基于CAD/CAE的汽车发动机曲轴强度与疲劳分析开题报告

 2021-08-08 12:08

1. 研究目的与意义

曲轴是发动机关键零部件之一,他的振动问题一直是人们研究的重点,并且曲轴素有汽车引擎心脏之称。其对发动机的紧凑性、可靠性、耐久性以及经济性起着至关重要的作用。随着对发动机高功率、高扭矩以及高转速的不断追求,对曲轴使用性能、疲劳强度和可靠性的要求也越来越高。传统的研究方法是建立在简单模型、经验公式和大量试验基础之上的。计算机技术的迅速发展使得仿真技术成为与理论研究、实验研究并行的三大科学研究方法之一。仿真技术用于曲轴可靠性的研究,不仅节省了大量的人力物力,降低了研究成本,也大大缩短了研制周期。

本研究通过采用CATIA软件建立发动机曲轴的三维模型后导入ANSYS软件,根据发动机工作状态的实际工况,在多种载荷边界条件和位移边界条件下对曲轴的应力和变形进行有限元分析,最后运用概率统计方法,对曲轴疲劳强度进行了可靠性分析和可靠度计算。从而为分析发动机曲轴的失效模式和失效机理提供参考。

通过此次研究,不仅能学习到汽车发动机曲轴的结构及工作原理,还能学会CAD/CAE相关软件的操作,并且对有限元仿真分析有一定的了解。

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2. 国内外研究现状分析

国内外研究情况

国内和国外的学者们在这个课题上花了大量的时间,并且发表了大量的文章来研究说明这个课题,目的就是为了使曲轴的强度和抗疲劳强度能够在一个合理的范围,既经济又有足够的强度,从中得到理想的曲轴设计。早期学者们都是在简单模型、经验公式和大量试验基础上研究这个问题,现在大家普遍仿真技术成为与理论研究、实验研究并行的试验方法进行研究。

2.1 国外研究现状

国外学者在曲轴疲劳破坏这一方面的探究已经有很长一段时间了,早期就有很多关于航天器发动机的曲轴疲劳分析的相关研究。随着内燃机在实际生活中的应用,曲轴疲劳破坏的问题也愈加突出,怎样提高曲轴的疲劳寿命成为学者们研究的重点。1957至1958年间,德国的斯塔尔最先采用了比较系统的参数试验,他以曲轴单拐为研究对象,通过测量曲轴单拐主要参数对圆角形状数的影响,得出了影响曲线。不久,哈塞尔格鲁伯同克诺赫在斯塔尔的研究基础上,总结出无因次参数与弯曲和扭转形状参数之间的独立影响曲线,并得出了近似的数学公式,提供了计算曲轴最大应力的方法。1958年前联邦德国内燃机研究协会针对曲轴强度的分析组建了专门的研究小组,主要的研究内容是曲轴尺寸参数对曲轴寿命的影响。具体研究内容分为两项,第一项的研究重点是曲轴参数与重型柴油机的实心曲轴疲劳寿命的关系;第二部分的研究重点是高速内燃机曲轴及空心的连杆轴颈。两项研究的结果为曲轴强度研究提供了很好的理论依据。英、美等国家也有很多关于曲轴疲劳强度方面的研究。英国的威尔逊,关于曲轴结构强度和震动的研究对于解决现实的问题有很大的帮助;美国的塞勒斯卡诺测试了许多曲轴的弯曲疲劳强度,通过对数据结果进行分析,总结了单一几何参数与曲轴强度的关系,结论适用于曲轴材料相同,大小和形状不同的情况;洛厄尔一直致力于曲轴的强度研究,得出了一些很有应用价值的近似公式,他还在塞勒斯卡诺的基础上进行了很多的曲轴的比较试验,通过试验结果对一些理论方法进行改进。 目前,国外主要通过大型的有限元分析软件来建立曲轴模型,计算曲轴工作时的强度,计算结果与试验得出的测量值十分接近,具有很高的精度。希斯和麦克纳马拉结合了有限元法和经典分析技术对曲轴应力进行了分析,通过建立完整的曲轴模型,并考虑油膜的非线性,得到了曲轴的应力场分布和曲轴表面的疲劳安全系数分布,为曲轴的优化设计提供了参考;马赫什对应用于航空航天领域的曲轴进行了设计和分析,并比较了不同材料时的情况,通过对锻钢和球墨铸铁曲轴进行动态仿真模拟,从几何、材料和制造工艺等方面对曲轴进行了优化,在不改变连杆和发动机缸体的前提下,提高了曲轴的疲劳强度并降低了成本。国外对曲轴的动态特性也展开了深入的研究,通过将有限元与动态仿真结合更好的模拟曲轴的实际工作情况,得到更加准确的曲轴疲劳寿命,也为优化设计提供了更多的理论依据

2.2国内研究现状

目前,国内学者普遍用两种方式来预测曲轴强度:试验和模拟软件分析。试验分析是将曲轴模拟放在相似的实际环境中并且在一些重要的受力部位贴上受力感应块,通过传感器感应来得到曲轴的应力大小。试验法获取的应力大小能相对的接近真实的大小,但问题在于要花大量的精力、时间和财力在实验上,并且不同的曲轴有不同尺寸大小,试验得出来的数据只能用在相同尺寸大小的曲轴上,利用价值和效率非常的差。因此,国内学者在研究这一方面问题时不太用这个方法。

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3. 研究的基本内容与计划

本研究通过本研究通过采用CATIA软件建立发动机曲轴的三维模型后导入ANSYS软件,根据发动机工作状态的实际工况,在多种载荷边界条件和位移边界条件下对曲轴的应力和变形进行有限元分析,最后运用概率统计方法,对曲轴疲劳强度进行了可靠性分析和可靠度计算。从而为分析发动机曲轴的失效模式和失效机理提供参考。

本研究主要内容:

(1)掌握发动机曲轴的结构及工作原理。

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4. 研究创新点

将软件CATIA/ANSYS运用到实际汽车曲轴的使用寿命及强度预测上。

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