一种基于有限元的曲轴应力分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有限元的曲轴应力分析方法，它解决了现有技术中对曲轴的分析不适用于企业的问题，具有实用性强、准确性高、能够通过静力学分析校验曲轴疲劳强度的效果；其技术方案为：建立曲轴三维模型；分别以曲轴带油孔单拐模型、曲轴单拐简化模型和曲轴整体模型作为静力学分析模型，对曲轴进行静力学分析；对比分析上述三种模型，选择最优模型；对曲轴进行动力学分析；进行曲轴模态试验，检验分析结果；优化曲轴，并进行优化后曲轴静力学分析及动力学分析。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元的曲轴应力分析方法
本专利技术涉及发动机领域，尤其涉及一种基于有限元的曲轴应力分析方法。
技术介绍
随着现代工业技术的发展，各种新的技术、新的研究应用到发动机的设计过程中，以及越来越严格的排放标准，发动正逐渐的向着高转速、高功率、低油耗、低排放的新的方向发展。但是，一般情况下功率的增大会给发动机带来许多的负面影响，功率增大时，会使活塞最大爆发压力增加，从而造成曲轴连杆轴径承受机械负荷增加，从而可能会引起曲轴的损坏。还可能使气缸气体压力上升率过大，将会产生爆震，发动机的燃烧噪声将会增加，降低发动机的舒适性。当通过增加发动机转速的方法提高发动机的功率时，会导致内燃机的各运动部件的惯性力增大，从而使曲轴等各运动部件的受力问题变得尤为突出。通常，对受力物体进行应力强度分析的方法有三种：理论分析方法、试验分析方法和应力强度分析方法三种法数值模拟。理论分析法适用于简单的几何模型，该方法可以清楚地揭示数据和物理现象间的参数关系。试验分析法，可以得到较直观的结果，能够清楚的看到所研究的对象所表现出来的物理特性，但是试验周期较长，会消耗大量的人力和财力。现在，人们更多的倾向于计算机数值模拟方法，该方法是利用计算机模拟对各种条件下的受力状况、工作状况等多种状态进行模拟分析。计算机数字模拟的方法，可在设计阶段缩短新曲轴的开发周期，对新产品的各种强度参数进行充分预测，减少高昂成本的投资试验，以提高发动机产品的市场竞争力。因此，对曲轴强度及模态的计算机数值模拟仿真分析技术，越来越多的运用于试验分析中。现有技术中基于ANSYSWorkbench曲轴有限元分析的材料很少，对于要求注重工作效率、结果可靠且多数机械工程师为非专业软件工程师的企业来说，参考价值并不高。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于有限元的曲轴应力分析方法，其具有实用性强、准确性高、能够通过静力学分析校验曲轴疲劳强度的效果。本专利技术采用下述技术方案：一种基于有限元的曲轴应力分析方法，包括以下步骤：步骤A建立曲轴三维模型；步骤B分别以曲轴带油孔单拐模型、曲轴单拐简化模型和曲轴整体模型作为静力学分析模型，对曲轴进行静力学分析；步骤C对比分析上述三种模型，选择最优模型；步骤D对曲轴进行动力学分析；步骤E进行曲轴模态试验，检验分析结果；步骤F优化曲轴，并进行优化后曲轴静力学分析及动力学分析。进一步的，所述步骤A中，采用SolidWorks建立曲轴三维模型，然后将曲轴三维模型导入ANSYSWorkbench中进行定义材料和网格划分。进一步的，定义曲轴材料为球墨铸铁，弹性模量为173GPa，泊松比为0.3，密度为7.3g/cm3。进一步的，所述步骤B中对曲轴带油孔单拐模型、曲轴单拐简化模型和曲轴整体模型分别进行承受最大压力及最大拉力两个工况求解与分析。进一步的，分析后进行静态强度安全系数校核与疲劳安全系数校核。进一步的，所述步骤D中动力学分析包括模态分析，分析曲轴的自由模态。进一步的，计算发动机基频，对比发动机基频与曲轴频率，判断模态分析是否合格。进一步的，所述步骤E中采用曲轴整体模型作为曲轴试验模态模型。进一步的，所述步骤E中采用内积相关度原理验证模态分析结果。进一步的，所述步骤F中，优化曲轴包括对曲轴主轴颈与曲柄臂过渡圆角的优化。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术为了确保分析的合理性与准确性，在曲轴静力学分析中以带油孔单拐模型、不带油孔单拐模型、曲轴整体模型为分析对象，对比分析后得到最优分析结果；(2)本专利技术在动力学分析后进行模态试验，验证结果的准确性；(3)本专利技术实现了对曲轴的优化。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术的流程框图；图2为本专利技术的曲轴带油孔单拐模型图；图3为本专利技术的曲轴单拐简化模型图；图4为本专利技术的曲轴整体模型图；图5为本专利技术的曲柄受压工况受力分析图；图6为本专利技术的曲柄受拉工况受力分析图；图7为本专利技术的模态试验测试系统结构示意图；其中，1-施力锤，2-力传感器，3-电荷放大器，4-橡皮筋，5-曲轴，6-加速度传感器，7-动态信号分析仪，8-结构动态分析软件。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如
