大功率低速柴油机组合式曲轴性能分析及优化

摘要

曲轴作为整个发动机中最重要、最昂贵的零部件之一，起到将直线运动转为圆周转动的作用。曲轴的受损和破坏会导致发动机其他零件的损坏，使发动机无法正常工作，其稳定性在很大程度上影响了整个发动机的可靠性。尤其是随着经济的飞速发展，发动机的功率密度不断提升，对曲轴的要求愈加严苛。因此，对曲轴结构强度的分析，在整个发动机的研发设计和后期改进过程中都占据着极其重要的地位。
　　近年来，随着计算技术的不断进步和研究者们的不懈努力，对于发动机曲轴的研究取得了较大的进展，不断的改进已有的算法，使得计算结果更加精确。
　　随着计算机技术水平的发展，有限元法日渐成熟，在工程领域得到了越来越广泛的应用，特别是在发动机零部件设计方面发挥着越来越重要的作用。作为一种通用的数值分析方法，有限元法是模拟和解决复杂结构的一种有效的辅助手段，是CAE领域的重要组成部分，也是最有效的强度和疲劳分析方法。
　　本文作者以下几大方面对中基5S60MC柴油机曲轴进行了分析研究：
　　1、在参考大量曲轴分析文献的基础上，运用连续梁法对曲轴整体模型进行初步的应力计算，把计算的结果作为接下来进行的三维有限元分析的力边界条件，建立相应的有限元计算模型。
　　2、在UG中建立曲轴的三维模型、单拐模型，并将建立好的模型文件导入到前处理软件Hypermesh中，进行前处理，其中包括网格划分、材料定义、边界条件，最后导入到ANSYS中，建立曲轴的三维有限元模型。
　　3、使用ANSYS对曲轴的三维有限元模型进行静态求解，分别求得在各缸爆发工况下曲轴的应力云图以及出现最大应力位置。根据应力的计算结果，按照船级社的标准，校核曲轴的疲劳强度。并根据以上计算，对曲轴的改进设计提出合理的建议。通过，对曲轴的动态特性进行分析，计算曲轴前8阶非零模态，得到其振型图和频率。
　　4、根据中国船级社标准，对曲柄和主轴颈之间的过盈量进行讨论，得到合理的过盈量选取范围，从理论上论证中基5S60机型过盈量选取的合理性。使用ANSYS导入主轴颈和曲柄的过盈装配模型，设置合理的接触参数值，建立了曲柄和主轴颈的接触模型。对组合式曲轴的接触模型进行有限元模型，得到曲轴的应力和应变云图。分析论证船舶柴油机使用组合式曲轴的合理性。
　　5.由于缺乏试验数据的论证，本文作者对拥有试验数据的曲轴模型使用本文的方法进行校核，从而论文了本文工作的有效性。

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第一章 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 国内外曲轴研究现状

1.3 本文所做的主要工作

第二章 有限元相关理论及技术路线

2.1 有限元分析方法

2.2 接触问题有限元法

2.3 有限元软件ANSYS简介

2.4 技术路线

2.5 本章小结

第三章 曲轴应力计算与分析

3.1 5S60 MC机型各项参数

3.2 曲柄连杆机构力学分析

3.3 曲轴疲劳强度分析原理

3.4 本章小结

第四章 整体式曲轴有限元分析

4.1 有限元模型的建立

4.2 有限元计算结果分析

4.2 优化措施及计算论证

4.3 曲轴疲劳强度校核

4.4 整体式曲轴的动态性能分析

4.5 本章小结

第五章 组合式曲轴接触有限元分析

5.1 主轴颈和曲柄之间的过盈配合

5.2 组合式曲轴接触有限元

5.3 求解及结果分析

5.4 本章小结

第六章 曲轴仿真结果试验论证

6.1 曲轴试验方法简介

6.2 整体式曲轴的疲劳强度计算方法论证

6.3 曲轴动态性能试验验证

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本文总结

7.2 本文工作展望

致谢

参考文献