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汽车发动机曲柄连杆机构运动规律仿真研究(一)

2017/11/15    来源:互联网    作者:黄硕      
关键字:曲柄连杆机构  多体系统动力学  模态分析  结构优化  HyperWorks  
本文从动力学角度研究了曲柄连杆机构的工作原理,建立简易曲柄连杆机构的三维实体模型,利用机械系统动力学仿真分析软件HyperWorks,对dCill发动机曲柄连杆机构进行仿真;并基于模态综合分析法研究柔性体的力学性能,对连杆进行了动态特性分析,得出连杆在自由模态情况下的模态振型;然后对该曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析,得到连杆在一个工作循环过程中应力变化规律,从而确定了连杆的受力边界条件以及危险工况分析,为连杆优化设计和强度校核提供了依据,并为进一步分析和研究曲柄连杆机构特性提供了参考。

    然后对连杆进行网格划分,HyperMesh模块中的网格划分功能十分强大,而且操作起来非常方便。网格划分可分为一维、二维和三维网格,根据不同的结构,选择不同的划分方式。网格的划分在有限元计算中十分重要,网格质量的好坏直接影响到计算的精度和结果的准确性,甚至由于网格质量很差,会导致计算不收敛或者使计算终止。同时,网格数量的多少影响着计算的时间,如果网格数量过多,就会使计算时间增长,工作量增大,从而带来不必要的时间浪费[2]。所以在网格划分时要进行综合考虑,尽量在保证计算精度高和计算结果准确的前提下,有效的控制计算时间。连杆有限元模型建立已经基本建立完毕,如图1所示。

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    图1 连杆有限元模型

    在此基础上通过HyperMesh工程软件中的Radioss模块对连杆进行自由模态分析计算,将解题部分所得的解答(如:应力、应变、反力等资料),通过图形接口以及各种不同的的表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。有限元计算的精度很大程度上取决于有限元模型的精度,只有保证它们的几何形状、受力状况真实,才能保证计算的可信度,但是,对那些不重要的部分或者负载,如不简化,势必造成网格划分过多,计算量膨胀,甚至造成计算精度的下降,因此,在不影响精度的条件下,适当的简化是合理的、必要的。因而本课题在保证原有设计的前提下,作了适当的简化。具体包括:

    (1)载荷的简化:忽略了重力和摩擦力等不影响结果的载荷。

    (2)结构简化:在不影响原始结构的前题下对模型中对计算不必要的微小结构加以简化。

2.2 模态计算结果分析

    通过HyperMesh软件中的Radioss求解器计算连杆在自由模态状态下的有限元模型,计算得到模型的频率和振型。

    得到连杆的前32阶固有频率和固有振型,通过计算,发现前六阶频率值均小于0.0032Hz,则连杆的前六阶模态为刚体模态,将前六阶刚体模态去除后,从第七阶模态开始提取,共提取八阶模态。在HyperView软件里观察连杆的前八阶固有振型。

    表2 曲轴非刚性固有模态

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    图2 连杆模态振型图

2.3 连杆计算结果分析

    由振型图可以看出,所有的整体振型下,连杆的大小头圆孔都出现了失圆现象,孔的失圆会使大头与曲轴连杆轴颈、小头与活塞销失去正常的配合,导致很常见的抱瓦、烧瓦和减磨材料疲劳脱落一系列的故障。连杆的弯曲振动会让活塞相对于轴颈、轴承发生偏斜,产生多于应力,引起损坏与失效。

    发动机在工作的过程中,由于连杆模态比较密集,很容易发生共振的响应,从而引起连杆的动态应力变得太大,这样会使连杆出现疲劳与裂纹的损坏现象。连杆在前几阶频率较低,相邻的模态频率相差过小,也很容易引起耦合振动。

    连杆的动态设计不仅仅是满足于连杆自身的要求,还应该与曲轴和集体三者一起所组成的激励传递系统的动态特性的完全结合。

3 多体动力学仿真模型建立

3.1 曲柄连杆机构多体动力学模型建立

3.1.1 构件实体模型建立

    鉴于在动力学计算时所需要的各零部件的质量、转动惯量、质心位置等物理特性参数可由三维CAD软件精确计算得到,本文应用Pro/E建立简易曲柄连杆机构构件实体模型通过软件提供的功能,赋予各构件密度,由软件自动计算出其质量、转动惯量和质心位置。

    表3 曲柄连杆机构质量特性参数

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责任编辑:张纯子
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