关于曲轴的有限元分析

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    随着一些机械的不断强化，曲轴的工作条件愈加苛刻，保证曲轴的工作可靠性至关重要。由于曲轴的形状及其载荷比较复杂，对其采用经典力学的方法进行结构分析往往有局限性，如果有需要可以看下小海精品模型。有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，是分析各种结构问题的强有力的工具，下面就一起来看下相关详细内容吧。
: @/ l$ j. I5 K  Y    有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
/ Y* \- l- {' \　　有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
+ m) @9 H0 p! }# j1 Y　　曲轴是发动机中最重要、承载最复杂的零件之一，同时曲轴又是发动机中典型的易损件之一，其强度和刚度直接影响到整机的工作性能。曲轴运转中的受力情况非常复杂，承受着气缸内的气体压力及往复和旋转质量惯性力引起的周期性变化的载荷，还有可能承受扭转振动、弯曲振动及轴向振动。加之曲轴形状复杂，实际上是在长度方向上交错分布的多个主轴颈与连杆轴颈的连接体，其过渡圆角区域往往成为应力集中处。
+ t+ Z! c$ y9 W; b    发动机在工作过程中，曲轴内会产生交变的弯曲应力和扭转应力，导致曲轴发生弯曲变形和扭转变形，并在圆角过渡处产生应力集中。若长时间使用发动机，不可避免地伴随着曲轴的裂纹、磨损等损耗的发生。损耗积累到一定程度必将导致发动机故障，甚至造成重大的经济损失和人员伤亡。随着发动机的不断强化，曲轴的工作条件愈加苛刻，保证曲轴的工作可靠性是至关重要的。面临上述问题，在设计阶段必须找出切实可行的手段。因此如何较准确地得到交变载荷作用下发动机曲轴的应力、变形的大小及分布，校核其疲劳强度，估算其疲劳寿命，对于指导曲轴的优化、改进设计具有重要意义。
　　由于曲轴结构复杂，利用有限元软件进行建模时很难保证与图纸上的曲轴结构完全一致，因此建模时必须简化。为了减少应力集中，曲轴上不同截面的结合处都有半径不一的倒角，如果在建模时考虑这些倒角和油孔，则会使有限元的网格非常密集，这就大大地增加了模型的单元数量，花费大量的求解时间，而且生成的网格形状也不理想，降低了求解精度，因此在整体曲轴建模时仅考虑主轴颈、曲轴轴颈与曲拐连接处的过渡圆角。
　　由于曲轴主要是因弯曲而破坏的，因此对曲轴受到飞轮处的扭转力可暂不考虑，为简便起见，对于气缸可假设，当其发火时，活塞处于上止点位置时连杆轴颈载荷达到最大值。根据传统的方法及有限宽度轴颈油膜压力应力分布规律，并忽略油孔处压力峰值突变的影响，假定力边界条件为：载荷沿曲柄销轴向均匀分布，沿曲柄销径向180度角范围内按余弦规律分布。在进行有限元分析时，为模拟曲轴的全支撑情况，约束弹簧对主轴颈的径向位移。
    总的来说，采用有限元分析，使人们对零部件关键参数的理解和设计更进了一步。从而减低设计周期，减少工作量，费用更低，质量更高，各位如果对模型有需要可以看下小海精品模型3dsource.cn/manufacturing/xiaohai.html，希望可以对各位有所帮助哦。