1、毕 业 设 计 (论 文 )课 题 名 称 4125A 型柴油机曲轴结构有限元模态分析 学 生 姓 名 黄 奇 林 学 号 1141103044 系、年级专业 机械与能源工程系 指 导 教 师 胡玮军 教 师 职 称副 教 授2015 年 5 月 30 日邵阳学院毕业设计（论文）I摘 要曲轴是发动机的主要受力构件之一，也是发动机重要的构成部件，其尺寸和参数决定着发动机整体构成以及其性能和机构尺寸与发动机的寿命和可靠性。曲轴的工作环境决定曲轴受力比较复杂，曲轴不仅要受压力，惯性力还要受弯矩，由于曲轴受力比较复杂，所以在对曲轴进行设计时要求也比较高。为了避免曲轴在工作时发生共振，导致曲轴失效需要对
2、曲轴进行模态分析，这样可以求出曲轴共振频率，以及曲轴在工作时的振型及其载荷的变化规律，从而在设计时可以规避共振对曲轴损坏，这对提高曲轴的寿命和可靠性是很有效的。该课题研究的是 4125A 型柴油机曲轴有限元分析。通过 ANSYS 有限元分析软件对此柴油机的曲轴进行建模然后进行静力学分析和模态分析，由此可以了解曲轴在工作时所受的工作载荷，以及工作危险截面和曲轴工作的共振频率、振型。这样可以了解曲轴的实际工作情况，就可以在进行曲轴设计时合理的安排曲轴的结构和尺寸，在设计时采取各种措施提高曲轴危险截面的强度更好的规避曲轴的共振区间，以提高曲轴设计和工作的可靠性，减少开发周期，从而提高柴油机曲轴的设计
3、质量。1. 运用 ANSYS14.0 建立曲轴的三维实体模型以及确定网格单元的相关参数类型。2. 先在 ANSYS 中确定网格划分精度和网格划分密度等，然后对所建立的三维实体模型进行网格划分，限制模型的自由度以及对其进行加载力。3. 用 ANSYS 中的相关模块对所建立的三维实体模型进行静力学分析和模分析，就可以的得到相应的结果 关键字：曲轴；模态分析；有限元分析邵阳学院毕业设计（论文）IIABSTRACTCrankshaft is one of the main components of the engine and the important engine of the stress c
4、omponents, the size and parameters determines engine overall structure, performance and organization size and engine life and reliability. Crankshaft working environment decided to entertain the crankshaft complex, the crankshaft must not only pressure, inertia force but also by the moment, because
5、the crankshaft accept more complex, so in the design of the crankshaft requirements are relatively high, in order to avoid showing off the crankshaft at work when resonance occurs, resulting in failure of the crankshaft to the modal analysis of the crankshaft, so that we can find the resonance frequ
6、ency of the crankshaft, and crankshaft at work and the mode of vibration load variation, which in the design can avoid resonance of crankshaft damage, which to improve the service life and the reliability of the crankshaft isvery effective.The paper is on the study of 4125A diesel engine crankshaft
7、finite element analysis. Through the finite element analysis software ANSYS in this regard diesel engine crankshaft modeling and static analysis and modal analysis, then we can know the work load of crankshaft, and dangerous work section and crankshaft of resonance frequency, vibration mode. Thus th
8、e actual working condition of crankshaft can be in for the crankshaft design reasonable arrangement of the crankshaft structure and size to improve the crankshaft design and working reliability, At design time, take various measures to improve the strength of crankshaft resonance interval to avoid t
