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柴油机活塞热负荷的试验研究及其有限元分析3孙 平 张 玲 王为成(江苏大学汽车与交通工程学院 江苏镇江 212013)摘 要:用硬度塞法测量了YZ4105QF柴油机活塞的温度场,利用Pr o/E软件建立了活塞的几何模型,借助有限元分析软件Hyper mesh和ANSYS对其进行了温度场分析计算,计算结果为活塞的结构改进和优化提供了依据。
关键词:柴油机 活塞 有限元分析 温度场中图分类号:TK421+.1 文献标识码:A 文章编号:1671-0630(2008)03-0059-04Exper im en t a lM ea sure m en t and FEA for the Ther ma lL oad of the P iston i n D i esel Eng i n eSun P i n g,Zhang L i n g,W ang W e i chengSchool of Aut omobile and Traffic Engineering,J iangsu University(Zhenjiang,212013)Abstract:The te mperature field of the p ist on in YZ4105QF diesel engine is experi m entally measured by using the hardness p lug method.And the s oft w are Pr o/E is used t o set up a geometry model of the p ist on.The te m2 perature field of the p ist on model is calculated by FEA s oft w are Hyper mesh and ANSYS.The results p r ovide supports for the further op ti m izing of the p ist on.Keywords:D iesel engine,Pist on,Finite ele ment analysis,Te mperature field引言活塞作为柴油机最主要的受热零部件之一,由于受热面积大,散热条件差,因而其承受很高的热负荷。
柴油机曲轴有限元分析及结构优化设计孙连科,唐 斌,薛冬新,宋希庚(大连理工大学内燃机研究所,辽宁大连 116023)摘要:对一车用柴油机整体曲轴建立了符合实际情况的三维模型,采用有限元法对其进行了三维有限元分析,研究了整体曲轴的应力状态,并对其在交变载荷下的疲劳强度进行了校核。
同时对曲轴结构参数,圆角形状优化和圆角应力分布等相关问题进行了探讨。
最后对曲轴进行了模态分析。
为柴油机曲轴的结构设计提供了有价值的理论依据。
关键词:曲轴;有限元;疲劳强度;优化设计;模态分析中图分类号:TK423 文献标识码:A 文章编号:1006-0006(2007)03-0054-02FEA Optm i al Desi g n of D i e sel Engi n e C rankshaftSUN L ian ke ,TANG B in,X UE Dong x in,SONG X i geng(Institute of I .C .Eng i ne ,D a lian U ni v ers it y of T echno logy ,D a lian 116023,China)Abstr ac:t By se tti ng up a t h ree di m ensi onal m ode l of a d i esel eng i ne cranks ha ft co rrespondi ng to the prac tica l cond iti ons ,so m e ana lysisw ere carr i ed out .T he stress o f the crankshaftw as researched .The fatigue streng th was ver ifi ed unde r vary i ng l oads i n t h is paper .The structure para m ete rs ,opti m u m desi gn and stress distr i butions of the round co rner w ere d i scussed .T he m ode l ana l ys i s w as m ade at last .T he valuable theory basis is prov i ded for the crankshaft structure design .Key wor ds :Cranksha ft ;F i nite e le m en t ;F atigue strength ;O pti m um design ;M ode l analysis曲轴是柴油机中的重要部件之一,也是受力最复杂的部件。
