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发动机曲轴扭转振动及其疲劳分析

徐海龙  
【摘要】:曲轴作为发动机的重要部件之一,其振动问题一直以来是人们研究的热点与难点,曲轴系统的扭转振动更是作为机械振动学科的一个分支,是内燃机动力学的重要研究内容。随着发动机技术的发展以及越来越高的综合性能要求,对发动机NVH性能的改善变得尤为突出,本课题正是基于这样的研究背景,对曲轴扭转振动及其疲劳寿命进行了深入的研究,具体内容体现如下:(1)利用UG软件建立12v150曲轴的三维实体模型,利用软件的模型分析功能确定了所建立的实体模型的材料特征参数和质量特征参数。在此基础上,结合曲轴扭转振动的模型简化原则和方法,建立了曲轴扭转振动多自由度集中参数模型。(2)曲轴扭转振动自由振动的分析与研究,根据达朗贝尔原理建立曲轴自由振动的微分方程,利用传递矩阵数值计算方法对微分方程组进行自由振动分析,获得各阶的固有频率和各质量的相对振幅及其主振型图,为后面的曲轴强迫振动研究分析奠定基础。(3)激振源的简谐分析,利用傅里叶变换法对主要引起曲轴扭振的气体爆发压力和往复惯性力进行简谐分析,得到引起扭振的各谐次的干扰力矩,以及临界转速和及应考虑的简谐次数的范围分析。(4)曲轴扭转振动强迫振动响应分析,根据达朗贝尔原理建立曲轴强迫振动的微分方程,利用MATLAB软件实现矩阵变换数值分析法对曲轴扭转振动强迫振动的响应分析,获得各质量的相对振幅及其主振型图,分析曲轴在干扰力矩下的强迫振动响应情况。(5)曲轴系统的扭转振动控制,设计曲轴系统的硅油扭转减振器,通过对减振器性能的仿真分析,得到曲轴振动响应结果。通过与无减振器曲轴扭转振动强迫振动响应对比分析,评价所设计的曲轴扭转减振器的减振效果。(6)曲轴的疲劳强度研究分析,利用ANSYS软件对曲轴进行瞬态应力分析,在仿真出激振载荷作用下曲轴应力与应变结果的基础上,利用Fe-safe软件对曲轴的扭转疲劳进行仿真分析,得到在标况下曲轴的疲劳情况,为曲轴扭振疲劳分析提供了一种仿真研究的方法。


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