• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      水平對置柴油機曲軸動應(yīng)力有限元分析

      2011-08-03 11:55:42葛玉霞馬勝利王紅麗
      鐵道機車車輛 2011年1期
      關(guān)鍵詞:圓角曲柄曲軸

      葛玉霞,馬勝利,王紅麗

      (中國北方發(fā)動機研究所,山西大同037036)

      現(xiàn)代動力裝備發(fā)展要求動力源功率高、體積小,采用二沖程原理、提高轉(zhuǎn)速等措施是實現(xiàn)功率密度提升的重要手段之一。新型水平對置二沖程柴油機,曲柄連桿機構(gòu)為全平衡運動機構(gòu),同樣的曲軸轉(zhuǎn)速下活塞平均速度相對較小,可以使柴油機轉(zhuǎn)速成倍提高,原理上功率密度相應(yīng)成倍增加,具有結(jié)構(gòu)簡單,工作平穩(wěn)、噪聲小等特點,在功率密度方面具有進一步改善的潛力。

      計算機輔助工程設(shè)計(CAE)技術(shù)是現(xiàn)代設(shè)計中普遍采用的方法,用于發(fā)動機研制計劃的整個設(shè)計階段,以確保滿足具有挑戰(zhàn)性的性能和總重指標(biāo)。多體系統(tǒng)分析用于了解運轉(zhuǎn)發(fā)動機的運動學(xué)和動力學(xué)特性,所計算出負(fù)荷是用于有限元分析,可以有效提高邊界輸出條件的準(zhǔn)確性,為預(yù)測發(fā)動機部件的變形、應(yīng)力和縱向撓曲及疲勞安全系數(shù)提供重要手段。

      本文針對水平對置柴油機曲軸的特殊結(jié)構(gòu),利用Adams動力學(xué)分析結(jié)果,充分發(fā)揮有限元軟件Abaqus在結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算方面的優(yōu)勢,對曲軸進行動應(yīng)力分析,獲得曲軸結(jié)構(gòu)在不同時刻的內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài),為曲軸強度校核以及優(yōu)化設(shè)計提供重要依據(jù)。

      1 水平對置柴油機曲軸特性

      水平對置二沖程柴油機單個動力模塊由兩個氣缸構(gòu)成,每個氣缸布置了兩個相對運動的內(nèi)、外活塞,共用一根曲軸,通過6根內(nèi)外連桿連接,形成具有自平衡特性的曲柄連桿機構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。柴油機相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

      傳統(tǒng)發(fā)動機扭矩是曲柄銷切向力和主軸承力共同作用生成的,主軸承與機體必須承接全部的燃氣壓力和曲柄連桿機構(gòu)的質(zhì)量力,當(dāng)柴油機最大燃氣壓力大于20MPa時,連桿大頭兩側(cè)的主軸承及機體必須是堅固和厚大的。而水平對置二沖程柴油機全部力作用在曲軸上,作用在主軸承和曲軸箱上的主軸承力很小。

      圖1 水平對置柴油機曲柄連桿機構(gòu)

      表1 水平對置柴油機技術(shù)參數(shù)

      當(dāng)曲軸內(nèi)外連桿曲柄銷相位差180°時,用行程的一半乘以內(nèi)和外活塞往復(fù)質(zhì)量,其結(jié)構(gòu)的一階和二階往復(fù)慣性力可以做到100%平衡的。但為了實現(xiàn)不對稱的定時,打開和關(guān)閉排氣口的活塞必須總是比打開和關(guān)閉進氣口活塞先行大約35°CA。需要采用錯拐曲軸設(shè)計實現(xiàn)這種配氣定時,因此在排氣活塞曲柄和進氣活塞曲柄之間有35°的相位差。為了保持發(fā)動機平衡,模塊左側(cè)內(nèi)活塞移動覆蓋排氣口,外活塞移動覆蓋進氣口;而模塊右側(cè)內(nèi)活塞移動覆蓋進氣口,外活塞移動覆蓋排氣口。對于二沖程來說使用錯拐曲軸是一種理想的設(shè)計,然而對于曲軸受力狀況會產(chǎn)生不利影響。

