基于 ANSYS 的小型風(fēng)冷柴油機(jī)曲軸優(yōu)化設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì) 2022-07-24

0引言

曲軸是影響柴油機(jī)可靠性最關(guān)鍵的零部件,是柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的核心構(gòu)件及傳力件?其功用是把氣缸內(nèi)工質(zhì)爆燃產(chǎn)生的能力通過活塞連桿組件以往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的形式輸出,不僅要承受缸內(nèi)的氣體力?往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力?扭轉(zhuǎn)力等的作用,處于一種連續(xù)交變的受力狀態(tài),環(huán)境惡劣?其可靠性和使用壽命對(duì)柴油機(jī)可靠性和安全性有很大的影響?隨著對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)性?可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求的不斷提高,曲柄連桿機(jī)構(gòu)的核心構(gòu)件曲軸的工作條件愈加苛刻,其強(qiáng)度和剛度的問題變得更加重要,在設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)曲軸的結(jié)構(gòu)型式?尺寸參數(shù)?材料與工藝進(jìn)行優(yōu)化,以求獲得最經(jīng)濟(jì)最合理產(chǎn)品?

小型風(fēng)冷柴油機(jī)因具有適應(yīng)性強(qiáng)?可靠性高?易輕量化?便于制造維修等優(yōu)勢(shì),得到了廣泛的應(yīng)用?但由于風(fēng)冷柴油機(jī)的曲軸熱負(fù)荷較水冷柴油機(jī)更高,對(duì)曲軸的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求?曲軸傳統(tǒng)的強(qiáng)度計(jì)算方法通常采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法或者曲軸類比設(shè)計(jì)法,曲軸初步設(shè)計(jì)完成后,造出曲軸樣品再進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)?隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)的要求,采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法改進(jìn)曲軸的設(shè)計(jì)已成為當(dāng)前最為有效的技術(shù)手段?

為此,本文應(yīng)用solidwork軟件建立某輕型風(fēng)冷柴油機(jī)曲軸的研究模型,用Ansys-Workbench軟件進(jìn)行某輕型風(fēng)冷柴油機(jī)曲軸與連桿的接觸應(yīng)力應(yīng)變分析,以獲得曲軸的受載變形情況和強(qiáng)度參數(shù),其研究結(jié)果對(duì)提高曲軸設(shè)計(jì)和工作的可靠性,減少開發(fā)周期,從而提高柴油機(jī)曲軸的設(shè)計(jì)質(zhì)量,并對(duì)柴油機(jī)曲軸的改進(jìn)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)提出一種可靠的研究方法,將對(duì)柴油機(jī)曲軸質(zhì)量?性能及壽命的提尚具有重要的意義?

1計(jì)算模型

1.1曲軸受力分析

圖1為曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖,O為曲軸旋轉(zhuǎn)中心,A為連桿小頭與活塞銷的鉸接點(diǎn),B為連桿大頭與曲軸的鉸接點(diǎn)?當(dāng)曲柄OB以O點(diǎn)為圓心做等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),活塞A點(diǎn)沿氣缸中心線做往復(fù)運(yùn)動(dòng),α為曲柄連桿機(jī)構(gòu)平面運(yùn)動(dòng)時(shí)曲柄轉(zhuǎn)角,r為旋轉(zhuǎn)半徑,β為連桿軸線偏離氣缸軸線的角度?具體計(jì)算如下:

1.2有限元模型的建立

采用soildwork軟件建立曲軸的三維實(shí)體模型,通過ANSYS19中的Workbench進(jìn)行有限元分析?柴油機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,為簡(jiǎn)化計(jì)算工作量,對(duì)曲軸模型做了相應(yīng)的處理?處理后的曲軸模型中沒有平衡重?省略了倒角?油孔?凸臺(tái)?鍵槽?螺紋等,有利于更加詳細(xì)地劃分有限元網(wǎng)格,提高計(jì)算效率?曲軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2,曲軸模型如圖2所示?

本文所研究柴油機(jī)曲軸材料為QT600-3,其材料特性參數(shù)如表3所示,采用的單元類型為Solid186,四面體網(wǎng)格單元長(zhǎng)度為10mm,實(shí)體模型劃分網(wǎng)格后,曲軸含有35355個(gè)單元,21956個(gè)節(jié)點(diǎn),曲軸網(wǎng)格劃分模型如圖3所示?在主軸頸與機(jī)體接觸面施加圓柱面約束(CylindricalSupport)和無摩擦支撐(FrictionlessSupport),在自由端止推面施加軸向位移約束,在連桿軸徑出施加軸承載荷(BearingLoad),大小等于曲軸受到的最大壓應(yīng)力6376.625N?曲軸施加約束和載荷后模型如圖4所示?

2有限元分析

圖5為曲軸的應(yīng)力分析結(jié)果,由圖5可知,在曲軸的連桿軸頸處應(yīng)力較大,最大應(yīng)力為76.426MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于QT-600-3材料的屈服強(qiáng)度120MPa,故曲軸的靜強(qiáng)度滿足要求?圖6為曲軸的位移云圖,由圖6可知,在曲軸的連桿軸頸處應(yīng)變最大,最大應(yīng)變值為0.000456mm,屬微小變形,可知曲軸的剛度也是足夠的?

3優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)分析曲軸受到最大應(yīng)力集中在主軸頸與曲臂?曲柄銷與曲臂連接處,且最大應(yīng)力都遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力?所以給予進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了改進(jìn)空間,可對(duì)曲軸可做尺寸優(yōu)化,以減輕曲軸的質(zhì)量,降低成本?將曲臂的直徑適當(dāng)減少,曲臂的上倒圓角減小,并減小曲臂長(zhǎng)度尺寸,將曲軸主軸頸尺寸加大,并縮小主軸頸直徑?優(yōu)化后曲軸的質(zhì)量由原來的即5209.25g,縮減到現(xiàn)在的即4205.12g,質(zhì)量減少19.28%,體積相應(yīng)少?

再次通過soildwork軟件對(duì)新曲軸進(jìn)行三維實(shí)體建模?進(jìn)行網(wǎng)格劃分和施加載荷,優(yōu)化后加載?約束與優(yōu)化前保持一致?

圖7為曲軸優(yōu)化后的的應(yīng)力分析結(jié)果,由圖7可知,在曲軸的連桿軸頸處應(yīng)力較大,最大應(yīng)力為76.426MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于QT-600-3材料的屈服強(qiáng)度120MPa,故曲軸的靜強(qiáng)度滿足要求?

圖8為優(yōu)化后的曲軸應(yīng)邊云圖,由圖8可知,在曲軸的連桿軸頸處應(yīng)變最大,最大應(yīng)變值為0.000656mm,仍屬微小變形,可知曲軸的剛度也是足夠的?

4結(jié)論

通過應(yīng)用Solidworks對(duì)曲軸進(jìn)行三維建模,并運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行仿真優(yōu)化,優(yōu)化仿真結(jié)果表明利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)曲軸進(jìn)行有限元仿真分析,可獲得較高的可靠性,對(duì)提高曲軸設(shè)計(jì)效率,提高曲軸性能,降低曲軸制造成本效果明顯?可借鑒于對(duì)柴油機(jī)其他部件參數(shù)性能進(jìn)行模擬分析,對(duì)柴油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是有很大幫助?