某型柴油发动机曲轴的强度分析及结构优化

摘要

近年来，对发动机零部件再制造成为科研焦点，在发动机所有零件中，曲轴是极为核心的部件，这是由于其在工作过程中总承受复杂的交变载荷，常会出现裂纹，甚至疲劳断裂的现象。因此，曲轴裂纹探测和修复也成为再制造的核心内容，而对曲轴强度分析是其他研究的基础。　　本课题通过ANSYS软件模拟曲轴在所有危险工况时的静态应力，以及模拟其在一个工作周期内的瞬态动力学结果。通过揭示应力变形规律，预测曲轴原有模型存在的危险性，提出优化曲轴强度的措施，验证优化前后模型的静动态应力的过程帮助实现整体应力峰值降低，整轴应力分布的均匀化，从而达到提高曲轴的强度，减少曲轴疲劳断裂失效的目的。　　首先，用UG软件建立曲轴模型，包括详细三维模型和简化后的模型。然后，通过对发动机以及曲柄连杆机构进行理论分析，得到示功图，连杆力变化曲线，发动机输出扭矩等参数，为后续有限元分析提供边界条件。　　另外，用ANSYS进行曲轴整轴模型静态应力分析，以最简的模型，最贴近实际的边界条件模拟真实危险工况。同时，对曲轴单拐模型进行一个工作周期内的瞬态动力学分析。更加全面的揭示了曲轴应力分布和变形规律，包括每个危险时刻曲轴应力变形情况和一个工作周期内曲轴应力变形情况。　　最后，根据强度分析结果预测曲轴存在的危险性，总结影响曲轴应力的因素，并提出通过改善圆角结构优化曲轴强度的意见。用APDL语言编程，对曲轴圆角结构进行参数化设计，得到最优参数组合，使对应力的大小和分布的优化达到最佳效果。从静应力和动态应力两个角度对比分析了新结构和原结构。　　本课题从多方面的角度对曲轴强度进行研究，也从不同的角度证明了阶梯型圆角结构对曲轴强度的优化作用。不仅讨论了总体应力峰值情况，而且讨论并改善了应力峰值的分布问题。对曲轴优化前后结构同时进行了横向和纵向应力情况的对比分析，且采用静强度和动应力相结合的方式，使研究更加全面。并总结出一套研究方法，包含分析曲轴强度，优化其结构以及验证此优化方案的过程。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 曲轴常见的损坏形式

1.3 国内外研究现状

1.4 曲轴强度研究方法

1.5 本文研究内容

第2章 发动机及曲柄连杆机构理论基础分析

2.1 发动机动力学分析

2.2 曲柄连杆机构力学分析

2.3 本章小结

第3章 曲轴静力学分析

3.1 静力学分析模型

3.2 有限元模型的建立

3.3 边界条件

3.4 曲轴在十二个工况下的有限元结果

3.5 曲轴在工况1下的有限元结果

3.6 曲轴在工况6下的有限元结果

3.7 曲轴在工况11下的有限元结果

3.8 本章小结

第4章 曲轴瞬态动力学分析

4.1 动力学分析模型

4.2 力边界条件

4.3 定义分析类型

4.4 位移边界条件

4.5 接触设置

4.6 求解设置及载荷加载

4.7 动力学分析结果

4.8 本章小结

第5章 曲轴结构优化

5.1 危险性预测及优化方式确定

5.2 圆角结构改进

5.3 圆角结构最优尺寸组合选定

5.4 最优尺寸圆角模型在十二个危险工况下的应力结果

5.5 改进前后的模型静力学分析及结果对比

5.6 改进前后的模型瞬态动力学结果对比

5.7 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间获得与论文相关的科研成果