某型单缸柴油机曲轴的有限元校核与改进设计.doc
《某型单缸柴油机曲轴的有限元校核与改进设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《某型单缸柴油机曲轴的有限元校核与改进设计.doc(40页珍藏版)》请在沃文网上搜索。
1、 摘 要曲轴是汽车发动机中最重要的部件之一,其承受的负荷也十分复杂,因此曲轴的尺寸参数对发动机的性能和寿命都有着直接的影响。本设计根据某型单缸柴油机曲轴的参数,使用Pro/ENGINEER软件进行三维实体建模,并以Pro/MECHANICA对此柴油机曲轴在实际工作中受到的最大爆发压力和最大拉力进行有限元分析,根据两种工况下曲轴的应力分布情况,对其进行优化改进,使其强度符合发动机的工作要求。 关键词:曲轴;应力;有限元;Pro/E;改进ABSTRACTCrankshaft is one of the most important parts of an automobile engine, an
2、d the load it can support is also very complicated. Therefore, the size and the parameters of the crankshaft have a direct impact on the engine performance and life. This design is according to one type of the parameters of single-cylinder diesel engine crankshaft, using Pro/ENGINEER software to thr
3、ee-dimensional solid modeling, and using the Pro / MECHANICA to do finite element analysis on the maximum explosion pressure and maximum tension in practical work of this crankshaft. And to optimize and improve it under both conditions of the stress distribution of the crankshaft, make the strength
4、meet the operational requirements of the engine. Keywords: Crankshaft; stress; FEA; Pro / E; improve目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论11.1 课题的意义及背景11.1.1 课题的来源11.1.2 课题的研究目的11.1.3 设计的主要工作21.2 绪论小结2第二章 Pro/E及有限元简介32.1 Pro/E软件32.1.1 Pro/E软件介绍32.1.2 Pro/MECHANICA介绍32.2 有限元介绍42.2.1 有限元的历史和基本概念42.2.2 有限元在产品设计中的应用5
5、2.2.3 有限元法的发展趋势5第三章 曲轴的三维模型建立63.1 曲轴初始参数及零件图63.1.1 曲轴的基本参数63.1.2 曲轴零件图63.2 曲轴的三维模型建立7第四章 曲轴有限元分析194.1 曲轴的设计参数及材料特性常数194.2 曲轴的受力分析194.2.1 曲柄连杆机构运动学194.2.1 曲轴受压分析204.2.2 曲轴受拉分析214.3 曲轴的网格划分224.4 曲轴的约束与载荷施加234.4.1 受压时约束与载荷234.4.2 受拉时约束与载荷244.5 曲轴有限元计算结果及分析244.5.1 受压时应力及应变图244.5.2 受拉时应力及应变图254.6 本章小结27第
6、五章 曲轴的优化改进285.1 曲轴的改进285.1.1 改进方案285.1.2 改进后的零件图285.2 改进后的三维建模295.3 改进后的有限元分析295.3.1 网格的划分295.3.3 改进后拉应力分析315.4 本章小结33第六章 设计总结34参 考 文 献35致 谢3635四川理工学院毕业设计第一章 绪 论 1.1 课题的意义及背景1.1.1 课题的来源自从第一台柴油机诞生至今已有一百多年的历史,与汽油机相比,柴油机拥有更大的压缩比,更强的动力,其排放性也逐步超越了普通汽油机。随着柴油机技术的不断发展,它的应用是愈加广泛,当今的柴油机已经摆脱过去那种污染大噪音大的形象了。发动机曲
