基于UG和ANSYS的曲軸設(shè)計(jì)及分析

2014-11-08 于秋華 上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院

  利用UG軟件建立轎車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的實(shí)體模型,利用UG二次開發(fā)軟件計(jì)算其動(dòng)平衡量,計(jì)算結(jié)果在動(dòng)平衡量目標(biāo)值允許范圍內(nèi).采用ANSYS軟件對曲軸進(jìn)行有限元分析,包括曲軸的模態(tài)分析和靜力學(xué)分析,得到了曲軸的振型圖和固有頻率,以及拉壓工況下曲軸的應(yīng)力集中情況,為曲軸的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

  轎車曲軸因其幾何形狀復(fù)雜,工作環(huán)境惡劣,性能要求高而備受關(guān)注.轎車曲軸的幾何形狀主要由發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的空間排列形式和數(shù)目來定,如V6、V8和V12等型發(fā)動(dòng)機(jī).曲軸主要將連桿的運(yùn)動(dòng)和力傳遞給齒輪,并為車輛提供動(dòng)力、主要交變的彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷應(yīng)力.復(fù)雜的幾何形狀和載荷形式?jīng)Q定了曲軸的設(shè)計(jì)和分析的復(fù)雜性.通常在曲軸的設(shè)計(jì)中,既要實(shí)現(xiàn)工作要求,又要滿足各項(xiàng)性能指標(biāo),這就使得設(shè)計(jì)和分析緊密相連。

  轎車曲軸的分析工作包括動(dòng)平衡分析、模態(tài)分析和靜力學(xué)分析等.這些工作主要借助于計(jì)算機(jī)軟件完成,其主要優(yōu)點(diǎn)是將復(fù)雜的計(jì)算化為簡單的操作,從而降低對操作者的要求;且計(jì)算機(jī)軟件能夠準(zhǔn)確、快速、多樣地給出計(jì)算結(jié)果,為分析者提供充足的信息。本文結(jié)合UG軟件和ANSYS軟件,完成轎車的3缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的建模和分析,包括動(dòng)平衡分析、模態(tài)分析和靜力學(xué)分析。

1、建模和動(dòng)平衡分析

  首先,采用UG軟件建立曲軸的幾何模型,利用UG二次開發(fā)軟件對其進(jìn)行動(dòng)平衡計(jì)算。

  1.1、幾何模型的建立

  通過UG的建模功能完成曲軸幾何模型的建立,如圖1所示.4個(gè)主軸頸直徑為45mm,3個(gè)連桿頸直徑為35mm,曲柄臂厚度為12~19mm.3個(gè)連桿頸的旋轉(zhuǎn)角為120°,即平均分布在主軸頸的圓周上,中心距為40mm.曲軸的材質(zhì)為碳素結(jié)構(gòu)鋼S48C,鍛造后精加工成形,表面分布有油孔.日本JIS系列標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)S48C的材料特性介于我國的45號(hào)鋼和50號(hào)鋼之間,見表1。

基于UG和ANSYS的曲軸設(shè)計(jì)及分析

圖1 曲軸的幾何模型

表1 S48C鋼的材料特性

基于UG和ANSYS的曲軸設(shè)計(jì)及分析

4、結(jié) 語

  1)結(jié)合利用UG 軟件和ANSYS軟件,建立了轎車3缸曲軸的實(shí)體模型,并對其進(jìn)行動(dòng)平衡分析、模態(tài)分析和靜力學(xué)分析。

  2)采用UG二次開發(fā)軟件計(jì)算了曲軸的動(dòng)平衡量,其中小頭側(cè)的評價(jià)面為A 面,動(dòng)平衡量為1158g·mm,大頭側(cè)的評價(jià)面為B 面,動(dòng)平衡量為1285g·mm,均在動(dòng)平衡量的允許范圍之內(nèi)。

  3)使用ANSYS軟件對曲軸進(jìn)行模態(tài)分析,采用Block Lanczos法提取模態(tài),計(jì)算了曲軸的13階振型,得出曲軸最小固有頻率為579.25Hz,并對其激振頻率進(jìn)行校核。

  4)利用ANSYS軟件對曲軸進(jìn)行靜力學(xué)分析,計(jì)算得到曲軸在最大拉壓工況下的位移和等效應(yīng)力分布.結(jié)果表明:曲軸主軸頸與曲軸臂的連接圓角為彎曲疲勞失效危險(xiǎn)區(qū)。