9、he dangerous section of the crankshaft，reduce the development cycle，So as to improve the design quality of the crankshaft of the diesel engine.(1) The use of ANSYS14.0 to build three-dimensional model of the crankshaft and theparameter determination unit and grid type.(2) first in ANSYS determine th
10、e meshing accuracy and mesh density, then carries onthe grid division of the three-dimensional solid model established, the restricted model degrees of freedom and the for loading.邵阳学院毕业设计（论文）III(3) Using ANSYS module in 3D model based on the static analysis and modal analysis.Keywords:Crankshaft; M
11、odal Analysis; Finite element analysis邵阳学院毕业设计（论文）目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 绪论 .11.1 现代设计理论和方法在柴油机设计中的应用 .11.2 柴油机曲轴有限元分析的目的和意义 .21.3 柴油机曲轴有限元分析国内外研究现状 .21.4 本论文的研究内容 .32 有限元理论及其分析软件 .52.1 有限元分析法 .52.2 ANSYS 软件的介绍 .52.3 ANSYS14.0 的分析流程 .62.4 影响有限元分析精度的因素 .72.5 提高有限元分析精度地方法 .83 柴油机曲轴三维模型的建立 .93.3 曲轴建模的准
12、备工作 .93.4 曲轴有限元模型的建立 .103.5 曲轴网格单元的划分 .163.6 本章小结 .184 柴油机曲轴的静力分析 .19邵阳学院毕业设计（论文）4.1 施加约束 .194.2 施加载荷 .194.3 柴油机曲轴的静力分析 .204.4 柴油机曲轴的静力分析结果 .214.5 结论分析 .215 柴油机曲轴的模态分析 .225.1 柴油机曲轴模态分析的概述 .225.2 模态分析的理论基础 .225.3 模态分析的基本方法 .235.4 模态分析的基本步骤 .235.5 模态分析结果 .255.6 结果分析 .326 结论与展望 .346.1 结论 .346.2 展望 .34参
13、考文献 .35/ 36邵阳学院毕业设计（论文）11 绪论1.1 现代设计理论和方法在柴油机设计中的应用柴油机是所有热机中热效率最高的，也是当今人类社会中应用最广的一种热机，它广泛地应用于包括汽车在内的各个领域。近年来，由于市场激烈的竞争，许多企业希望通过提高转速和增压等各种方法来提高柴油机的动力性能指标，以及改善它的经济性和排放性能等指标。在对通用非增压柴油机进行增压改进时，首先考虑的是原发动机主要受力零部件的结构强度以及动力性能是否满足增压的要求，这要求柴油机厂商通过技术积累以及结合国内外先进技术来提高自己的设计和制造水平。当下市场竞争越来越激烈，这就要求不断退出性能更高的产品并且缩短自身产
14、品开发周期，以满足市场需求。同时，为了提高产品质量以及降低生产成本，再设计产品时需做大量的分析实验和数据的处理，这都增加了设计的工作量，依靠传统手段进行分析和设计是不能满足现代设计要求的。所以当前各大发动机生产厂商在做产品设计时，大量采用现代设计理论和方法 1。柴油机设计的一个基本要求便是要保证其主要零部件在设计的使用期限内可靠的工作，同时又尽可能的减小柴油机的体积、重量。为了达到这一要求，就需要在设计过程中评估柴油机各个零部件的强度性能以及其可靠性，这就需要掌握零件的热负荷和机械负荷等性能以及其应力、应变的情况。传统设计方法的特点有：静态的、手工式的、经验的，而现代设计方法具有科学和动态特点
15、。这就是说，传统设计方法是被动的和重复的分析产品性能，而现代设计方法则可能做到主动的设计产品和参数 2。现代柴油机设计的重点应放在综合应用现代设计方法和理论，将复杂的柴油机工程问题抽象出来，然后建立该工程问题的物理和数学模型，并通过在计算机上进行分析、模拟实际的工程状况，这样就可以在设计阶段就将柴油机产品的性能以及未来产品品质确定下来。而无需试制出产品在检验产品的性能，现代设计方法和理论中的有限元分析技术和模态分析在柴油机设计上得到了不同程度的应用 3。随着计算机技术、数值计算方法以及有限元分析软件的发展。当前的国内外软件已经从单纯的结构设计，发展到变量设计和参数化设计阶段，在建立机体模型时所
