂连接的圆角部分,因此连杆颈和曲柄 臂连接处是结构设计和优化的重点. (4)曲轴输出端一直承受着较大的扭矩作用,是分 析关注的重点.通过分析发现,在输出端和第一曲柄 臂连接处应力较大,而且集中,很容易使曲轴形成疲劳 破坏. 3曲轴结构优化 通过动态特性分析可知曲轴在第一个工作周期结 束时,位于靠近输出端的第一曲柄臂与第一主轴颈圆 角处应力值最大,本文运用ANSYS优化方法中的随机 搜索法研究该圆角的整个设计空间以得到圆角与最大 应力的变化趋势. 3.1曲轴参数化模型建立 在ANSYS软件的前处理模块中用设计变量作为 参数建立曲轴模型.第一主轴颈与曲柄臂的过渡圆角 如图7所示. ?图7第一主轴颈与曲柄臂的过渡圆角 3.2优化结果 利用ANSYS优化功能对第一曲柄臂与主轴颈连 ? 4? 接处的圆角进行优化,得到的优化参数设计空间如图8 所示. 图8圆角半径优化参数设计空间 从图中可以看出,适当增大圆角半径可以有效地 降低该危险部位的最大应力.通过计算得到的设计空 间,可以为进一步进行曲轴优化设计和进行曲轴的寿 命计算等提供圆角半径的合理取值范围. 4结论 本文结合三维建模,有限元分析,多体动力学仿真 三大软件搭建了某型V8发动机曲轴面向工作过程的 分析环境,通过对全程数据的分析处理,得到了曲轴的 实时动态响应结果,该结果与实践结果吻合较好.研 究证明该分析环境可以在最大程度上保证待分析零件 边界条件的完整性与正确性,对处于概念化设计阶段 的新产品以及新引进产品及技术消化而言,可以更好 的适应分析需要,预测所关心的产品特征值,并可大大 提高计算精度和准确性.同时为进行已有产品的创新 设计,改型设计及优化设计提供了强有力的技术保证. [参考文献] [1]施兴之,石金,李杨.连续梁法计算曲轴应力的研究[J]. 内燃机,1991,9(2):169—176. [2]丁培杰,吴昌华.柴油机曲轴计算方法发展的回顾,现状与 展望[J].内燃机工程,2003,24(3):74—79. [3]闻邦椿.现代机械产品设计在新产品开发中的重要作用 [J].机械工程,2003,39(1O):43—52. [4]闻邦椿,张国忠,柳洪义.面向产品广义质量的综合设计理 论与方法[M].北京:科学出版社,2007. 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