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科学指引
今日材料 期刊 4 (2017) 11292–11299 www.materialstoday.com/procedings
AMMMT 2016
用ANSYS对客车曲轴进行建模和分析
P.Thejasreea, G.Dileep Kumarb, S.Leela Prasanna Lakshmic
aSree VidyanikethanEnggineering College,A.Rangampeta,Tirupati and 517102,A.P.,India, Email: thejasree.p@gmail.com
bSree VidyanikethanEnggineering College,A.Rangampeta,Tirupati and 517102,A.P.,India, Email: dileep.309@gmail.com cMJR College of Engineering and Technology,Piler,Chittoor Dist.,A.P.,India, Email: smpl.lakshmi@gmail.com
文摘
曲轴是IC发动机的重要组成部分之一。由于曲轴的机械性能直接影响发动机的可靠性和寿命，因此在设计中必须保证曲轴的刚度。因此，利用ANSYS软件对曲轴模型进行应力分析是非常必要的。本文首先将发动机零件的三维模型建立在软件CATIA V5中，然后将其转移到“ANSYS”中。对曲柄扭扭变形和应力的分析提供了一种概念上的支持，通过减少重量来提高设计。
copy; 2017年爱思唯尔有限公司版权所有。
根据先进材料、制造、管理和热科学的职责选择和同行评审(AMMMT 2016).
关键词:曲轴;应力分析;ANSYS;重量减少。
1. 介绍
现代动力列车现在正面临一系列的冲突，包括排放、燃料消耗、噪音以及振动水平等。这就迫使我们建立了一些方法，以确保燃料经济性、减少废气排放和高功率，从而通过轻量发动机部件的开发提高发动机的机械性能。对曲柄的应力分析，为发动机设计的减重和改进提供了一个有价值的概念依据。在这些分析结果的基础上，提出了在不影响发动机性能的情况下，将曲轴的重量降低到一定程度的概念。
在目前的工作中，采用了一种曲柄投掷模型来计算曲轴的静强度。这些分析技术使用多体模拟工具来准确预测发动机组件的操作负载。摘要从CATIA V5软件中获得的曲轴系统的三维模型，对曲轴的运动和载荷进行了分析，并对其进行了分析。曲轴的有限元模型。
2214-7853 copy; 2017年爱思唯尔有限公司版权所有。
根据先进材料、制造、管理和热科学的职责选择和同行评审。 (AMMMT 2016).
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从超网格导出到ANSYS进行静力分析，确定了曲柄销的变形和应力分布。
Martin Rebbert在他的研究中研究了FEV虚拟引擎的不同建模方法。本文对曲轴耐久性计算技术的结果进行了讨论。
根据Pravardhan的说法，曲轴是由质量和气体载荷作用的。在活塞上作用的气体载荷被转移到曲轴上，而引起运动的惯性载荷也作用于曲轴上。压力力最大对应于峰值扭矩点，而惯性力则最大与最大发动机转速相对应。
Farzin H Montazevsadgh和Farzin H Montazevsadgh 调查了锻造钢曲轴的重量和成本最小的范围。通过对滑块曲柄机构的动力学分析，实现了负荷分析，该机构是曲轴、连杆、活塞的组合。通过对引擎的ADAMS建模，选择了合理的方法来确认结果。摘要有限元分析(FEA)的有限元分析模型在有限元分析的基础上进行了有限元分析，结果表明，在整个发动机循环过程中，曲轴几何的不同位置产生了应力的历史。
摘要对四冲程发动机的单缸曲柄投掷进行了分析。然而，由于多缸发动机的研究和分析的基础是相同的，所以采用不同的发动机的曲柄轴的方法可以改变和实现。曲轴尺寸的几何变化和曲轴材料的变化被认为是降低曲轴重量和成本的潜在来源。摘要研究了曲轴减重的机会，并在此基础上提出了一种轻型曲轴。
2.曲轴机构和力分析
2.1. 曲轴的机制
曲轴是一种复杂的结构，它将活塞的往复位移转换成一个带有四连杆机构的旋转运动。它由曲柄销、臂或网组成。曲柄销与连杆的大端连接在一起，而曲柄连接曲柄销和轴的部分。曲轴由主轴承和曲柄销轴承组成。
使用曲轴的感觉是将这些不同寻常的位移转换成平稳的旋转输出，这反过来又被用作许多设备的输入，例如泵、压缩机和发电机。
2.2. 汽车的压力计算
最大的燃烧压力是在活塞表面上施加载荷。在TDC的位置上，汽车的压力将最大，而在TDC位置后，最高的点火压力将以15-20的角度发生。
P1是大气压强(1.1条)和P2是汽车的压力
因此
v1/v2是压缩比，特定热比的值是1.4
该发动机的峰值点火压力用于计算在活塞表面上的等效力。对活塞表面的等效力是由以下关系给出的。因气体负荷而在活塞表面的等效力:
FG =燃烧压力峰值times;
2.3. 滑块曲柄机构的受力分析
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在往复式发动机中，往复式发动机的前半段时间里，往复式的质量会受到加速度的影响。往复运动的惯性力与活塞的合力作用是相反的。
在下半冲程，往复式的质量会受到延迟，导致活塞的合力增加。由于在工作周期内气体流体的压力不保持恒定，活塞上的气体负荷在整个工作周期中都有变化。
