買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 內(nèi)燃機(jī)課程設(shè)計說明書 學(xué) 院 專 業(yè) 年 級 姓 名 指導(dǎo)教師 2013 年 3 月 25 日 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 2 內(nèi)燃機(jī)課程設(shè)計說明書 題目：基于三維有限元法的曲柄銷圓角應(yīng)力分析 學(xué)生姓名 學(xué)院名稱 專 業(yè) 學(xué) 號 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 3 目錄 一、概述 . 4 100T 柴油機(jī)的基本參數(shù) . 4 100T 柴油的整機(jī)特點 . 4 二、課程設(shè)計的對象及流程 . 6 三、曲軸三維模型的建立 . 6 四、曲軸有限元網(wǎng)格的劃分 . 7 面體網(wǎng)格 . 7 面體網(wǎng)格 . 8 五、曲軸有限元邊界條件的確定 . 8 軸受力分析 . 8 加曲軸力邊界條件 . 10 加曲軸支撐邊界條件 . 12 六、曲軸有限元計算結(jié)果分析 . 13 料屬性的定義 . 13 態(tài)分析 . 13 力分析 . 14 七、結(jié)論 . 16 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 4 一、概述 100T 柴油機(jī)的基本參數(shù) 缸徑 D=100 沖程 S=120 壓縮比 =16； 額定功率 額定轉(zhuǎn)速 n=2000r/ 比油耗 252g/(h) 曲柄半徑 R=60 連桿長度 =200 連桿比 = 氣缸工作容積 = 標(biāo)定功率為 110N m； 啟動方式為電動或手動； 活塞總排量為 平均有效壓力為 活塞平均速度為 v 為 6m/s； 潤滑系統(tǒng)有壓力和飛濺復(fù)合式； 發(fā)火順序從飛輪端視為 1 2； 標(biāo)定工況下個溫度 總管排氣溫度 520 攝氏度（ 22 馬力 1500 轉(zhuǎn) /分）； 機(jī)油溫度 100； 冷取水出水溫度 70 80； 進(jìn)出水溫度 15； 配氣定時：（以曲軸轉(zhuǎn)角計） 進(jìn)氣門開 上止點前 18 5； 進(jìn)氣門關(guān) 下止點后 52 5； 排氣門關(guān) 下止點后 18 5； 排氣門關(guān) 上止點后 18 5； 燃油提前角：上止點前 22 25； 氣門間隙： 進(jìn)氣門與搖臂間隙（冷車） 米； 排氣門與搖臂間隙（冷車） 米。 100T 柴油的整機(jī)特點 外形布置特點 2100T 型柴油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，外廓尺寸不大。其外形布置的特別之處主要在于進(jìn)排氣門的 兩側(cè)布置和供油系統(tǒng)和電啟動系統(tǒng)的分開布置。 2100T 型柴油機(jī)是頂置式氣門機(jī)構(gòu)。與側(cè)置式相比，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，零件數(shù)目較多，在高速往復(fù)運(yùn)動中，使震動和噪聲增加，可靠性降低。 主要零部件結(jié)構(gòu)特點 活塞連桿組 活塞連桿組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿螺栓、軸瓦等組成。 2100 柴油機(jī)活塞頂部有一浴盆形深坑，活塞頭部加工有安裝活塞環(huán)的活塞環(huán)槽，活塞裙部較長和受側(cè)向里，活塞呈橢圓形。 2100 型柴油機(jī)采用圓柱形中空活塞銷，利于減少離心慣性力的影響。一般采用優(yōu)質(zhì)低碳鋼或低碳合金淬火。 曲軸飛輪組 曲軸的材料采用高優(yōu)質(zhì)的球 墨鑄鐵，制造方便，成本低。曲軸由前端、曲拐、曲軸后端及平衡重組成，主軸頸直徑粗而短，以提高剛度，主軸頸為空心，曲柄銷也是買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 5 空心，既可以減少重量，又可以減少離心力。 