      由于錯拐結(jié)構(gòu),燃氣壓力達到最大時,內(nèi)外連桿曲柄銷均偏移曲軸中心線一定角度,如圖2所示,上止點附近燃氣壓力沿氣缸中心線同時作用于內(nèi)外活塞上,但曲柄銷中心線偏離曲軸中心線,如圖3所示,這兩方面的原因均會導(dǎo)致曲軸受力存在一定的切向分量(豎直方向),增加曲軸承受的彎矩。

      圖2 曲柄銷位置及坐標(biāo)系

      圖3 氣缸中心線偏差示意圖

      其結(jié)構(gòu)受力狀況有別于傳統(tǒng)發(fā)動機曲軸,由于水平對置柴油機曲軸結(jié)構(gòu)的特殊性,已不能簡單的使用靜力學(xué)有限元分析。本文結(jié)合曲軸動力學(xué)分析結(jié)果,分析曲軸隨時間變化的動應(yīng)力分布,為考察計算結(jié)果的穩(wěn)定性,對曲軸施加兩個周期的軸承載荷。

      2 曲軸計算模型

      2.1 有限元模型

      首先使用Pro/E三維建模軟件建立曲軸的三維實體模型,使用中間格式stp導(dǎo)入到Abaqus中進行有限元設(shè)置。分別定義各曲柄銷中心參考點1~6及其坐標(biāo)系,如圖4所示。各參考點使用MPC單元與曲柄銷上的單元完全耦合,參見圖5、圖6。兩端主軸頸分別與參考點7、8完全耦合,約束兩個參考點的平移自由度,以及參考點8的旋轉(zhuǎn)自由度,同時在參考點7上施加瞬時扭矩載荷。

      2.2 載荷邊界條件

      依據(jù)曲柄連桿機構(gòu)多體動力學(xué)計算,分析機體等結(jié)構(gòu)件激勵的規(guī)律性,是進行發(fā)動機結(jié)構(gòu)件設(shè)計的基礎(chǔ)性研究工作,本文所使用的曲柄連桿機構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)結(jié)果均采用MSC公司Adams軟件的Engine模塊獲得。

      圖4 曲軸實體模型

      圖5 曲軸有限元模型

      圖6 局部MPC單元

      (1)往復(fù)慣性力的連桿力分力

      活塞組件質(zhì)量包括活塞、活塞銷、活塞環(huán)以及連桿簡化到連桿小頭的質(zhì)量,其往復(fù)慣性力沿連桿方向的分力為:

      式中α為曲軸轉(zhuǎn)角;λ為曲柄半徑與連桿長度之比;簡化在活塞銷中點的往復(fù)運動的質(zhì)量。

      (2)氣缸作用力的連桿力分力

      氣缸內(nèi)壓力波動是激勵曲柄連桿機構(gòu)運動的主要動力源,對于4沖程發(fā)動機,每轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)達到一次最大燃氣壓力;對于二沖程發(fā)動機,每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)達到一次最大燃氣壓力。氣缸爆發(fā)壓力沿連桿方向的分力為:式中β為連桿擺角;D為缸徑;pg是氣缸內(nèi)氣體的絕對壓強;po是曲軸箱氣體的絕對壓強。

      本文所使用的氣缸內(nèi)燃氣壓力曲線是通過AVL公司的一維性能分析軟件Boost計算得的。圖7為轉(zhuǎn)速1 500r/min下每個循環(huán)的氣缸內(nèi)氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線,其峰值燃燒壓力為13.5MPa。

