曲轴系动力学计算分析指南..doc

编号： 曲轴系动力学计算分析指南 （第 I 版） 目 录 目 录 1 1 FE模型 2 1.1 FE模型建立 2 1.1.1 曲轴系坐标系的定义 2 1.1.2 曲轴系FE模型建立 2 1.1.3 简易主轴承壁FE模型建立 3 1.1.4 边界条件 3 1.2 FE模型压缩 4 2 EXCITE模型建立 4 2.1 FE子结构模型 4 2.2 EXCITE模型建立 5 2.2.1连接单元参数的确定 6 2.2.2 曲轴参考点的定义 6 3 EXCITE仿真计算 8 3.1 轴承负荷计算 8 3.2 轴承性能计算 8 3.2.1 最大油膜压力 8 3.2.2 最小油膜厚度 9 3.2.3 轴心轨迹 10 4 动应力计算 10 5 曲轴系平衡计算 12 6 曲轴扭振及其阶次分析 13 7 疲劳分析 14 1 FE模型 1.1 FE模型建立 几何模型的完整是FE模型建立的前提条件，一个完整的曲轴系几何模型主要由曲轴，与其相连的飞轮和正时齿轮以及皮带轮组成，其中各个零部件之间由非线性连接体连接。FE模型可以用前处理软件PATRAN、HYPERMESH等来建立。采用手动划分网格的方法，各部件间通过合并接触面上分布一致的节点来构成一个整体。 1.1.1 曲轴系坐标系的定义 整体坐标系采用右手法则的直角坐标系，如图1，坐标系的中心在曲轴第三段主轴颈的中心，X轴为曲轴的轴线方向，Y轴的方向为曲轴的侧向，Z轴与气缸同向，同时要求曲轴的第一拐朝上放置. 为了利用AVL-EXCITE软件进行曲轴系的动力学计算，需要曲轴系FE模型以及一个简易的主轴承壁FE模型。 1.1.2 曲轴系FE模型建立 曲轴系FE模型采用的六面体网格如图1～图3所示： 图1 曲轴系的有限元模型 图2 单拐的有限元模型 图3 主轴颈和拐处圆角的有限元模型 在进行曲轴系的动态分析时，为了保证在圆角处有足够的网格精度，通常需要6层以上的单元。主轴颈通常需要4层单元，拐上需要2层或4层单元，所以通常在主轴颈4层单元的接触面中心处定义5个主自由度节点，在曲拐中心面的中心处定义1个或3个主自由度节点。 1.1.3 简易主轴承壁FE模型建立 简易主轴承壁FE模型采用六面体网格，要求主轴承壁孔的单元层数与曲轴主轴颈上单元层数相同，同时也必须是等分等间距的。 将壁孔的表面节点作为主自由度节点，建议重新排列节点编号，使主自由度节点顺序排列，保证力传递均匀，如图5所示。 图4 简易主轴承壁的FE模型 图5主轴承壁的主自由度节点模型 1.1.4 边界条件 约束简易轴承座三个面中所有节点的六个DOF，用来抑制发动机的全局运动。如图4所示。 1.2 FE模型压缩 采用子结构分析法，直接利用3D实体单元FE模型，定义主自由度节点。将FE模型中的所有单元压缩到定义的所有主自由度节点上。用主自由度节点，来表征结构部件的运动和变形特征，同时作为结构部件间的相互作用点，可传递载荷。同时由于有限元中应力加于节点上会出现应力集中，产生数值计算奇异点，所以需要利用MSC/PATRAN在主自由度节点处加上一个刚性层RBE2用来分散载荷。 在MSC/PATRAN中建立完整的有限元模型，定义单元特性、约束边界条件和材料特性等之后，修改AVL提供的曲轴压缩模板文件（*.nas），利用有限元模态分析求解器MSC/NASTRAN将模型压缩至主自由度节点上，将模型压缩所得到文件（*.op2）导入MSC/PATRAN中，获得曲轴系的模态分析图，如图7所示。 拐平面的一阶弯曲：157.11 HZ 垂直拐平面的一阶弯曲：196.22 HZ 拐平面的二阶弯曲：389.06 HZ 一阶扭曲：391.93 HZ 图6 曲轴系的模态图 分析曲轴模态的目的是为了了解系统的固有特性，因为共振产生的必要条件是外载频率等于系统固有频率。同时为了获取曲轴的一阶扭曲频率，以供EXCITE计算使用。 2 EXCITE模型建立 2.1 FE子结构模型 子结构模型需要利用MSC/NASTRAN软件的有限元模态分析求解器对原模型进行压缩获得，从而获得表征结构部件固有特征的质量和动态刚度矩阵，子结构如图6所示。 图7 曲轴系的子结构模型 2.2 EXCITE模型建立 应根据具体问题和所需得到的结果，对分析模型的建模提出要求。本文中模型省略了曲柄连杆机构以及气缸，将气缸压力以及连杆和活塞的质量作为外力作用在曲柄销上。 在启动EXCITE之后，插入并定义体单元和连接单元，进