2100 型是棗核型空腔。 配氣正時傳動機(jī)構(gòu) 凸輪軸上的凸輪通過氣門挺柱、氣門推桿和搖臂驅(qū)動進(jìn)、排氣門，控制進(jìn)、排氣門得開閉時間。機(jī)體和凸輪軸前端裝有定距環(huán)和止推片。承受凸輪軸的軸向推力。其軸向間隙為 米。在機(jī)體的主軸承上還有油孔和凸輪軸承孔相通。 凸輪軸和噴油泵均由曲軸前端的正時齒輪經(jīng)過中間惰輪驅(qū)動。機(jī)油泵則由曲軸正時齒輪通過其下過 機(jī)油泵上的中間齒輪驅(qū)動。 氣門的材料選耐熱、耐磨，耐腐蝕的齒輪。進(jìn)氣門工作溫度低，一般采用合金鋼。排氣門則用耐熱合金鋼如 4。 機(jī)體組 機(jī)體內(nèi)嵌有高磷鑄鐵制成的濕式汽缸套，其上部的缸套凸緣的下端面邊緣在機(jī)體缸孔的肩胛上，下部以兩只橡膠做的防水圈密封。在機(jī)體右側(cè)面有檢查窗口，為拆裝活塞連桿和檢視曲軸連桿機(jī)構(gòu)及軸承。機(jī)體上平面除了氣缸孔和氣門推桿孔外，還有一個通向氣缸搖臂軸的潤滑油孔及以下與氣缸蓋相同的冷卻水孔。 氣缸蓋裝于氣缸體上部，用于密封。氣缸的上平面與氣缸和活塞頂部共同組成燃燒室。氣缸蓋材料和 機(jī)體相同，采用灰鑄鐵。 燃燒系統(tǒng)分析 2100T 型柴油機(jī)燃燒室是深坑形燃燒室，這樣燃燒室是不與冷卻水直接接觸的，可以減少散熱損失，燃燒室布置時本要求與噴油嘴以及氣缸在同一中心線上。 燃料供應(yīng)系統(tǒng) 柴油機(jī)燃料供應(yīng)系統(tǒng)包括油泵、柴油濾清器、輸油泵、柴油細(xì)濾器、噴油泵和燃燒室等。 柴油由油泵首先進(jìn)入沉流杯，柴油中的水及其基本機(jī)械雜質(zhì)沉積于杯中，較清潔的柴油經(jīng)管道流向柴油濾清器。同時設(shè)有兩級濾清器，分別濾除大小顆粒不同的雜質(zhì)。經(jīng)過濾清的柴油由輸油泵壓入噴油泵內(nèi)。輸油泵的作用是提高泵油的壓力，以克服流動阻力，定時定量 的向噴油泵供油，輸油泵裝在噴油泵上，利用噴油泵凸輪軸上的偏心推動壓油。柴油進(jìn)入油泵后，一部分通過柱塞的壓縮使油壓提高，高壓油按各缸工作次序流向各缸噴油器，然后噴入燃燒室進(jìn)行燃燒，多余的柴油則經(jīng)回油管流回柴油濾清器。 潤滑系統(tǒng) 2100T 型柴油機(jī)的潤滑系統(tǒng)為濕式曲軸箱，壓力循環(huán)與飛濺復(fù)合供油式。 油底殼內(nèi)的機(jī)油經(jīng)過吸濾器的濾網(wǎng)被機(jī)油泵吸入，再壓送至機(jī)油濾清器，經(jīng)過濾清的機(jī)油被送入機(jī)體內(nèi)的主油道。機(jī)油由此分為兩路：一路通至各主軸承，并經(jīng)過曲軸內(nèi)側(cè)的油孔到達(dá)曲柄銷，主軸承上還有油孔與各凸輪軸軸承孔向通。凸輪軸后軸 承并有一經(jīng)過機(jī)體與氣缸蓋到達(dá)搖臂軸內(nèi)的油孔，另一路經(jīng)過惰輪軸和惰輪軸輻板流出，潤滑惰輪軸及傳動齒輪。即曲軸、連桿大頭、凸輪軸、搖臂等軸承與傳動齒輪均為壓力潤滑；而氣缸套與活塞、連桿襯套及活塞銷、凸輪表面等處則為飛濺潤滑。 噴油泵與減速器單獨(dú)成一系統(tǒng)，另外加油潤滑。 冷卻系統(tǒng) 2100T 型柴油機(jī)的冷卻介質(zhì)是水，即水冷系統(tǒng)是強(qiáng)制冷卻。水冷系統(tǒng)是由散熱器、空氣 扇、水泵等部件組成。 利用裝在水流通路內(nèi)的水泵，向內(nèi)燃機(jī)壓力供水，強(qiáng)制冷卻。 風(fēng)扇用來增加流經(jīng)散熱器芯部空氣的流量，以提高散熱器的散熱效率。 此 外，為控制冷卻水強(qiáng)度，在出水處裝有計溫計。