V8发动机曲轴的动态特性研究与结构优化

论文摘要

曲轴是柴油机中最重要的零部件之-，它承受复杂、交变的冲击载荷，从而使曲轴有着复杂的动态特性，其动态特性的好坏直接影响到柴油机的工作可靠性、经济性及整机寿命.因此对曲轴的动态特性进行理论和实际的研究分析具有重要的现实意义。传统分析方法的简化难以满足实际的需要，本文运用有限元法和多体动力学仿真相结合的方法，建立V8柴油机曲轴轴系在实际工况下的多体动力学模型，进行曲轴的动力学仿真计算，研究曲轴在即定工况下的实时动态响应，确定危险部位及极限应力，并进行结构优化。本文应用Solidworks软件和多体动力学仿真软件ADAMS,有限元分析软件ANSYS，构造了一个柴油机曲轴轴系（曲柄连杆机构）的虚拟样机模型。基于这个虚拟样机模型，用ADAMS软件进行了运动学、动力学分析，计算出各构件在任意时刻、任意位置的运动规律（位移，速度，加速度等）和构件间的作用力，得到了发动机工作过程中作用在曲轴上的动态载荷，运用有限元分析软件对曲轴进行较为精确的应力、变形分析，从而得到曲轴在整个工作行程中的响应，并给出了动态仿真过程。从而可以找到曲轴工作时的危险部位，通过强度校验对曲轴进行优化。研究结果表明，利用虚拟样机技术，结合有限元分析手段可以完成发动机曲轴的动力学响应分析工作，获得了很好的仿真结果，同时对于发动机曲轴的改进设计，提高发动机设计水平及提高发动机整机性能有着重要意义，是既经济又有效的科学化手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的目的与意义
• 1.2 发动机曲轴的研究和应用概况
• 1.2.1 发动机曲轴的研究概况
• 1.2.2 发动机曲轴国内外研究概况
• 1.3 论文的主要研究内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 关键性问题
• 1.3.4 技术路线
• 第2章 多体动力学基础理论
• 2.1 多柔体系统动力学的基础理论
• 2.1.1 多柔体系统中的坐标系
• 2.1.2 相对变形场的描述
• 2.1.3 变形体上任一点的位移、速度和加速度
• 2.1.4 多柔体系统动力学中广义力
• 2.2 多柔体系统动力学方程
• 2.2.1 运动约束方程
• 2.2.2 系统方程
• 2.2.3 多柔体系统动力学方程的求解
• 第3章 曲轴轴系动力学仿真模型的建立
• 3.1 曲轴系动力学模型机构简介
• 3.2 曲柄连杆机构的运动学分析
• 3.2.1 活塞和连杆的运动计算
• 3.3 曲柄连杆机构动力学分析
• 3.3.1 曲柄连杆机构的质量分布
• 3.3.2 曲柄连杆机构中的作用力
• 3.4 有限元模型的建立
• 3.4.1 几何模型的导入
• 3.4.2 单元类型的选择
• 3.4.3 定义材料属性
• 3.4.4 有限元网格的划分
• 3.5 有限元模型设定
• 3.5.1 设定主自由度和主自由度节点
• 3.5.2 曲轴有限元模型验证
• 3.6 曲轴系动力学模型的建立
• 3.6.1 ADAMS 建模实现
• 3.7 施加主动载荷及约束
• 3.8 曲轴系仿真结果
• 3.9 本章小结
• 第4章 曲轴有限元分析及结构优化
• 4.1 载荷状况确定
• 4.2 边界条件的处理
• 4.2.1 轴颈分布载荷计算
• 4.2.2 曲轴旋转惯性力和重力
• 4.2.3 相邻曲拐传递的扭矩
• 4.2.4 曲轴约束条件处理
• 4.3 基于动力学仿真的曲轴动态应力计算
• 4.3.1 应力分析
• 4.4 曲轴强度校核
• 4.4.1 曲轴疲劳强度安全系数校核
• 4.5 曲轴优化
• 4.5.1 优化结果分析
• 4.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果
• 致谢