考虑到活塞在活塞的作用下的气体载荷和惯性力，对活塞的合力是由以下关系给出的:
FP = FG - FI
当旋转部件(旋转部件的质量)X(往复式部件的加速度/延迟)时，
旋转部件的质量为r/g。
往复式的加速度
n是连杆长度与曲柄半径的比值(n= L/R)
因此，往复运动的惯性力
由于活塞是往复式发动机，当活塞下降时，活塞的重量增加了气体的负荷，但是活塞上升时，气体负荷减少了。因此，活塞的合力是由以下关系给出的:
3. 用Ansys分析曲轴
3.1. 有限元方法
摘要采用有限元法(有限元法)对曲轴应力进行了估计。在设计曲轴时，具有最优的经济成本和局限性，数值模拟是最佳的工具。有限元分析提供了一种简便、廉价的研究随机对输入参数的研究，并结合设计条件和生产条件对其进行评估。
3.2. 模型建设
通过逆向工程技术，在CATIA V5中创建的曲轴被导出到亚当/view环境中，执行运动学和动力学分析，以确定这些部件的位移、速度、加速度和作用。以不同的速度进行了仿真实验，并确定了负载。在确定了合适的材料性质和边界条件后，建立了有限元模型，并对其进行了静态结构分析。
3.3.汽车的技术规格
被选中的商业曲轴是塔塔公司的V2 DLS。表1描述了所选车辆的规格。
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表1。塔塔的规格说明 |
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类型 |
塔塔指示V2 DLS，4缸直列式发动机 |
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最大输出值 |
61 HP @ 4500 rpm |
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最大转矩 |
123 Nm @ 2500 rpm |
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位移 |
1405 cc |
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孔径 |
75 mm |
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Stroke |
79.50 mm |
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轮胎 |
165/65 R13 |
3.4. 将曲柄式投掷模型导入ANSYS
在应力分析中简化曲轴模型是使用最少的计算机资源的必要条件。由于柴油机的曲轴在其结构中是对称的，而所有的曲柄抛出都是精确的，一个曲柄投掷模型就足以进行静态分析了。在此工作中，选择了一个曲柄投掷模型来估计曲轴的静强度。
该模型由CATIA软件生成。在模拟结果中，几乎没有影响模拟结果的小的设计特征，如舍入法和油孔，在模型中得到了简化。然后将该模型导入ANSYS软件。
3.5. 曲轴有限元模型
有限元建模是将几何图形分成若干个称为“元素”的小块的过程。然后用有限元法对模型进行了分析。由于曲轴是一种可靠的模型，因此采用了几何实体的离散化方法。这一过程中使用了一个较低的8-no固态元素。使用了3毫米的网格大小。创建了十图1。曲柄销的网状模型六进制网格。
图1显示了曲轴的网状模型。
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3.6. 边界条件
曲柄投掷模型由两种类型组成，即边界条件的荷载和约束类型。力学边界条件主要包括:重力、离心力、曲轴颈的表面力、不同的弯矩和扭矩等。重力、离心力、各种弯矩和扭矩可以与分布力一起作用于模型。ANSYS软件模拟了重力和离心力本身的影响，这取决于给定的重力、加速度、角速度、密度和物理尺寸。
3.7. 静态分析
在描述边界条件后开始进行仿真。图2和图3给出了仿真结果。
图2 曲轴变形分布
图3曲柄投丢模型的应力分布
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图2显示了在曲柄销轴上变形的传播，图3显示了在临界载荷条件下的应力分布。如图2所示，在鉴别载荷条件下，变形为0.0433毫米。最终的变形发生在右曲拐网的底部。在图3中，我们可以发现压力的最终值是67.14MPa。这种最大的应力出现在曲轴颈和曲柄脸颊之间的圆角区域，在中心点附近。主日的边缘是高应力区，因此在这个区域内，油孔或孔不能被凹槽。仿真结果与实际情况相关联。曲轴的应力和变形分析为提高设计和疲劳寿命的计算提供了理论支持。
3.8.通过重新设计曲柄网络的几何形状来减轻重量
摘要在整个发动机周期中，曲轴的有限元模型的应力曲线表明，曲轴的几个区域，如反重力和曲柄网，均有较低的应力。曲轴需要动态平衡，因为它的重量是至关重要的。为了减轻曲轴的重量，局部形状优化技术被强制执行到曲轴的各个位置。在曲柄销几何上进行的减重将会使材料从相反的重量中移除。因此，减轻重量的可能性是重新设计曲柄网络几何，并从这一节中移除材料。材料是从曲柄销的外部几何形状中切割下来的。下面的图4显示了关于曲轴重量减少的三个不同的概念。
修改外壳几和形状
去除矩形材料
减小外壳厚度
概念-3
去除半圆形材料
概念-2
反重量材料清除
概念-1
图4减轻重量的概念
4. 作用于曲柄销的力量和对发达概念的压力比较:
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