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 6 二、課程設(shè)計的對象及流程 對象： 2100 柴油機(jī) 曲軸飛輪 流程：圖 作流程圖 三、曲軸三維模型的建立 根據(jù)內(nèi)燃機(jī)課程設(shè)計教材的零件圖繪制 2100 柴油機(jī)的曲軸飛輪，如圖 示， 圖 軸飛輪三維模型圖 利用 行三維圖的繪制，主要用拉伸，旋轉(zhuǎn)，孔，倒圓角，陣列等功能，其中主要參數(shù)有： 1) 主軸頸半徑為 75 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 7 2) 連桿軸頸半徑為 65 3) 連桿軸頸長度為 39 同時為方便計算，做了如下幾點簡化： 1) 曲軸飛輪的三維圖中，飛輪只畫出大致 輪廓，并未針對細(xì)節(jié)進(jìn)行繪制，同組常亞飛同學(xué)繪制的飛輪的完整三維圖； 2) 曲柄銷及主軸頸處的減重孔簡化為規(guī)則的直孔； 3) 曲柄處的減重將實際曲軸的曲線拉伸切割改為直線拉伸切割； 4) 省略了曲柄銷的油孔； 5) 單個曲拐中只保留了曲柄銷圓角，簡化了主軸頸處的圓角。 針對曲軸模態(tài)分析及曲柄圓角的強(qiáng)度分析，以上簡化對計算結(jié)果并無太大影響，且可以省略計算量，因此簡化具有合理性。 繪制完整曲軸是為計算整個曲軸飛輪的模態(tài)，協(xié)助霍森同學(xué)驗證曲軸的扭振頻率以及驗證有限元模型的正確性，而單個曲拐則是為了計算曲柄銷圓角的應(yīng)力，分析其疲勞強(qiáng)度。在單個曲拐的三維圖中，保留曲柄銷圓角，在計算時加密此處的網(wǎng)格劃分，可得到較為精準(zhǔn)的曲柄銷圓角應(yīng)力值，而簡化主軸頸處圓角則是為方便整體的網(wǎng)格劃分，簡化計算。 四、曲軸有限元網(wǎng)格的劃分 面體網(wǎng)格 將 畫好的曲軸三維圖保存成 入 行 10 節(jié)點四面體網(wǎng)格的自動劃分，軟件自動將網(wǎng)格密度值定義為 30，為精確計算結(jié)果，將 網(wǎng)格密度值設(shè)定為 12，得到曲軸四面體網(wǎng)格如圖 示，有 15216 個節(jié)點和 9223 個單元。 圖 個曲拐的四面體網(wǎng)格圖 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 8 面體網(wǎng)格 六面體網(wǎng)格在 不能自動劃分，所以使用 行六面體網(wǎng)格的手動劃分。首先在 導(dǎo)入半個曲拐的三維模型，然后將實體分隔成主軸頸、曲柄臂和連桿軸頸三部分，這樣可便于網(wǎng)格的劃分。其次劃分網(wǎng)格的大致步驟為在一個面上劃分 2D 網(wǎng)格，然后通過拉伸功能創(chuàng)建三維網(wǎng)格，最后將畫好網(wǎng)格的半個曲拐通過映射功能得到一個完整曲拐的六面體網(wǎng)格。在劃 分六面體網(wǎng)格時，由于時初次使用軟件手動劃分網(wǎng)格，減重孔為網(wǎng)格劃分帶來了較大的困難，因此去掉了曲柄銷和主軸頸處的減重孔。由于主要計算曲柄銷圓角處的應(yīng)力，去掉主軸頸減重孔對計算不會造成太大影響，但連桿軸頸處的減重孔可能會對計算結(jié)果造成一定誤差。最后得到曲軸六面體網(wǎng)格如圖 示，有 26300 個節(jié)點和 22868 個單元。 圖 個曲拐的六面體網(wǎng)格圖 五、曲軸有限元邊界條件的確定 軸受力分析 質(zhì)量估算：（利用 制的三維圖得到質(zhì)量） 連桿質(zhì)量 桿大頭 =桿小頭 =塞質(zhì)量為 塞銷質(zhì)量為 mj=mh+用于計算往復(fù)慣性力） 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 9 不平衡回轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量： R+連桿軸頸與曲柄臂、連桿大頭的質(zhì)量之和） =衡重的質(zhì)量） 上述兩個不平衡部分的質(zhì)量近似相等，且回轉(zhuǎn)半徑也大致相同，因此兩個不平衡部分產(chǎn)生的離心慣性力可大致抵消，在受力分析中可忽略離心慣性力，主要以往復(fù)慣性力及氣體壓力作 為計算依據(jù)。 根據(jù)曲軸活塞受力分析圖 算活塞處于上止點時曲柄銷所受力大?。ù藭r即為工作工程中曲柄銷的最大受力）。 