7、轴是发动机中最为重要、载荷最大的零件之一,它的功用是将发动机各缸活塞的往复功汇总起来,并以回转运动的形式传递给飞轮,然后对外输出做功。所以其尺寸参数,结构和曲轴的加工工艺水平对发动机的寿命及其工作可靠性都有着至关重要的影响。因此对曲轴进行分析研究是发动机制造设计中必不可少的一步。1.1.2 课题的研究目的一个好性能的产品需要有高水平的设计,例如本设计的发动机,其曲轴设计的优劣性直接决定了发动机的性能。在发动机中,活塞与连杆相连,连杆又与曲轴相连。在做功过程时,气缸内的气体膨胀推动活塞向下运动,而连杆将此爆发压力以直线运动传递给曲轴。在活塞上行时,活塞与连杆的惯性力又拉动曲轴进行回转运动,曲轴处
8、在一种连续变换的受力状况下,因此曲轴必须保证足够的强度与刚度,避免在复杂的工作中发生疲劳断裂,造成发动机的直接报废和重大的事故。为了提高保证曲轴的工作安全性,加大曲轴的尺寸截面积固然可行,但这样势必会造成对整个发动机设计的阻碍,而且曲轴截面尺寸过大对动力传输也有一定的影响。因此不能只从简单的加厚加宽等方面进行改进,而是从曲轴的材料选择,加工工艺如圆角等地方进行一定的优化,从而既使曲轴的强度刚度达到了要求,也控制了尺寸和质量。针对上述的改进特点,目前有限元技术随着计算机科学越来越快的发展,其运用在发动机和其他几乎所有工程类分析中都十分的普遍了,因此采用计算机有限元分析对曲轴的性能进行研究不仅十分
9、简易,而且其分析结果精度高,准确率高,效率快的特点也很重要。1.1.3 设计的主要工作本设计的主要工作分为以下几个部分:1、学习并熟练掌握Pro/E软件的操作,根据本设计所给的曲轴零件图纸进行三维实体建模。2、运用Pro/E软件中的Mechanica程序,对已有的曲轴三维模型进行有限元的分析。并根据分析结果对原有曲轴进行优化及改进。3、按照已改进后曲轴的尺寸参数进行再次三维实体建模,并进行有限元的校核,完成最终曲轴零件图的改进设计。1.2 绪论小结本章主要对本设计的要求及方法进行了一定的叙述,简单的分析了曲轴的工作情况及其在发动机中的重要性,并简要的介绍了有限元法在次设计中的作用及运用。第二章
10、 Pro/E及有限元简介2.1 Pro/E软件2.1.1 Pro/E软件介绍Pro/E是美国PTC公司旗下的产品。1985年,PTC公司成立于美国波士顿,开始参数研究。1988年,V1.0版本诞生。经过10余年的发展,Pro/E已经成为三维建模的领头羊。Pro/E是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件,在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位,并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广,是现今最成功的CAD/CAM软件之一。Pro/E软件以其强大的单一数据库体系结构为基础,基于特征建模、参数化、全相关单一数据库等主要特点,为产品提供了从设计、装
11、配、制造、分析、数据管理、二次开发等一系列完整的解决方案,是目前最优秀的机械设计自动化软件之一,其功能强大的三维产品设计系统已经在自动化、机械、汽车、电子电器、模具、医疗器械、航空航天等众多恒业和部门得到了广泛的应用。曾经引发了机械设计自动化领域的革命性变化,是目前最优秀的、最具有名气的机械设计自动化软件之一。这次设计首先运用Pro/ENGINEER5.0对曲轴建立一个三维实体模型,再使用Pro/MECHANICA程序为分析平台对曲轴的三维模型进行拉应力及压应力的有限元分析,为曲轴的改进设计提供依据。2.1.2 Pro/MECHANICA介绍Pro/MECHANICA可以分为以下3个模式:1、
12、 FEM(Finite Element Modeling)模式FEM模式没有求解器,能够完成对模型的网格划分、边界约束、载荷、理想化等前置处理,随后需要使用第三方软件进行求解,如NASTRAN、ANSYS等。在为安装Pro/MECHANICA的环境下,FEM模式同样可用。2、 集成模式(Integrated mode)集成模式运行与Pro/ENGINEER平台之上,操作界面与Pro/ENGINEER相同,能够直接实用Pro/ENGINEER的参数进行分析及优化。在Pro/ENGINEER环境中点击下拉式菜单“应用程序”Mechanica即可进入集成模式。3、独立模式(Independent M
13、ode)独立模式不需要Pro/ENGINEER平台的支持,能够独立运行,可导入第三方软件的模型,功能要比集成模式稍强,但与Pro/ENGINEER的集成性不佳,其操作及界面更接近UNIX环境,较不容易掌握。2.2 有限元介绍2.2.1 有限元的历史和基本概念在古代,那时候的数学家就将一个内接于圆的多边形逼近圆的周长来估算值。把一个圆当作成一个有限个多边形,将预测的值几乎精确算到了40多位数字。1941年Hrennikoof第一次提出了所谓的网格法,在其著作中谈到了有限元法的关键特性,但并未正式提出。在1960年Clough第一次用了“有限元”这个名词,之后,关于有限元应用的著作就剧增起来。最近