譬。
黧．墨凰，柴油机整体曲轴的三维有限元静强度分析封海宝尤固红(中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082)脯要]曲轴是内燃杌中的重要零件之一，是承受冲击载荷传递动力的关键零件，其强度和刚度对柴油机的工作巨能和寿命有决定性的影响。
本文采用有限单元法，对16v柴油机曲轴进行了符合实际情况的三维建模，研究了整体曲轴的变形和应力状态，校核了曲轴在交变栽荷下的疲劳强度，对提高柴油机曲轴强度计算的分析效率和分析结果具有一定的参考价值。
饫短闶】有限元法；自动网格划分；计算模型；疲劳强度校核1概述曲轴是内燃机中的重要零件之一，是承受冲击载荷传递动力的关键零件，其强f妾和刚度对躬由机的工作性能和寿命有决定性的影响。
曲轴的几何形状复杂，应力集中现象严重，特别是在曲轴主、连轴颈的圆角过渡部位的应力集中现象更加的突出。
随着柴油机强化程度的提高，对于曲轴强匪的要求也是越来越高。
从60年代起，有限元法随着计算机科学的发展，在包括躬由机在内的几乎所有工程领域得到愈来愈广泛的运用。
有限元技术的应用提高了柴油机零部件设计的可靠性，缩短了设计周期，大大推动了柴油机工!哑的发展。
近几年来，随着计算机软硬件水平的提高，躬由机曲轴有限元技术又取得了许多新的进展。
2计算模型的建立21几何模型的建立进行曲轴有限元分析，首先要建立相应的有限元模型。
对于使用有限元软件，—般是先建立实体模型，然后通过网格划分来生成有限元模型。
本文采用PR0，E建立曲轴的实体模型。
如下图为P R0／E中建立的模型(图1)，该模型优点在于省去了部分倒角和圆角以及油孔，增加了模型的可分析性，避免计算时耗费大量的计算时间和资源。
图l曲轴实体模型22A N s Y s中有限元模型的建立通过P R O／E与A N SY S软件的接口可以直接将PR o／E中的实体，模型导入A N S Y S中，定义曲轴的材料和属性，柴油机曲轴的材料是42C rM o，材料特性如下：弹性模量E：2．1E14(N／m3)；泊松比¨：03；质量密度：7B E3(kg，m3)；a b：950M pa；a。
柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析
随着柴油机技术的发展，薄膜强度、尺寸精度、耐热性是柴油机活塞的关键技术。
活
塞的尺寸太大或太厚，会大大降低发动机性能；反之，活塞太薄和太小，活塞很容易损坏。
因此，对柴油机活塞的温度场的研究是提高柴油机效率的重要工作之一。
传统试验方法受制于仪器和材料的限制，往往无法准确地反映内部结构的温度场，因
此建立一种基于有限元分析的研究方法变得尤为重要。
本文提出了基于有限元分析的温度
场研究方法，将柴油机活塞温度场试验与有限元分析相结合，以研究不同参数和模型的温
度分布和温度场变化趋势。
本文首先给出了柴油机活塞的图示和几何尺寸，接着给出了活塞的实际试验参数，包括：外圈直径、内圈直径，等径椭圆孔的长短轴长度均等；活塞的材料为超级钢；同时设
定加热方式，用燃烧于环境的方式代替实际目标发动机实际运行情况来模拟。
进一步，本
文利用有限元分析方法仿真活塞温度场，根据参数计算出温度场不同元件分布的各部分值。
最后，本文通过对实验结果进行讨论，对柴油机活塞的温度场变化进行分析，发现活
塞的各个部分的温度分布和温度场变化趋势，以供今后参考。
经过本文的实验研究，不仅说明了有限元分析在模拟柴油机活塞温度场变化方面具有
良好的效果，还为今后柴油机活塞优化设计提供了重要的研究参考意义。
将有限元热分析
和实验室试验相结合，加深了活塞温度场研究的深度和广度，也提供了一种新的方法来研
究活塞的热性能及内部温度场的变化，为今后的试验提供参考。
10.16638/ki.1671-7988.2017.08.002发动机曲轴有限元模态分析方法研究高波，彭永旗（长安大学汽车学院，陕西西安710064）摘要：为了研究有限元模态分析法及分析曲轴的振动特性对发动机产生的不良影响，利用CATIA建立曲轴的实体模型，并用Hypermesh建立曲轴的有限元模型，并基于有限元理论，对曲轴进行自由模态分析，获得曲轴的前10阶固有频率和振型，通过分析，为曲轴的动态特性研究、优化设计及振动控制提供参考依据。