氣體壓力的取值（根據(jù)羅悅齊同學(xué)的模擬結(jié)果）： 氣體壓力值近似取為 圖 軸活塞受力分析圖 圖 體壓力分布圖 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 10 往復(fù)慣性力的計算： 活塞位于上止點時，根據(jù)受力分析圖可知： =0， =0， 由 計算可得： 則 當(dāng) =0 時， 活塞位于上止點時連桿軸頸受到 最大載荷作用，且只受徑向力作用而沒有切向力，因此 K 即為作用在連桿軸頸上的徑向力 Z ，在后面的有限元計算中，所施加的力邊界條件及為 支反力 在有限元軟件中，將支反力以位移約束施加給模型，將在后面支撐邊界條件中具體說明。 由于曲軸主要是因彎曲而破壞，所以在計算曲軸圓角應(yīng)力時可以不考慮扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，因而上述受力分析中的簡化是合理的。 加曲軸力邊界條件 中力的施加 利用有限元計算的初期階段，將連桿所受的最大合力以集中力的形式施加在五個點上，如圖 示，但所得計算結(jié)果并不 準(zhǔn)確，在受力點應(yīng)力最大，圓角處應(yīng)力值也偏大，但與實際情況并不完全相符，因此在后面進(jìn)行分布力的施加，提高計算準(zhǔn)確度。 圖 中力受力圖 )2 j 0 7 1 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 11 布力的施加 上述施加集中力并不符合曲軸受力的實際情況，根據(jù)傳統(tǒng)方法及有限寬度軸頸油膜壓力應(yīng)力分布規(guī)律，并忽略油孔處壓力峰值突變的影響，假定力邊界條件為：載荷沿連桿軸頸和主軸頸線方向按二次拋物線規(guī)律分布；沿軸頸圓周 120角范圍內(nèi)按余弦規(guī)律分布，如圖 示： 圖 桿軸頸分布壓力圖 力邊界條件的計算： 沿曲軸軸線方向： 設(shè)壓力分布曲線方程為 ： 設(shè)軸向受力長度為 2L，將 x=L， x=入 (1)式得 又當(dāng) x=0 時， z=以 c= 入式 (2)、 (3)得： b=0， a= 又 式中 因代入上式得 由此可得： 其中 L=R=60 沿軸頸圓周方向： 式中 x=； =60。 所以在 通過 塊施加場，由于沿曲軸軸線方向和軸頸圓周方向的力同時作用在連桿 軸頸處，因此所施加的場方程為： 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 12 以 方式施加在連桿軸頸上表面 120的曲面上，圖分別為四面體模型和六面體模型所施加的力的區(qū)域以及施加力后的分布圖。圖 圖 可以清楚的看出連桿軸頸受力按余弦分布。 圖 面體模型分布載荷圖 圖 面體模型分布載荷圖 加曲軸支撐邊界條件 活塞位于上止點時，主軸頸下邊緣處受到軸承的支撐作用，因此選擇主軸頸下邊緣 120的曲面，固定其 x、 y、 z 三個方向的位移模擬 軸承的支撐作用。如圖 示： T)*(*2) 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 13 圖 面體（左）六面體（右）模型支撐邊界條件 六、曲軸有限元計算結(jié)果分析 料屬性的定義 在 完成網(wǎng)格劃分及邊界條件的添加后，應(yīng)對模型進(jìn)行材料屬性的定義，曲軸材料為合金球墨鑄鐵，因此材料定義值如下： 彈性模量為 210 泊松比為 密度取 103kg/ 在 為統(tǒng)一單位，將上述各值定義為： 彈性模量為 泊松比為 密度取 t/ 態(tài)分析 為了驗證模 型的準(zhǔn)確性，及霍森同學(xué)計算的扭振頻率，首先進(jìn)行整個曲軸飛輪模型的模態(tài)分析，得到如下結(jié)果： 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 14 圖 曲振型 彎曲振型 f= 轉(zhuǎn)振型 扭轉(zhuǎn)振型 f=力分析 完成 各項設(shè)置后，進(jìn)行分析，并將產(chǎn)生的 件導(dǎo)入 到按第四強(qiáng)度理論計算的應(yīng)力結(jié)果： 買文檔就