14、20多年来,有限元法已经成为一种能分析复杂结构的强大工具。其用途已经广泛的运用于工程结构、流体运动、传热等方面。随着计算机技术的发展,使得有限元能模拟解决许多实际问题,发展前景越来越广阔了。有限元法(Finite Element Method,FEM),也被称作有限单元法或者有限元素法。他的基本思路是把我们所需要的求解区域离散成为一组有限个数并且有着一定方式仍然互相连接在一起的单元组合体。他可以依据不同的分析学科,导出每一小单元的方程,把这一个个的方程组成一个整体结构的系统方程,然后对系统方程进行求解,得出结果。2.2.2 有限元在产品设计中的应用在目前工程技术领域,最常运用的数据模拟办法就是
15、有限元法。有限元因其运算功能强大,处理方法灵活,实用性广等特点在工程领域中被广泛认可。有限单元法在产品零件设计中的作用越来越重要,运用有限元法不仅可以在虚拟中实际模拟出零件,从而对零件进行改进、优化、分析,这样做既大大的缩短了零件的设计周期,也很大的提高了设计精准以及设计的合格度。因此不论是曲轴还是其他零件,在设计改进时使用有限元法已经是一道默认的步骤了。2.2.3 有限元法的发展趋势最近这些年的发展中,有限元分析逐渐趋于分析系统,它的分析已经不仅仅只局限于零件的分析。随着计算机技术与计算机硬件性能的飞速提升,更加强大的有限元分析软件也会随之产生,使使用者们能快速建立出更准确、更复杂的三维模型
16、,以及提供更强大精确的分析结果与解决方法。以后有限元的发展将逐步完善和应用其高精度理论,有限元分析中的静态、线性、简单模式也将逐步扩大其运用范围。求解能力更加强大,分析系统中的的分界线也将越来越模糊。第三章 曲轴的三维模型建立3.1 曲轴初始参数及零件图3.1.1 曲轴的基本参数柴油机为四冲程,卧式,水冷,自然吸气,直喷式燃烧室;柴油机最高转速2400r/min,最大功率:5.8kW, 柴油机最大爆发压强,柴油机气缸直径85mm,柴油机连杆质量880g,柴油机气缸直径85mm,活塞及活塞销质量750g。3.1.2 曲轴零件图图3-1 曲轴零件图3.2 曲轴的三维模型建立1、运行Pro/E5.0
17、,在工具栏中点击文件,新建一个模型,类型选择零件,子类型选择实体。2、点击旋转选择TOP平面为草绘平面,并确定中心线,在草绘界面绘制如下图形图3-2 旋转草绘选择确定,在旋转角度中输入360,点击确定,即生成曲轴体图3-3 旋转体3、点击拉伸、移除材料,选择TOP基准面草绘切槽的形状,首先切出长方形槽,再在切出的长方形面上切半圆的槽,最终形成U型键槽。图3-4 草绘键槽图3-5 草绘半圆图3-6 键槽4、点击拉伸,选择刚才绘制的曲轴体末端表面为草绘面,绘制直径为45mm的圆点击确定,输入拉伸长度25,点击确定,即可生成曲轴主轴颈。图3-7 主轴颈5、绘制曲臂和上一步一样,点击拉伸,选择末端平面
18、为草绘面,根据给定零件数据进行草绘,点击修改修改各个参数,拉伸出厚度为20mm的曲臂。图3-8 曲臂6、同上在曲臂上部拉伸出一个2mm的台阶面,选择上一个曲臂的末端表面,选取上半圆为参考面,绘制同样大小的圆,并进行拉伸,即得到2mm的台阶面。在台阶面上继续点击拉伸,绘制出曲轴销,长度为25mm,直径为58mm。图3-9 台阶面图3-10 曲柄销7、为了倒曲臂上部的部分圆角比较棘手。首先点击打开倒圆角工具,选取曲柄的上半圆的弧线,点击集,在集中点击细节,如下图设置部分环。图3-11 部分环设置好部分环后,再回到集,在半径栏中右键选择添加半径,添加如下图。输入好后,最后点击确认最后得到所需圆角。图
19、3-12 部分环半径图3-13 部分环圆角8、因为曲柄销左右两端对称,曲柄参数相同,主轴颈参数相同,即可按照47步绘得如下。图3-14 曲轴9、在绘制好的主轴颈末端表面继续草绘,拉伸出直径为30mm,长度为50mm的轴。图3-15 曲轴10、绘制放置飞轮的轴,在第9步末端表面,拉伸出直径25mm,长度33mm的轴。图3-16 飞轮轴绘制好此轴后,点击拉伸、移除材料选择TOP平面为放置面,进入草绘,绘制键槽的长方形部分。图3-17 草绘键槽在工具栏部分选择向两边延伸,长度为8mm。确认后即可得到长方形部分键槽。图3-18 移除材料切好长方形部分后,再次点击拉伸、移除材料,选择键槽底面草绘面,绘制
- 1.请仔细阅读文档,确保文档完整性,对于不预览、不比对内容而直接下载带来的问题本站不予受理。
- 2.下载的文档,不会出现我们的网址水印。
- 3、该文档所得收入(下载+内容+预览)归上传者、原创作者;如果您是本文档原作者,请点此认领!既往收益都归您。
下载文档到电脑,查找使用更方便
20 积分
下载 | 加入VIP,下载更划算! |
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 某型单缸 柴油机 曲轴 有限元 校核 改进 设计