关键词：曲轴；有限元；模态分析中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)08-03-03Finite element modal analysis of engine crankshaftGao Bo, Peng Yongqi( Automobile Institute, Chang'an University, Shaanxi Xi’an 710064 )Abstract: In order to study the finite element method and avoid the bad influence of the crankshaft.The paper used the CATIA software to establish solid model of crankshaft, the crankshaft is divided by Hypermesh, and the finite element analysis model is established. Based on the finite element theory, the free modal analysis of the crankshaft is carried out. Natural frequencies and mode shapes of the first 10 order of the crankshaft are obtained. Through the analysis, to provide reference for the research of the dynamic characteristics of the crankshaft, optimize the design and vibration control. Keywords: crankshaft; finite element; modal analysisCLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-03-03前言曲轴是汽车发动机中最重要的也是最易损坏的部件之一。
柴油机曲轴静力学有限元分析
柴油机曲轴的静力学有限元分析是一种在柴油机领域中非常重要的研究方法。
它不仅可以用来分析柴油机曲轴本身的结构强度，提高柴油机的可靠性和使用寿命，而且可以进一步分析柴油机系统协作运作时的工作状态。
柴油机曲轴的静力学有限元分析技术由基础的实验技术和建模技术构成，是一
种计算技术，可以以极快的计算速度进行位移分布和应力应变分布的研究，从而获取可靠的结构强度参数。
有限元分析技术采用三角形或者四边形对模型进行网格划分，将曲轴整个结构模型划分成若干空间小元，再根据空间小元形状进行相应物理量的划分，用来求解围绕曲轴结构出现的位移和应力应变分布规律。
基于柴油机曲轴静力学有限元分析，有助于精准的研究机组曲轴的结构强度分布，从而对机组的设计有着良好的参考价值，提高了机组的可靠性与使用寿命。
此外，还可以从有限元分析中确定柴油机的重心位置和最小惯性，辅助元件结构的优化提高柴油机系统的整体运行性能。
总之，柴油机曲轴静力学有限元分析技术可以实现快速、准确的结构强度分析，对于提高柴油机的可靠性和使用寿命以及实现机组整体动态优化都具有重要意义，是高等学校学习工程技术不可或缺的重要课程和实践内容。
柴油机曲轴强度的三维有限元分析
曲轴是汽车发动机的核心部件，强度的耐受力是汽车发动机的重要性能指标之一。
随着汽车发动机的发展，柴油机曲轴的强度是汽车发动机比较重要的研究课题。
柴油机曲轴强度的研究主要通过有限元分析来进行，有限元分析是一种计算机模拟技术，可以很好地表示柴油机曲轴的强度。
通过将复杂的多维几何模型转换为有限元数据，可以快速地模拟出柴油机曲轴的强度。
在进行有限元分析之前，必须首先建立柴油机曲轴的三维模型，用于准确表示曲轴的详细几何信息和物理参数，其中最重要的是曲轴的弹性参数。
模型的建立可以通过CAD软件或CATIA软件完成，而且可以很容易地调整和改进曲轴的几何尺寸和物理参数。
接下来，就需要将柴油机曲轴的三维模型转换为有限元模型，有限元模型可以表示曲轴的几何尺寸和物理参数，这也是有限元分析的关键步骤。
在有限元模型的建立中，还要考虑柴油机曲轴的热应力和振动响应的影响，以便更准确地模拟曲轴的强度。
有了有限元模型，就可以灵活地进行有限元分析，开始对曲轴的强度进行模拟。
有限元分析需要指定曲轴的应力状态和荷载情况，根据不同的应力状态和荷载情况，可以分析出曲轴的极限强度和疲劳寿命。
此外，还可以通过有限元分析，更精确地研究柴油机曲轴的热应力和振动响应，以及曲轴的不同部件在受力和受荷的分布情况，这些
将有助于更好地设计柴油机曲轴，提高曲轴的强度和可靠性。
总之，利用有限元分析，可以有效地研究柴油机曲轴的强度，而有限元分析的过程至少包括三维模型的建立，有限元模型的建立和有限元分析，这是实现柴油机曲轴强度可靠性评估的关键环节。
毕业设计(论文)课题名称 4125A 型柴油机曲轴结构有限元模态分析学生姓名学号 1141103044 系、年级专业机械与能源工程系指导教师教师职称副教授2015年 5 月30 日摘要曲轴是发动机的主要受力构件之一，也是发动机重要的构成部件，其尺寸和参数决定着发动机整体构成以及其性能和机构尺寸与发动机的寿命和可靠性。
曲轴的工作环境决定曲轴受力比较复杂，曲轴不仅要受压力，惯性力还要受弯矩，由于曲轴受力比较复杂，所以在对曲轴进行设计时要求也比较高。
