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168F-0型曲轴动力学特性分析及可靠性研究

作　者: 王军
导　师: 喻全余
学　校: 安徽工程大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 内燃机曲轴有限元模态分析动力学强度可靠性
分类号: TK403
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

曲轴是内燃机的核心部件,其工作环境十分恶劣。在内燃机工作过程中,曲轴承受复杂的交变应力,会导致其产生疲劳破坏。由于不断加强内燃机性能指标,对曲轴结构性能要求也在不断提高。传统的设计与研究方法已经无法满足实际的需要,目前广泛采用CAD/CAE技术对曲轴的相关分析研究,而运用有限元与多体动力学方法能够较好地分析曲轴动力学响应问题,已成为曲轴强度性能研究以及可靠性研究的方向。通过计算机模拟的方法对曲轴进行有限元以及多体动力学研究,不仅能够提高曲轴设计质量,而且能够降低研发成本、缩短研发周期。本课题以168F-0型游艇单拐曲轴作为研究对象,在对曲轴系统进行理论分析的基础之上,通过运用有限元分析软件对内燃机曲轴进行了模态分析研究,运用虚拟样机仿真分析软件对曲轴系进行动力学特性分析；然后,对曲轴进行了静强度与疲劳强度安全系数校核；最后,结合机械可靠性设计理论与方法,对内燃机曲轴的可靠性进行分析。通过以上研究,得到曲轴模态振型、固有频率、动力学特性及疲劳强度安全系数,并计算出其在最大应力下的可靠度,结果表明此曲轴强度满足工作要求。首先,阐明了课题研究的背景和意义,课题研究的目的、方法以及方案,论述了内燃机曲轴的国内外研究现状,并对曲轴系统动力学以及运动学进行理论分析,对CAD/CAE软件PRO-E、ANSYS与ADAMS分别进行了介绍。然后,建立曲轴三维实体模型与曲轴连杆机构实体模型,建立PRO/E与ANSYS无缝接口,并将曲轴零件三维模型导入ANSYS中,在ANSYS软件对曲轴进行模态分析,将曲轴连杆机构装配模型导入ADAMS软件中,建立其动力学模型,在ADAMS软件中进行仿真研究。最后,利用有限元分析结果对曲轴强度进行安全系数校核,考虑到安全系数法不能定量地反映其可靠程度,于是结合动力学仿真分析结果与曲轴可靠性计算方法对其进行可靠性分析研究。本文通过CAD/CAE技术方法对曲轴进行动力学特性研究,得到曲轴固有振动特性以及曲轴系统的动力学特性,获得了较好的仿真结果,并通过结合可靠性设计理论,验证了课题所研究的内燃机曲轴的高可靠性,对曲轴系的设计和改进具有一定的参考价值。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第1章绪论  14-22
  1.1 课题的来源、背景及意义  14-16
    1.1.1 课题的来源  14
    1.1.2 课题的背景及意义  14-16
  1.2 国内外研究现状  16-19
    1.2.1 曲轴强度研究现状  16
    1.2.2 曲轴多体动力学研究现状  16-18
    1.2.3 曲轴可靠性研究现状  18-19
  1.3 研究方法与内容  19-22
    1.3.1 研究方法  19-20
    1.3.2 研究内容  20-22
第2章基础理论  22-30
  2.1 曲轴系统的运动规律研究  22-27
    2.1.1 曲轴系统运动学分析  22-24
    2.1.2 曲轴连杆机构受力分析  24-26
    2.1.3 作用于活塞上的合力与分解  26-27
  2.2 相关软件介绍  27-29
  2.3 本章小结  29-30
第3章 168F-O型游艇单拐曲轴有限元模态分析  30-42
  3.1 有限元理论基础  30-32
  3.2 模态分析理论基础  32-36
    3.2.1 模态分析概述  32-33
    3.2.2 模态分析基本理论  33-36
  3.3 曲轴系模型建立及其模态分析  36-41
    3.3.1 曲轴系模型建立  36-37
    3.3.2 曲轴的模态分析  37-41
  3.4 本章小结  41-42
第4章 168F-O型游艇单拐曲轴轴系动力学分析  42-57
  4.1 ADAMS软件基本原理  42-48
    4.1.1 ADAMS中刚体及其点的运动求解  42-43
    4.1.2 ADAMS中的柔性模块求解  43-47
    4.1.3 ADAMS求解  47-48
  4.2 曲轴系统动力学模型建立及仿真  48-53
    4.2.1 刚性曲轴动力学模型建立  48-49
    4.2.2 编辑构件、添加约束及施加载荷  49-50
    4.2.3 柔性曲轴动力学模型建立  50-52
    4.2.4 曲轴系统仿真  52-53
  4.3 曲轴系多体动力学仿真结果与分析  53-56
  4.4 本章小结  56-57
第5章 168F-O型游艇单拐曲轴强度可靠性研究  57-73
  5.1 可靠性概论  57-63
    5.1.1 可靠性的定义  57
    5.1.2 可靠性的特征量  57-59
    5.1.3 常用的概率分布  59-62
    5.1.4 正态分布函数的代数计算  62-63
  5.2 机械强度的可靠性  63-66
    5.2.1 机械强度基本概念  63
    5.2.2 可靠性设计干涉理论  63-65
    5.2.3 S-N疲劳曲线  65-66
  5.3 168F-O型号游艇单拐曲轴强度安全系数校核  66-69
    5.3.1 曲轴强度计算方法  66-67
    5.3.2 曲轴静强度安全系数校核  67-68
    5.3.3 曲轴疲劳强度安全系数校核  68-69
  5.4 168F-O型号游艇单拐曲轴疲劳可靠度分析  69-72
    5.4.1 曲轴危险点应力分析  69-70
    5.4.2 曲轴及其材料疲劳强度分析  70-71
    5.4.3 曲轴可靠度计算  71-72
  5.5 本章小结  72-73
第6章总结与展望  73-75
  6.1 总结  73-74
  6.2 展望  74-75
参考文献  75-80
攻读硕士学位期间发表的学术论文和成果目录  80-81
致谢  81

168F-0型曲轴动力学特性分析及可靠性研究

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