曲軸鑄造設計及其有限元實驗分析

趙軍友

(中國石油大學(華東) 機電工程學院,山東 青島 266580)

0 引 言

傳統的曲軸鑄造工藝設計方法是基于物理樣機通過不斷調試樣機參數，反復進行修改優化最終確定方案。顯然這種方法的首要條件就是要制造物理樣機，這將會增加投入資本，通過不斷調試樣機反復試驗確定最佳參數，這顯然又會增加產品的生產周期[1-4]。隨著計算機技術的發展，力學仿真軟件應運而生。基于上述背景，設計方案的整體規劃是：首先對各零部件進行多體動力學仿真分析，然后利用有限元方法仿真得到各個零部件的應力分布，通過文獻和目前技術[5-12]，并預測出各個零部件的疲勞壽命。利用該方法只需要建立一個實物模型進行疲勞試驗即可確定各個參數，這種設計方法較傳統方法相比明顯降低了資金投入、縮短了產品的設計周期。此外，在內燃機中曲軸是其主要受力的零部件，曲軸的動力學特性直接關系到整個內燃機中的各種重要指標，尤其是疲勞壽命。因而對曲軸進行動力學分析具有一定的現實意義。

1 曲軸Pro/Engineer建模

1.1 三維模型建立

本次所要設計的對象是柴油機曲軸，但其結構過于復雜，需要對其實際模型進行簡化[13-16]，考慮應力較集中不利于建模，將曲軸不同截面的結合處設計半徑較小的倒角，同時考慮到曲軸和軸承間的潤滑問題，在曲軸上設置許多油孔。為了確保曲軸模型進一步簡化，將倒角、油孔、凸臺、鍵槽、螺紋等對整體結構動力學影響較小幾何特征忽略掉。連桿軸頸兩端的內圓角是應力集中的危險處，所以不可以忽略。圖1所示為利用Pro/Engineer軟件設計的曲軸飛輪組模型。

圖1 曲軸飛輪組三維模型

1.2 曲軸飛輪組網格劃分

這里選用HyperMesh網格優化處理方法，該方法將模型切割成塊，圖2所示即為具體的模型切分，以及曲軸飛輪組網格劃分后的有限元模型。

(a)切分圖(b)有限元模型1(c)有限元模型2

有限元模型的具體處理、建立單元、節點編號如圖3所示。將曲軸飛輪組三維模型導入到HyperMesh中進行離散化，采用高精度的六面體單元劃分網格，共劃分了8 181個節點，6 426個單元。

圖3 曲軸實體模型耦合節點的定義和編號

2 動力學仿真Excite模型的建立

Excite是一款專門針對于動力單元振動及噪聲而開發的動力學仿真軟件。采用該軟件對曲軸系中的全部運動件和滑動軸承的非線性振動進行建模仿真，下面詳細介紹部分有關Excite建模過程中所涉及到的較重要的步驟及參數設置。

2.1 定義體單元和連接單元，定義力學耦合關系

模型單元連接如圖4所示，按照計算的要求，對各零部件定義如下：

活塞和活塞銷。將活塞和活塞銷作為一個整體將其安裝在連桿的小頭上。

連桿。利用EXCITE的Conrod Modeler來建立，設置連桿材料特性密度為7 850 kg/m3、彈性模量為210 kPa、泊松比為0.3。

曲軸。利用CON6類型的單元體對曲軸飛輪組進行定義。在曲軸實體CAD模型網格劃分的基礎上，對其進行動應力計算和疲勞壽命分析。為了便于定義曲軸與機體、連桿等之間的傳力關系，需要將各主軸頸和連桿軸頸上取節點，然后將其耦合到曲軸旋轉軸線上的節點，利用同樣的方法確定飛輪的節點和耦合關系，考慮到要進行動應力計算，在進行定義時要確保曲軸有限元模型耦合節點同CON6曲軸模型的節點坐標相對應。

機體。用來定義機體的單元體為SMOT類型的單元體，同樣導入單元體的縮減模型。

圖4 模型單元連接圖

本次建立的內燃機動力學仿真模型所涉及到的單元體連接、約束關系，它們主要是由以下幾部分組成：曲軸主軸頸與機體主軸承之間的滑動軸承連接、曲軸止推主軸頸與機體止推主軸承之間的止推連接、曲軸連桿軸頸與連桿大頭之間的滑動軸承連接、連桿小頭與活塞銷之間的滑動軸承連接、活塞與缸套之間的滑動導軌連接等。不過這些參數對整個系統的設計影響較小，且此次使用典型的方式進行定義，與此同時，結合實際操作經驗，對較小影響參數進行忽略。此外，利用自動搜索節點，即可自動讀取相關的有限元文件，將具有同一種特征的節點編成一節點組。圖5所示即為連接單元定義以及整體計算模型示意圖。

圖5 連接單元定義以及整體計算模型示意圖

2.2 定義外載工況

圖6所示為按照有關內燃機的缸內爆發壓力要求進行計算定義的外載工況。

(a)1 600 r/min load 80%

(b)11 800 r/min load 80%

(c)2 200 r/min load 100%

3 動力學仿真結果分析及應用

3.1 典型工況的動力學特性

按照上文所提到的計算模型，進行相關計算得到發動機在80%～100%負載率范圍，1 600 r/min～2 200 r/min轉速范圍內各種典型工況的動力學特性，即在一個工作循環(取曲軸轉角720°CA～1 440°CA)內，曲軸上各個點的應力-時間歷程。通過分析可知曲軸受到的載荷主要來自于連桿大頭對其作用力及曲軸的轉矩。筆者對1 600 r/min、1 800 r/min、2 000 r/min、2 200 r/min下節點200上的載荷歷程進行了分析。圖7所示為2 000 r/min下節點200上的載荷歷程圖。

3.2 靜應力分析和疲勞分析

在曲軸有限元模型上節點200的X軸和Z方向上分別施加單位力，在節點110施加單位扭矩，在ABUQUS中提取每一單元的6個應力分量值。結果發現：在軸頸兩段的應力集中處較容易發生曲軸疲勞破壞，因而針對這些單元的載荷情況要著重進行檢查。本文主要針對其中的16個單元進行考查，圖8所示顯示了這16個單元的具體位置。

圖7 2 000 r/min下節點200上的載荷歷程

圖8 考查的16個單元位置

經過考查發現16個單元中4號單元的疲勞壽命為最短，因而其將為第1個發生疲勞破壞部分，針對這一情況對4號單元進行具體分析。圖9為4號單元的應力分量值、圖10為4號單元的最大絕對主應力、圖11為4號單元的隨時間損傷程度分布。

圖9 4號單元的應力分量值

圖11 4號單元的隨時間損傷程度分布

4 結 語

本文使用Pro/E進行柴油機曲軸模型的建立，利用Hyper Mesh劃分網格建立有限元模型，使用AVL Excite為主要的計算平臺，進而對內燃機的動力學特性進行仿真，并利用有限元計算和疲勞分析對該曲軸的疲勞壽命進行分析。本文所使用的流程能夠對發動機的疲勞性能進行估算，有一定的實際意義。