技术介绍
所介绍的，现有技术中存在对曲轴的分析不适用于企业的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于有限元的曲轴应力分析方法。本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种基于有限元的曲轴应力分析方法，采用三维软件SolidWorks建立曲轴物理模型，然后将模型导入ANSYSWorkbench中进行定义材料和网格划分，具体步骤为：(一)曲轴三维模型的建立(1)单拐模型建立以右视图为基准面，运用角度、圆与圆相切或圆与线相切等原理建立曲柄臂及平衡重草图；拉伸曲柄臂厚度为22.5mm；平衡重底部倒角，曲柄臂上部曲面以三角形沿圆弧扫描切除的形式画出并镜像；分别以曲柄臂两面为基准面，画出凸台、二分之一长度连杆轴径和凸台、二分之一主轴颈；将已画好模型镜像复制，同样以画出辅助三角形沿R130曲线扫描切除切出一半曲面后再镜像的方式画出右端曲柄臂与平衡重的分界面；倒角、画润滑油道；最终得到带油孔单拐模型。由于润滑油道影响网格划分的美观性，再将模型简化成不带油孔单拐模型。(2)曲轴模型建立曲轴为整体式、结构具有翻转对称性，为高效画图，用装配的方式把四个曲柄及自由端、功率输出端装配成完整曲轴。建立曲轴模型后，导入几何模型、设立结构分类项，之后添加材料。曲轴所用材料为QT800-5，其有限元分析相关性能参数如表1所示。球墨铸铁是一种综合性能接近于钢的高强度铸铁材料，广泛应用于铸造受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。表1QT800-5性能参数(3)网格划分采用自动划分法，在自动网格划分中，扫掠型网格规则具有更好的美观性且占用内存少，因此尽可能多地进行扫掠型网格划分。曲轴带油孔单拐模型：共划分10129个节点，单元总数为6009个，网格划分情况如图2所示。曲轴单拐简化模型：共划分37962个节点，单元总数为23228个，网格划分情况如图3所示。曲轴整体模型：共划分92677个节点，单元总数为58411个，网格划分情况如图4所示。(二)曲轴静力学分析静力学分析工况为曲轴静止，受载最大时，对曲轴带油孔单拐模型、曲轴单拐简化模型、曲轴整体模型三个模型分别进行承受最大压力及最大拉力两个工况分析。(1)受力分析以单拐模型为例进行受力分析，曲柄在曲轴转角为0°时受压工况受力分析如图5所示，其中，Pg为燃气作用力，m1g为活塞组和连杆组的总重力，m2g为曲柄自身的重力，Z为主轴颈处支反力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于有限元的曲轴应力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A建立曲轴三维模型；步骤B分别以曲轴带油孔单拐模型、曲轴单拐简化模型和曲轴整体模型作为静力学分析模型，对曲轴进行静力学分析；步骤C对比分析上述三种模型，选择最优模型；步骤D对曲轴进行动力学分析；步骤E进行曲轴模态试验，检验分析结果；步骤F优化曲轴，并进行优化后曲轴静力学分析及动力学分析。

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元的曲轴应力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A建立曲轴三维模型；步骤B分别以曲轴带油孔单拐模型、曲轴单拐简化模型和曲轴整体模型作为静力学分析模型，对曲轴进行静力学分析；步骤C对比分析上述三种模型，选择最优模型；步骤D对曲轴进行动力学分析；步骤E进行曲轴模态试验，检验分析结果；步骤F优化曲轴，并进行优化后曲轴静力学分析及动力学分析。2.根据权利要求1所述的一种基于有限元的曲轴应力分析方法，其特征在于，所述步骤A中，采用SolidWorks建立曲轴三维模型，然后将曲轴三维模型导入AnsysWorkbench中进行定义材料和网格划分。3.根据权利要求2所述的一种基于有限元的曲轴应力分析方法，其特征在于，定义曲轴材料为球墨铸铁，弹性模量为173GPa，泊松比为0.3，密度为7.3g/cm3。4.根据权利要求1所述的一种基于有限元的曲轴应力分析方法，其特征在于，所述步骤B中对曲轴带油孔单拐模型、曲轴单...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨永忠，李钧，袁鸿磊，候泉利，李长河，郑慧珍，
申请(专利权)人：山东云内动力有限责任公司，青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37