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有限元分析的曲轴零件强度分析

发布于:2018-04-12 18:43
有限元分析

       曲轴是发动机上的一个重要机件,装上连杆后,可承接连杆的上下(往复)运动变成循环(旋转)运动。在工作过程中,曲轴常见的损伤形式有轴颈磨损、弯扭变形和断裂等,其中断裂事故的危害性最大。因此,选择可靠、全面的有限元分析工具对曲轴的强度进行计算和校核,找出断裂破坏的原因,以改进设计方案,确保安全生产。有限元分析是在结构分析领域中应用和发展起来的,它不仅可以解决结构分析问题,还可以解决传热学、流体力学、电磁学等领域的问题。下面先容应用ANSYSApp对曲轴零件的强度分析过程,曲轴的强度分析属于ANSYS最常用的结构分析领域。
       建模是有限元分析问题的第一步,利用当前CAD与CAEApp的数据交换技术,应用UGApp建立曲轴的三维立体模型,保存为IGS的中间数据格式,然后导入ANSYS中进行分析,导入后的模型如图所示。图示曲轴由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端组成,主轴颈是曲轴的支承部分,通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。本例中采用了非全支承的方式,这种支承的主轴承载荷较大,但缩短了曲轴的总长度,使发动机的总体长度有所减小。在建模过程中需要注意简化处理尽可能少。为了使计算模型和原结构尽可能等效,只对轴端便于安装的工艺倒角做了简化处理,特别需要注意在结构受力的关键部位,比如曲轴臂与主轴颈、曲轴臂与连杆轴颈连接处的圆角过渡都不可以随意简化。图示曲轴材料为碳素结构钢,弹性模量和主泊松比分别为E=2.1xe5MPa;u=0.30建立好实体模型,设定好合适的单元属性,而后进行网格划分。对模型进行网格划分时应针对不同的图元模型采用不同的网格划分操作。图所示曲轴的结构中,采用Sweep网格划分方法对主轴颈和连杆轴颈部分进行划分,网格密度设定为0.03;采用Free网格划分的方法对曲轴臂部分进行精度为6的网格划分。
       选择合适的载荷或边界条件对分析结果的精度有重要影响,结构静力分析的载荷有自由度约束、集中载荷、面载荷、体载荷和惯性载荷五种。根据对该曲轴零件的受力分析,将电机端和曲拐处承载的扭矩简化为集中力载荷施加,沿y,z方向的关键点载荷编号及载荷值,并约束相应的轴颈面的位移,得到与原系统等效的计算模型。施加完位移约束后,将实体模型上的位移约束转换到有限元模型上,载荷示意如图所示。前处理的工作完成后,和原系统等效的物理系统就构建完毕,接下来的工作就是求解描述该等效物理系统的线性方程组,ANSYS提供了稀疏矩阵求解器、迭代求解器、波前求解器等。本例中选择了ANSYS默认的程序选定求解器进行求解。
       结果后处理就是对求解器的结果进行查看和分析,可以通过通用后处理器和时间历程后处理器完成处理。本例中选择通用后处理器分别查看图形显示变形形状和图形显示节点平均等效应力结果。图表明:最大变形量发生在前、后主轴颈及曲拐处,两端的变形会导致主轴颈的同轴度误差超过0.05mm,形成弯扭变形的损伤形式;除集中载荷作用处的几个应力集中部位外,结构的高应力区主要集中在曲拐处的连接部位,是结构的危险区域,可能引起断裂事故的发生。为了增强该曲轴工作的可靠性,应从结构、材料和尺寸等方面减小应力集中,以避免断裂这样的大事故的发生。
       应用有限元AppANSYS分析的方法,能设置曲轴工作时的各项参数,且计算精度较传统理论公式计算要高;利用ANSYS的图形显示功能,可以直观、简便地对曲轴的变形和应力分布情况进行分析。通过分析其受力变形,约束相应的轴颈面位移和集中载荷的施加,可综合得出曲轴的变形图和应力分布图,为曲轴的结构优化设计提供可靠依据。


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