为了避免曲轴在工作时发生共振，导致曲轴失效需要对曲轴进行模态分析，这样可以求出曲轴共振频率，以及曲轴在工作时的振型及其载荷的变化规律，从而在设计时可以规避共振对曲轴损坏，这对提高曲轴的寿命和可靠性是很有效的。
该课题研究的是4125A型柴油机曲轴有限元分析。
通过ANSYS有限元分析软件对此柴油机的曲轴进行建模然后进行静力学分析和模态分析，由此可以了解曲轴在工作时所受的工作载荷，以及工作危险截面和曲轴工作的共振频率、振型。
这样可以了解曲轴的实际工作情况，就可以在进行曲轴设计时合理的安排曲轴的结构和尺寸，在设计时采取各种措施提高曲轴危险截面的强度更好的规避曲轴的共振区间，以提高曲轴设计和工作的可靠性，减少开发周期，从而提高柴油机曲轴的设计质量。
1.运用ANSYS14.0建立曲轴的三维实体模型以及确定网格单元的相关参数类型。
2.先在ANSYS中确定网格划分精度和网格划分密度等，然后对所建立的三维实体模型进行网格划分，限制模型的自由度以及对其进行加载力。
3.用ANSYS中的相关模块对所建立的三维实体模型进行静力学分析和模分析，就可以的得到相应的结果关键字：曲轴；模态分析；有限元分析ABSTRACTCrankshaft is one of the main components of the engine and the important engine of the stress components, the size and parameters determines engine overall structure, performance and organization size and engine life and reliability. Crankshaft working environment decided to entertain the crankshaft complex, the crankshaft must not only pressure, inertia force but also by the moment, because the crankshaft accept more complex, so in the design of the crankshaft requirements are relatively high, in order to avoid showing off the crankshaft at work when resonance occurs, resulting in failure of the crankshaft to the modal analysis of the crankshaft, so that we can find the resonance frequency of the crankshaft, and crankshaft at work and the mode of vibration load variation, which in the design can avoid resonance of crankshaft damage, which to improve the service life and the reliability of the crankshaft isvery effective.The paper is on the study of 4125A diesel engine crankshaft finite element analysis. Through the finite element analysis software ANSYS in this regard diesel engine crankshaft modeling and static analysis and modal analysis, then we can know the work load of crankshaft, and dangerous work section and crankshaft of resonance frequency, vibration mode. Thus the actual working condition of crankshaft can be in for the crankshaft design reasonable arrangement of the crankshaft structure and size to improve the crankshaft design and working reliability, At design time, take various measures to improve the strength of crankshaft resonance interval to avoid the dangerous section of the crankshaft，reduce the development cycle，So as to improve the design quality of the crankshaft of the diesel engine.