ANSYS柴油機(jī)曲軸有限元分析

2013-08-12 by:CAE/FEA技術(shù)推廣中心來源:仿真在線

ANSYS柴油機(jī)曲軸有限元分析

1 引言

    隨著柴油機(jī)的不斷強(qiáng)化,曲軸的工作條件愈加苛刻,保證曲軸的工作可靠性至關(guān)重要,其設(shè)計(jì)是否可靠,對(duì)柴油機(jī)的使用壽命有很大影響,因此在研制過程中需給予高度重視。由于曲軸的形狀及其載荷比較復(fù)雜,對(duì)其采用經(jīng)典力學(xué)的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析往往有局限性。有限元法是根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)物理問題的一種數(shù)值計(jì)算方法,是分析各種結(jié)構(gòu)問題的強(qiáng)有力的工具,使用有限元法可方便地進(jìn)行分析并為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

    6105高速柴油機(jī)曲軸為全支承式,總長929mm,連桿頸直徑為63mm,主軸頸直徑為70mm,分別在第1、第3、第4、第6連桿軸頸上設(shè)有非軸線對(duì)稱平衡塊。本文采用ANSYS有限元軟件,在靜應(yīng)力計(jì)算部分采用整體曲軸模型進(jìn)行有限元分析和模態(tài)分析,并就單元選擇及網(wǎng)格劃分對(duì)應(yīng)力的影響做了分析比較。

2 整體曲軸有限元模型的建立

傳統(tǒng)的曲軸分析,國內(nèi)外多采用單拐或1 /2單拐模型。但這種方法還不能反映整體曲軸內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的分布狀態(tài),有些學(xué)者也采用連續(xù)梁理論對(duì)曲軸進(jìn)行分析計(jì)算,但把象曲軸這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)簡化成連續(xù)梁,計(jì)算結(jié)果顯然是不準(zhǔn)確的。因此,為了較為準(zhǔn)確地計(jì)算曲軸強(qiáng)度和了解曲軸內(nèi)部的應(yīng)力狀況,本文采用曲軸三維整體模型,對(duì)曲軸進(jìn)行靜強(qiáng)度和剛度的有限元分析。

    2.1有限元網(wǎng)格的劃分

    由于曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜,利用有限元軟件進(jìn)行建模時(shí)很難保證與圖紙上的曲軸結(jié)構(gòu)完全一致,因此建模時(shí)必須簡化。為了減少應(yīng)力集中,曲軸上不同截面的結(jié)合處都有半徑不一的倒角,如果在建模時(shí)考慮這些倒角和油孔,則會(huì)使有限元的網(wǎng)格非常密集,這就大大地增加了模型的單元數(shù)量,花費(fèi)大量的求解時(shí)間,而且生成的網(wǎng)格形狀也不理想,降低了求解精度,因此在整體曲軸建模時(shí)僅考慮主軸頸、曲軸軸頸與曲拐連接處的過渡圓角。

    采用ANSYS有限元軟件,根據(jù)曲軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合有限元分析軟件中所提供的單元類型,選擇10節(jié)點(diǎn)的四面體單元Solsd92。在建模時(shí),首先采用較疏的網(wǎng)格實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后將連桿軸頸和曲軸主軸頸的圓角處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)劃。剖分后形成的曲軸有限元網(wǎng)格見圖1。圖中的曲軸模型共有114622個(gè)節(jié)點(diǎn),71982個(gè)單元。

    2.2載荷狀況的確定

    曲軸在工作時(shí)承受缸內(nèi)的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力的作用,根據(jù)已給定的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù),通過發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算,求得此發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸頸載荷的最大值,及隨后曲軸再轉(zhuǎn)過120度, 240度, 360度,480度,600度時(shí)連桿軸頸載荷的數(shù)值,見表1。

由于曲軸主要是因彎曲而破壞的,因此對(duì)曲軸受到飛輪處的扭轉(zhuǎn)力可暫不考慮,為簡便起見,可假設(shè)對(duì)發(fā)火的氣缸,當(dāng)活塞處于上止點(diǎn)位置時(shí)連桿軸頸載荷達(dá)到最大值Pa,對(duì)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)只需考慮各個(gè)氣缸分別處于壓縮終了活塞在上止點(diǎn)位置時(shí)的受力狀況即可,發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的發(fā)火順序?yàn)?—5—3—6—2—4,可將曲軸的受力狀況用圖形表示出來,其中三缸、四缸發(fā)火時(shí)曲軸受力狀況。

2.3 曲軸的邊界條件

    2.3.1 力邊界條件

    根據(jù)傳統(tǒng)的方法及有限寬度軸頸油膜壓力應(yīng)力分布規(guī)律,并忽略油孔處壓力峰值突變的影響,假定力邊界條件為:載荷沿曲柄銷軸向均勻分布,沿曲柄銷徑向120度角范圍內(nèi)按余弦規(guī)律分布。