16、需要花费的时间较少，大部分设计时间是用在对原机体进行调整和修改，利用 3D CAD 技术可大大提高设计的效率，曲轴的三维实体模型不但可以对曲轴进行静力学分析，还可以进行动力学分析计算，并邵阳学院毕业设计（论文）2且可以方便的转化为二维的工程图 4。1.2 柴油机曲轴有限元分析的目的和意义目前，柴油机设计应用更加向着大功率、高转速、轻质量的方向发展，与此同时它的刚度也不断减小，这使得曲轴等零部件的振动更加剧烈了，这直接影响了柴油机的可靠性和寿命。所以在柴油机进行产品设计开发过程中对其进行强度分析和模态分析就成为设计过程中必不可少的环节，因此，对柴油机进行动态特性的研究，揭示出外界振源与结构本身固
17、有特性之间的关系具有重要的意义 5。这向产品设计人员设计出低振动、高强度的柴油机提供了理论基础。曲轴是柴油机的重要部件之一，其尺寸参数在很大程度上影响着柴油机整体的尺寸和重量，曲轴也在很大程度上决定了柴油机的寿命和可靠性，且曲轴承担着在柴油机中承担着燃料化学能向动能转换的功能，因此，改善曲轴的性能在柴油机设计与改进中占有很重要的地位。曲轴也是柴油机中受力最复杂的零件，它承受着气缸内气体作用力、旋转运动惯性力以及往复运动惯性力引起的周期性变化载荷且要对外输出扭矩，所以曲轴要承受交变的扭转、弯曲和压缩的复合应力，同时还会产生扭转振动和弯曲振动。在周期性交变载荷的作用下，曲轴在柴油机工作频率会内产生
18、共振、附加动态应力，导致曲轴过早的出现扭转疲劳破坏和弯曲疲劳破坏。掌握曲轴在工作过程中载荷变化规律和振动规律，对提高曲轴寿命和可靠性具有十分重要的意义。1.3 柴油机曲轴有限元分析国内外研究现状当今世界科学技术飞速发展，汽车工业作为技术和知识密集型产业一直都是技术发展及应用的最前端。随着计算机技术的发展，利用有限元方法解决结构静、动态特性分析计算成为一种有效的辅助设计的手段与方法 6。有限元方法是结构分析的一种数值方法，随着计算机的发展应运而生，并得到了广泛应用 7。有限元方法是结构分析的一种计算方法，它是矩阵方法在结构动力学和弹性力学领域的应用和发展，它的基本思想是将弹性体划分为有限个计算单
19、元，并对每个单元用有限个参数来描述其力学特性，而整个连续弹性体的力学特性可以认为是这些小单元力学特性总和，由此建立起连续体的力平衡关系，这种方法常用于复杂弹性振动系统 8。作为一种现代设计方法，有限元技术越来越广泛地应用于汽车设计工程领域。由于邵阳学院毕业设计（论文）3其具有较高的简单的应用方法和广阔的计算能力深受工程界的欢迎，也是最有效的强度计算方法 9。柴油机零部件设计是有限元技术最早应用的领域之一 10。在发达国家和地区有限元技术早已成为一种基本的设计手段，如在柴油机产品开发中，有限元技术的应用提高了柴油机零部件设计的可靠性，缩短了设计周期，大大推动了柴油机工业的发展 11。尽管目前柴油
20、机有限元技术应用有了较大的进展，但在实际应用中也存在许多的问题，主要有： （1）采用特定类型的单元进行有限元分析时，计算精度和网格的密度之间没有可供参考的量化关系。但对复杂的缸盖、机体等分析模型，通常情况下，硬件资源很难达到所要计算的要求。今后，对特定的分析课题，这方面的研究具有重要的选题价值 12。 （2）对大多数几何结构复杂的零件如曲轴等，自动生成的有限元网格一般为四面体单元（该种单元精度不高） ，要达到一定的计算精度则网格必须具有相当的密度或提高单元的阶次，这样增大了计算量。六面体的使用可以在较小的计算规模下达到较高的计算精度，但这种单元的网格自动划分是比较困难的。复杂零部件六面体单元的
21、完全自动划分仍是有限元前处理技术方面一个很有意义的课题 13。 （3）柴油机曲轴的工作状态一般都比较复杂，全面准确地确定它的边界条件非常困难，特别是作动态分析，确定诸如激励等边界条件时，问题更为突出。另外，对铸造件的分析，铸造残余应力的确定无论从理论计算上还是实验都存在一定困难，影响此类零部件的分析精度 14。 （4）基于有限元法的优化分析是近年来 CAA（计算机辅助分析）领域的一项重要研究课题。有限元方法已经成为结构优化设计中常用方法。但是由于优化分析往往需要大量的迭代计算，特别是对于最具工程实用意义的 CAD 技术，在几何结构优化设计的迭代过程中需要重构有限元模型，这样一方面增加了计算量，
22、另一方面几何量变化后有限元模型的重新生成存在困难 15。 但其分析结果能到满足生产实际的要求。1.4 本论文的研究内容该课题研究的是 4125A 型柴油机曲轴有限元分析。通过 ANSYS 有限元分析软件对此柴油机的曲轴进行建模然后进行静力学分析和模态分析，由此可以了解曲轴邵阳学院毕业设计（论文）4在工作时所受的工作载荷，以及工作危险截面和曲轴工作的共振频率、振型。这样可以了解曲轴的实际工作情况，就可以在进行曲轴设计时合理的安排曲轴的结构和尺寸，在设计时采取各种措施提高曲轴危险截面的强度更好的规避曲轴的共振区间，以提高曲轴设计和工作的可靠性，减少开发周期，从而提高柴油机曲轴的设计质量。在本课题研究是所做的具体工作如下：1. 运用 ANSYS14.0 建立曲轴的三维实体模型以及确定网格单元的相关参数类型。2. 用 ANSYS 中的相关模块对所建立的三维实体模型进行静力学分析和模分析,就可以的得到相应的结果。3. 先在 ANSYS 中确定网格划分精度和网格划分密度等，然后对所建立的三维实体模型进行网格划分，限制模型的自由度以及对其进行加载力。