(1)The use of ANSYS14.0 to build three-dimensional model of the crankshaft and the parameter determination unit and grid type.(2)first in ANSYS determine the meshing accuracy and mesh density, then carries on the grid division of the three-dimensional solid model established, the restricted model degrees of freedom and the for loading.(3)Using ANSYS module in 3D model based on the static analysis and modal analysis.目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (1)1.1 现代设计理论和方法在柴油机设计中的应用 (1)1.2 柴油机曲轴有限元分析的目的和意义 (2)1.3 柴油机曲轴有限元分析国内外研究现状 (2)1.4本论文的研究内容 (3)2有限元理论及其分析软件 (5)2.1 有限元分析法 (5)2.2 ANSYS 软件的介绍 (5)2.3 ANSYS14.0的分析流程 (6)2.4 影响有限元分析精度的因素 (7)2.5 提高有限元分析精度地方法 (8)3柴油机曲轴三维模型的建立 (9)3.3 曲轴建模的准备工作 (9)3.4 曲轴有限元模型的建立 (10)3.5曲轴网格单元的划分 (16)3.6本章小结 (18)4柴油机曲轴的静力分析 (19)4.1 施加约束 (19)4.2 施加载荷 (19)4.3柴油机曲轴的静力分析 (20)4.4柴油机曲轴的静力分析结果 (21)4.5结论分析 (21)5柴油机曲轴的模态分析 (22)5.1 柴油机曲轴模态分析的概述 (22)5.2模态分析的理论基础 (22)5.3模态分析的基本方法 (22)5.4模态分析的基本步骤 (23)5.5模态分析结果 (25)5.6 结果分析 (32)6结论与展望 (34)6.1 结论 (34)6.2 展望 (34)参考文献 (35)/361绪论1.1现代设计理论和方法在柴油机设计中的应用柴油机是所有热机中热效率最高的，也是当今人类社会中应用最广的一种热机，它广泛地应用于包括汽车在内的各个领域。
近年来，由于市场激烈的竞争，许多企业希望通过提高转速和增压等各种方法来提高柴油机的动力性能指标，以及改善它的经济性和排放性能等指标。
在对通用非增压柴油机进行增压改进时，首先考虑的是原发动机主要受力零部件的结构强度以及动力性能是否满足增压的要求，这要求柴油机厂商通过技术积累以及结合国内外先进技术来提高自己的设计和制造水平。
当下市场竞争越来越激烈，这就要求不断退出性能更高的产品并且缩短自身产品开发周期，以满足市场需求。
同时，为了提高产品质量以及降低生产成本，再设计产品时需做大量的分析实验和数据的处理，这都增加了设计的工作量，依靠传统手段进行分析和设计是不能满足现代设计要求的。
所以当前各大发动机生产厂商在做产品设计时，大量采用现代设计理论和方法[1]。
柴油机设计的一个基本要求便是要保证其主要零部件在设计的使用期限内可靠的工作，同时又尽可能的减小柴油机的体积、重量。
为了达到这一要求，就需要在设计过程中评估柴油机各个零部件的强度性能以及其可靠性，这就需要掌握零件的热负荷和机械负荷等性能以及其应力、应变的情况。
传统设计方法的特点有：静态的、手工式的、经验的，而现代设计方法具有科学和动态特点。
这就是说，传统设计方法是被动的和重复的分析产品性能，而现代设计方法则可能做到主动的设计产品和参数[2]。
现代柴油机设计的重点应放在综合应用现代设计方法和理论，将复杂的柴油机工程问题抽象出来，然后建立该工程问题的物理和数学模型，并通过在计算机上进行分析、模拟实际的工程状况，这样就可以在设计阶段就将柴油机产品的性能以及未来产品品质确定下来。
而无需试制出产品在检验产品的性能，现代设计方法和理论中的有限元分析技术和模态分析在柴油机设计上得到了不同程度的应用[3]。
随着计算机技术、数值计算方法以及有限元分析软件的发展。
当前的国内外软件已经从单纯的结构设计，发展到变量设计和参数化设计阶段，在建立机体模型时所需要花费的时间较少，大部分设计时间是用在对原机体进行调整和修改，利用3D CAD 技术可大大提高设计的效率，曲轴的三维实体模型不但可以对曲轴进行静力学分析，还可以进行动力学分析计算，并且可以方便的转化为二维的工程图[4]。