對(duì)于余弦規(guī)律的分布曲線方程可通過面積積分方式求得,這里求得余弦曲線方程為

    式中:F—對(duì)應(yīng)于不同的l作用于曲柄銷上的力;

    F均布—假設(shè)力為均布時(shí),平均分布于每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的力;

    l—力作用點(diǎn)對(duì)應(yīng)曲軸中心對(duì)稱面的弧長。

根據(jù)以上所得力的分布公式,可求得各個(gè)離散單元的受力,然后將其分配到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上,從而得到等效節(jié)點(diǎn)邊界力?？紤]曲軸慣性力的影響,輸入以額定轉(zhuǎn)速2500n/min時(shí)的角速度261. 7rad/s,有限元程序會(huì)自動(dòng)將慣性力加在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

    2.3.2支撐邊界條件

    將主軸承對(duì)曲軸的支撐視為彈性支座,設(shè)彈簧剛度為K,認(rèn)為K值在曲軸縱向?qū)ΨQ面內(nèi)沿主軸頸均布,對(duì)于圖1的曲軸有限元模型,可視K均分在曲軸縱向?qū)ΨQ面內(nèi)主軸頸中截面左右的兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)上,本文中我們?nèi)值為3X1.0E+11N/m,這一剛度接近于主軸承的實(shí)際剛度。

    在進(jìn)行有限元分析時(shí),為模擬曲軸的全支撐情況,約束彈簧對(duì)主軸頸的徑向位移;為模擬止推軸承的作用,可將曲軸左端面靠近軸心的對(duì)稱四個(gè)節(jié)點(diǎn)的Z向位移為0,以防止曲軸沿軸向產(chǎn)生剛體位移。

3 曲軸整體模型計(jì)算結(jié)果分析

3.1變形分析算

通過對(duì)各缸發(fā)火時(shí)的靜力分析可得出,在3缸發(fā)火時(shí),變形量最大,為0.87mm,位于第一、六曲柄臂配重處,三缸變形示意圖。

3.2應(yīng)力分析

按第四強(qiáng)度理論計(jì)算的等效應(yīng)力較大值,發(fā)生在主軸頸與曲柄相連的過渡圓角處,及連桿軸頸與曲柄相連的過渡圓角處,最大值為三缸發(fā)火時(shí),位于第三連桿軸頸與曲柄相連處過渡圓角的下部,其值為σmax= 215MPa。而且在曲軸工作的整個(gè)循環(huán)中,第三、四連桿軸頸過渡圓角處發(fā)生應(yīng)力極大的情況也很頻繁。

    3.3施加扭轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力分析

    發(fā)動(dòng)機(jī)工作中,由曲軸后端傳出扭矩,曲軸必然受到一定的扭轉(zhuǎn)力,在三缸發(fā)火時(shí)的有限元模型上施加扭轉(zhuǎn)力,方向與曲軸工作旋轉(zhuǎn)方向相反,作用在曲軸后端與飛輪連接的法蘭盤邊緣。由公式Me=9550P/n可得Me=706.7N·m,通過ANSYS程序分析,施加扭轉(zhuǎn)力后,應(yīng)力值有了一定的提高,但影響不是很大,最大應(yīng)力值為236MPa。

4 疲勞強(qiáng)度校核

整體曲軸的斷裂,在多數(shù)情況下首先在曲柄銷圓角出現(xiàn)疲勞裂紋,隨后裂紋向曲柄臂發(fā)展而導(dǎo)致整根曲軸的斷裂。只在個(gè)別情況下因曲軸支承的局部損壞引起支座彎矩急劇增加而造成主軸頸圓角損壞。這主要是由于主軸頸圓角應(yīng)力以壓應(yīng)力為主,致使其抗交變載荷的能力增強(qiáng)。因此,通常僅對(duì)承載最大曲柄的曲柄銷圓角進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算就能滿足要求。曲柄銷圓角彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)可用下式計(jì)算。

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σmax,σmin為有限元計(jì)算出的對(duì)應(yīng)于缸內(nèi)壓力與往復(fù)慣性力的合力的最大值99129N與最小值5406N時(shí)的應(yīng)力值。此處加均布面載荷并考慮慣性力σmax,σmin分別為236MPa和24. 3MPa, kσ為有效應(yīng)力集中系數(shù),取2.08,εσ為尺寸系數(shù),取o.68,β為構(gòu)件表面質(zhì)量系數(shù),取1.65,Ψσ為材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱的敏感系數(shù)取0.25;代入(2),(3),(1)得nσ=1.574-1.749。滿足通常要求的1.3—1.8的范圍,因此認(rèn)為該曲軸的強(qiáng)度能達(dá)到要求。

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