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基于多体动力学的柴油机机体结构强度分析

作　者: 邢正双
导　师: 申立中
学　校: 昆明理工大学
专　业: 车辆工程
关键词: 多体动力学柴油机机体结构强度疲劳安全系数动态特性
分类号: TK421
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着汽车高速化和轻型化要求的不断提高,机体作为发动机主要承载部件之一,其机械负荷也大幅度提高,这使得机体的刚度和强度受到削弱的影响。而柴油机机体的动态特性和强度对整个柴油机的动力性、经济性和可靠性有着很大的影响。因此,在柴油机机体设计过程中必须对其刚度和强度进行计算分析,以便合理的改进和优化设计方案,取得令人满意的设计效果。论文针对新型卧式双缸柴油机,基于柴油机多体动力学对机体进行了结构强度的计算分析,为柴油机的改进设计提供依据。首先建立了柴油机的多体动力学仿真模型,通过对比分析柔、刚性曲轴多体动力学模型的仿真结果,研究了柔性曲轴对机体主要激励力的影响,同时也得到了机体的主要激励力,为进行机体结构强度分析提供了载荷边界条件。接着分别对机体在预紧工况、一缸和二缸爆发工况进行结构强度计算,得到整个机体的位移、应力和应变云图,指出了机体强度危险区域。然后对危险区域进行疲劳强度校核,通过计算其疲劳安全系数,找到了机体的薄弱部位：缸盖进气道侧螺栓孔周围、缸盖两缸共用螺栓孔周围以及主轴承孔内表面。论文还对柴油机机体进行了动态特性以及表面振动试验的研究,研究结果表明,柴油机气缸体部分刚度较好,而机体裙部、主轴承及隔板刚度要差一些；机体振动比较严重的部位主要有机体缸盖、机体上部、机体上部与裙部结合处、机体裙部。基于以上计算分析结果,论文最后对柴油机机体进行结构改进,通过对比不同改进方案得到较好的改进方案,并对改进后的模型进行了强度校核,结果显示,改进后机体的位移、应变都比改进前有所好转,其中应力明显比改进前要小,最大值由改进前的231.24MPa降为223.814MPa,达到了预期效果。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-17
  1.1 课题研究背景与意义  9-10
  1.2 曲轴与机体动力学研究概况  10-15
    1.2.1 曲轴系动力学计算模型与计算方法  10-12
    1.2.2 机体有限元动力学分析  12-13
    1.2.3 曲轴机体耦合动力学研究  13-15
  1.3 课题主要研究内容  15-17
第二章发动机动力学理论  17-27
  2.1 曲柄连杆机构运动与受力分析  17-22
    2.1.1 曲柄连杆机构运动学  17-19
    2.1.2 曲柄连杆机构上的作用力  19-22
  2.2 机体受力分析  22-27
    2.2.1 活塞侧向力  22-23
    2.2.2 主轴承载荷  23-25
    2.2.3 螺栓轴向载荷  25-27
第三章柴油机多体动力学仿真  27-39
  3.1 柔体动力学运动微分方程  27-28
  3.2 刚性曲轴动力学模型的建立与分析  28-34
    3.2.1 发动机主要技术参数  28-29
    3.2.2 刚性曲轴动力学模型的建立  29-30
    3.2.3 施加约束和作用力  30-32
    3.2.4 刚性曲轴动力学仿真结果  32-34
  3.3 柔性曲轴动力学模型的建立与结果分析  34-37
    3.3.1 柔性曲轴动力学模型的建立  34-35
    3.3.2 仿真结果对比分析  35-37
  3.4 本章小结  37-39
第四章基于有限元法的机体强度分析  39-63
  4.1 弹性力学分析基本理论  39-42
    4.1.1 平衡方程  39
    4.1.2 几何方程—应变—位移方程  39-40
    4.1.3 物理方程—应力—应变方程  40-41
    4.1.4 最小位能原理  41-42
  4.2 机体有限元模型的建立  42-48
    4.2.1 机体三维模型的建立  42-43
    4.2.2 机体有限元模型的网格划分  43-44
    4.2.3 机体强度分析的边界条件  44-45
    4.2.4 载荷的施加  45-48
  4.3 机体静强度分析  48-57
    4.3.1 机体预紧工况强度分析  48-51
    4.3.2 机体一缸爆发工况强度分析  51-54
    4.3.3 机体二缸爆发工况强度分析  54-57
  4.4 机体疲劳强度校核  57-60
    4.4.1 疲劳强度基本理论  57-59
    4.4.2 疲劳强度校核  59-60
  4.5 本章小结  60-63
第五章机体模态分析与表面振动试验  63-77
  5.1 模态分析  63-66
    5.1.1 模态分析简介  63-64
    5.1.2 模态分析理论基础  64-66
  5.2 机体自由模态分析  66-70
    5.2.1 边界条件的确定  66
    5.2.2 计算频率范围的提取  66-67
    5.2.3 计算结果  67-69
    5.2.4 结果分析  69-70
  5.3 机体表面振动试验  70-74
    5.3.1 机体振动测试方法  70-71
    5.3.2 试验结果分析  71-74
  5.4 本章小结  74-77
第六章柴油机机体结构改进  77-83
  6.1 机体改进主要方法和措施  77-78
  6.2 机体结构改进方案研究  78-80
  6.3 改进后机体强度分析  80-82
  6.4 本章小结  82-83
第七章总结与展望  83-86
  7.1 全文工作总结  83-84
  7.2 展望  84-86
致谢  86-87
参考文献  87-91
附录A 攻读硕士学位期间参与项目及发表论文  91
  附录1 参与项目  91
  附录2 论文发表  91

基于多体动力学的柴油机机体结构强度分析

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