      圖7 曲軸轉(zhuǎn)速1 500r/min氣缸內(nèi)壓力曲線

      (3)旋轉(zhuǎn)慣性力

      根據(jù)靜力等效的原則將連桿質(zhì)量分配到大頭孔中心的質(zhì)量,作用于曲柄銷的旋轉(zhuǎn)慣性力為:

      式中mB為連桿大頭質(zhì)量。發(fā)動機轉(zhuǎn)速越大,慣性載荷就越大。

      (4)曲柄銷作用力

      FPiston和FGas沿曲柄方向的作用力Fk及垂直于曲柄方向作用于FT分別為:

      圖8、圖9為曲柄連桿機構(gòu)動力學(xué)分析轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時兩個循環(huán)的沿著連桿軸線作用于曲軸軸頸上的徑向和切向軸承載荷。正值表示拉伸;負(fù)值表示壓縮。

      圖8 曲柄銷徑向載荷

      圖9 曲柄銷切向載荷

      右側(cè)氣缸達到最大燃氣壓力時,外連桿兩個曲柄銷(銷1和銷5)軸承載荷完全一樣;同理,左側(cè)燃氣壓力最大時,銷2和銷6軸承載荷相同。

      (5)曲軸扭矩

      曲軸的瞬時扭矩是由曲柄銷切向力產(chǎn)生的:

      其中R為曲柄銷回轉(zhuǎn)半徑。

      由動力學(xué)計算獲得的扭矩結(jié)果如圖10所示。

      圖10 曲軸瞬時扭矩

      最大軸承載荷和扭矩與燃氣壓力存在明顯的對應(yīng)關(guān)系,左右氣缸達到最大燃氣壓力時的相位差值近似為180°CA,在曲軸轉(zhuǎn)角8.8°CA和368.8°CA 時左缸達到最大,在194°CA和554°CA時右缸達到最大。以上多體動力學(xué)分析得出的軸承載荷結(jié)果將用于后續(xù)的曲軸有限元動應(yīng)力分析。

      3 動應(yīng)力計算及結(jié)果分析

      曲軸工作過程中所承受的載荷極其復(fù)雜,這些載荷綜合作用引起曲軸各個部位以及同一部位在一個工作循環(huán)內(nèi)的各個瞬時都是不同的。而曲軸又是以其應(yīng)力全幅值作為強度評價的依據(jù)。

      分別在各曲柄銷中心參考點自身坐標(biāo)系上X向和Y向加載單位載荷,實際載荷以幅值的形式定義。定義100個載荷步,對于兩個循環(huán)(720°)來說,每個載荷步表示7.2°,即每隔7.2°計算一次應(yīng)力。

      從表2和圖12中可以看出,當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為14°CA左右時,近似左側(cè)氣缸達到最大燃氣壓力時,最大等效應(yīng)力位于外連桿曲柄銷——銷1和銷5的圓角處,即節(jié)點20970和節(jié)點72115達到應(yīng)力最大值,最大值為571.1MPa,應(yīng)力值偏大,需要結(jié)合最大主應(yīng)力評估;同理,右側(cè)燃氣壓力最大時,最大等效應(yīng)力位于外連桿曲柄銷——銷2和銷6的圓角處,節(jié)點12139和節(jié)點13018的應(yīng)力值最大,最大值為508.8MPa,應(yīng)力云圖如圖11所示,圖12為兩個循環(huán)內(nèi)的危險曲軸圓角處的等效應(yīng)力曲線。

