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有限元分析的曲軸零件強度分析

發(fā)布于:2018-04-12 18:43
有限元分析

       曲軸是發(fā)動機上的一個重要機件,裝上連桿后,可承接連桿的上下(往復)運動變成循環(huán)(旋轉)運動。在工作過程中,曲軸常見的損傷形式有軸頸磨損、彎扭變形和斷裂等,其中斷裂事故的危害性最大。因此,選擇可靠、全面的有限元分析工具對曲軸的強度進行計算和校核,找出斷裂破壞的原因,以改進設計方案,確保安全生產(chǎn)。有限元分析是在結構分析領域中應用和發(fā)展起來的,它不僅可以解決結構分析問題,還可以解決傳熱學、流體力學、電磁學等領域的問題。下面介紹應用ANSYS軟件對曲軸零件的強度分析過程,曲軸的強度分析屬于ANSYS最常用的結構分析領域。
       建模是有限元分析問題的第一步,利用當前CAD與CAE軟件的數(shù)據(jù)交換技術,應用UG軟件建立曲軸的三維立體模型,保存為IGS的中間數(shù)據(jù)格式,然后導入ANSYS中進行分析,導入后的模型如圖所示。圖示曲軸由主軸頸、連桿軸頸、曲柄、平衡塊、前端和后端組成,主軸頸是曲軸的支承部分,通過主軸承支承在曲軸箱的主軸承座中。本例中采用了非全支承的方式,這種支承的主軸承載荷較大,但縮短了曲軸的總長度,使發(fā)動機的總體長度有所減小。在建模過程中需要注意簡化處理盡可能少。為了使計算模型和原結構盡可能等效,只對軸端便于安裝的工藝倒角做了簡化處理,特別需要注意在結構受力的關鍵部位,比如曲軸臂與主軸頸、曲軸臂與連桿軸頸連接處的圓角過渡都不可以隨意簡化。圖示曲軸材料為碳素結構鋼,彈性模量和主泊松比分別為E=2.1xe5MPa;u=0.30建立好實體模型,設定好合適的單元屬性,而后進行網(wǎng)格劃分。對模型進行網(wǎng)格劃分時應針對不同的圖元模型采用不同的網(wǎng)格劃分操作。圖所示曲軸的結構中,采用Sweep網(wǎng)格劃分方法對主軸頸和連桿軸頸部分進行劃分,網(wǎng)格密度設定為0.03;采用Free網(wǎng)格劃分的方法對曲軸臂部分進行精度為6的網(wǎng)格劃分。
       選擇合適的載荷或邊界條件對分析結果的精度有重要影響,結構靜力分析的載荷有自由度約束、集中載荷、面載荷、體載荷和慣性載荷五種。根據(jù)對該曲軸零件的受力分析,將電機端和曲拐處承載的扭矩簡化為集中力載荷施加,沿y,z方向的關鍵點載荷編號及載荷值,并約束相應的軸頸面的位移,得到與原系統(tǒng)等效的計算模型。施加完位移約束后,將實體模型上的位移約束轉換到有限元模型上,載荷示意如圖所示。前處理的工作完成后,和原系統(tǒng)等效的物理系統(tǒng)就構建完畢,接下來的工作就是求解描述該等效物理系統(tǒng)的線性方程組,ANSYS提供了稀疏矩陣求解器、迭代求解器、波前求解器等。本例中選擇了ANSYS默認的程序選定求解器進行求解。
       結果后處理就是對求解器的結果進行查看和分析,可以通過通用后處理器和時間歷程后處理器完成處理。本例中選擇通用后處理器分別查看圖形顯示變形形狀和圖形顯示節(jié)點平均等效應力結果。圖表明:最大變形量發(fā)生在前、后主軸頸及曲拐處,兩端的變形會導致主軸頸的同軸度誤差超過0.05mm,形成彎扭變形的損傷形式;除集中載荷作用處的幾個應力集中部位外,結構的高應力區(qū)主要集中在曲拐處的連接部位,是結構的危險區(qū)域,可能引起斷裂事故的發(fā)生。為了增強該曲軸工作的可靠性,應從結構、材料和尺寸等方面減小應力集中,以避免斷裂這樣的大事故的發(fā)生。
       應用有限元軟件ANSYS分析的方法,能設置曲軸工作時的各項參數(shù),且計算精度較傳統(tǒng)理論公式計算要高;利用ANSYS的圖形顯示功能,可以直觀、簡便地對曲軸的變形和應力分布情況進行分析。通過分析其受力變形,約束相應的軸頸面位移和集中載荷的施加,可綜合得出曲軸的變形圖和應力分布圖,為曲軸的結構優(yōu)化設計提供可靠依據(jù)。


                                                                                  專業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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