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曲轴性能分析及其优化设计

鱼春燕  
【摘要】:曲轴是内燃机最为重要的部件,曲轴的模拟计算是一个非常有意义的研究领域。本文以福建力佳股份有限公司SL4105Z柴油机为载体,计算分析了曲轴的静态性能和动态特性,并利用试验优化技术对曲轴进行了改进设计和多种方案的试验比较,得到了试验指标下的显著性影响因素,为今后的曲轴设计提供了一些科学依据和可行性方案。 本文的主要工作和主要结论如下: (1) 利用Pro/E软件建立曲轴的三维模型,并导入ANSYS软件划分网格得到有限元模型,包括模型选择及简化、单元选择、网格划分、选择计算工况、确定边界条件及确定载荷和约束施加等。 (2) 对曲轴进行静态分析,分别对曲轴单拐和整体曲轴进行强度计算,验证了曲轴有限元模型及边界条件的正确性和可行性,得到了与实际情况相符的应力云图,分别运用GOODMAN法和传统的疲劳强度校核方法计算曲轴的安全系数。 (3) 对曲轴进行改进设计,利用有限元分析和试验优化技术讨论曲柄宽度、主轴颈直径、曲柄销直径、卸载槽上部到曲轴中心线垂直距离、卸载槽的轴向深度、卸载槽处圆角半径对曲轴强度的影响,得到了改善曲轴强度的有效途径。 (4) 通过优化处理发现在六个因素中主轴颈直径和卸载槽上部到曲轴中心线垂直距离对曲轴的强度有较为显著的影响,以曲轴曲柄销圆角处最大应力值为目标函数,得到了原曲轴改进的最优方案,并给出了置信区间。 (5) 对曲轴进行动态分析,计算分析原曲轴的固有频率,得到与实际相符的模态频率及模态振型,并用同样的计算方法计算和分析改进的最优曲轴方案的固有频率,比较两者的动态特性。


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