      表2 關(guān)鍵載荷步的等效應(yīng)力結(jié)果 MPa

      圖11 曲軸關(guān)鍵載荷步等效應(yīng)力分布云圖

      圖12 關(guān)鍵節(jié)點在兩個循環(huán)內(nèi)的等效應(yīng)力

      從表3和圖13中可以看出,當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為8°CA和367°CA左右,近似左側(cè)氣缸達到最大燃氣壓力時,最大主應(yīng)力值位于內(nèi)連桿曲柄銷——銷4的圓角處,即節(jié)點21336和節(jié)點21345達到應(yīng)力最大值,最大值達到469 MPa,應(yīng)力值偏大需要對圓角處進行強化;同理,右側(cè)燃氣壓力最大時,最大主應(yīng)力值位于內(nèi)連桿曲柄銷——銷3的圓角處,節(jié)點12550和節(jié)點12562的應(yīng)力值最大,最大值達到415.1MPa,略小于左側(cè)圓角,但右側(cè)圓角處也存在較大的峰值,需要引起注意,應(yīng)力云圖如圖13所示,圖14表示兩個循環(huán)內(nèi)危險圓角處的應(yīng)力值,可用于疲勞強度的計算。

      表3 關(guān)鍵載荷步的最大主應(yīng)力結(jié)果 MPa

      圖13 曲軸關(guān)鍵載荷步等效應(yīng)力分布云圖

      圖14 關(guān)鍵節(jié)點在兩個循環(huán)內(nèi)的最大主應(yīng)力

      4 結(jié)論

      (1)Abaqus有限元動應(yīng)力計算是進行水平對置柴油機曲軸強度校核的有效手段,可以獲得不同時刻的應(yīng)力分布;

      (2)結(jié)合動力學(xué)分析結(jié)果,可以計算一個周期內(nèi)隨時間變化的連續(xù)結(jié)構(gòu)動應(yīng)力結(jié)果,是進行疲勞強度計算的重要輸入數(shù)據(jù)。

      (3)該曲軸圓角處應(yīng)力值偏大,內(nèi)連桿曲柄銷在燃氣壓力達到最大時圓角處存在較大的拉應(yīng)力,需要在結(jié)構(gòu)、材料等方面進行優(yōu)化改進。

      本文在水平對置柴油機曲軸結(jié)構(gòu)有限元動應(yīng)力分析方面做了一些探索性的工作,可作為曲軸優(yōu)化設(shè)計的可靠參考。

      [1]佩特·霍夫鮑爾.對置活塞對置氣缸(OPOC)軍用地面車輛發(fā)動機[Z].FEV發(fā)動機技術(shù)公司,SAE 2005-01-1548.

      [2]陸際清,孟嗣宗.汽車發(fā)動機設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,1990.

      [3]諸葛良,李愛軍,王明武.基于三維有限元分析的曲軸圓角優(yōu)化設(shè)計[J].內(nèi)燃機工程,2002,23(2):47-50.

      猜你喜歡
      圓角曲柄曲軸
      CAD直接建模中圓角特征識別技術(shù)的研究與應(yīng)用
      游梁式抽油機曲柄銷接觸壓力分析
      機械工程師(2021年4期)2021-04-19 07:27:56
      小圓角棱線車門外板工藝設(shè)計
      淺析曲軸磨床的可靠性改進
      抽油機曲柄銷裝置失效分析及優(yōu)化對策
      連續(xù)展成磨削小半徑齒頂圓角的多刀逼近法
      一種曲軸豎置熱處理裝置設(shè)計
      基于急轉(zhuǎn)速度系數(shù)設(shè)計雙曲柄機構(gòu)研究
      基于支持向量機的曲軸動平衡控制方法
      內(nèi)圓角銑削加工幾何分析及銑削力預(yù)測
      兴山县| 曲阳县| 宁海县| 乐清市| 什邡市| 平顶山市| 信宜市| 台山市| 铜陵市| 清苑县| 陇川县| 荣成市| 旅游| 南平市| 桐柏县| 军事| 临海市| 龙井市| 丹棱县| 泾源县| 镇宁| 德令哈市| 乌兰浩特市| 科技| 安新县| 贵德县| 固镇县| 锡林浩特市| 巴青县| 揭东县| 漯河市| 德江县| 青岛市| 西安市| 泽普县| 台前县| 彰武县| 吉木萨尔县| 西林县| 紫阳县| 天祝|