4G63發(fā)動機曲軸設(shè)計及有限元分析[含高清CAD圖紙和說明書]

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畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 設(shè)計（論文）題目: 4G63發(fā)動機曲軸設(shè)計及有限元分析 院 系 名 稱: 汽車與交通工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級: BW車輛07-5班 學(xué) 生 姓 名: 王 勐 導(dǎo) 師 姓 名: 朱榮福 開 題 時 間: 2011年2月28日 指導(dǎo)委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 開題報告撰寫要求 一、“開題報告”參考提綱 1. 課題研究目的和意義； 2. 文獻綜述（課題研究現(xiàn)狀及分析）； 3. 基本內(nèi)容、擬解決的主要問題； 4. 技術(shù)路線或研究方法； 5. 進度安排； 6. 主要參考文獻。 二、“開題報告”撰寫規(guī)范 請參照《黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書及畢業(yè)論文撰寫規(guī)范》要求。字?jǐn)?shù)應(yīng)在4000字以上，文字要精練通順，條理分明，文字圖表要工整清楚。 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 學(xué)生姓名 王勐 系部 汽車與交通工程學(xué)院 專業(yè)、班級 車輛工程07-5 指導(dǎo)教師姓名 朱榮福 職稱 講師 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 4G63發(fā)動機曲軸設(shè)計及有限元分析 一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義 隨著發(fā)動機的不斷強化，曲軸的工作條件愈加苛刻，保證曲軸的工作可靠性至關(guān)重要，其設(shè)計是否可靠，對柴油機的使用壽命有很大影響，因此在研制過程中需要給予高度重視。由于曲軸的形狀及其載荷比較復(fù)雜，對其采用經(jīng)典力學(xué)的方法進行結(jié)構(gòu)分析往往有局限性。有限元法是根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)物理問題的一種數(shù)值計算方法，是分析各種結(jié)構(gòu)問題的強有力的工具，使用有限元法可以方便地進行分析并為設(shè)計提供理論依據(jù)。 基于幾何模型的網(wǎng)格生成，可以通過制定不同區(qū)域的單元大小，是網(wǎng)格密度合理。基于三維實體模型建立有限元網(wǎng)格符合現(xiàn)代CAD并行工程的要求?，F(xiàn)代CAD并行工程要求分析模型能充分利用設(shè)計主模型，并與設(shè)計主模型相關(guān)一致。顯然這樣極大地提高了分析結(jié)果的可信度，同時也大大提高了有限元網(wǎng)絡(luò)模型的生成速度和分析效率，節(jié)約了大量的時間和人力。這對于有限元實際運用具有重要意義，目前通過許多大型CAD軟件，人們可以不加簡化的建立汽車發(fā)動機的許多復(fù)雜零部件的有限元網(wǎng)絡(luò)模型。盡管有限元網(wǎng)格自動生成技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，出現(xiàn)了大量的不同的實現(xiàn)方法，如應(yīng)設(shè)法、布點及三角化法、拓?fù)浞纸夥ā缀畏纸夥?、基于柵格法等等，但是所有的這些方法在大規(guī)模復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的運用上仍然具有許多困難。突出的表現(xiàn)在兩方面：一是幾何元素過多，是的現(xiàn)有算法一次自動生成其有限元網(wǎng)格需要高性能、高配置的硬件，現(xiàn)在算法難以實現(xiàn)；二是有些幾何元素太復(fù)雜或者幾何元素尺寸的大小相差懸殊，導(dǎo)致現(xiàn)有算法失效或者生成網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量欠佳。 在現(xiàn)有條件下，解決上述問題的一個有效途徑就是引入非流形幾何建模技術(shù)，將原有幾何模型在拓?fù)渖贤ㄟ^內(nèi)部邊界分解為多幾個相對簡單的拓?fù)渥佑?，由于非流形模型可以實現(xiàn)內(nèi)部邊界的直接查詢，故在利用現(xiàn)有算法對分解后的各個子域進行網(wǎng)格自動劃分時，不會出現(xiàn)相鄰邊界的劃分錯誤。由此可以實現(xiàn)子域的各個擊破，并最終完成大規(guī)模復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。因此實際上增強了各種有限元網(wǎng)絡(luò)自動生成技術(shù)的功能，拓寬了汽車發(fā)動機中可分析零件的范圍。 解決上述問題的另一條有效途徑是，現(xiàn)將結(jié)構(gòu)劃分成某些區(qū)域節(jié)點并不連續(xù)的有限元網(wǎng)格，再通過施加節(jié)點間位移約束消除模型變形的不協(xié)調(diào)。另外部分大型軟件不僅可以實現(xiàn)單個零件基于幾何模型的有限元網(wǎng)格自動生成，對裝配模型的有限元網(wǎng)格的建立或多零件的有限元網(wǎng)格的模型裝配也可以方便的實現(xiàn)。 而目前汽車發(fā)動機中最復(fù)雜的零部件包括曲軸，可根據(jù)CAD實體模型直接建立非常精確的有有限元網(wǎng)絡(luò)模型，為這些先前幾乎無法進行可靠計算的零部件，提供了一條可行的設(shè)計途徑。 曲軸是發(fā)動機中最重要、載荷最大的零件之一。曲軸承受著氣缸內(nèi)的氣體壓力及往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力引起的周期性變化的雜合，并對外輸出扭矩，理論和實踐表明，發(fā)動機的曲軸的破壞形式主要是彎曲破壞。因此在曲軸內(nèi)產(chǎn)生交變的彎曲應(yīng)力，可以引起曲軸疲勞失效，而一旦曲軸失效，就可能引起其他零件隨之破壞。所以對于整體式多缸曲軸，如何比較準(zhǔn)確地得到應(yīng)力、變形的大小及分布，對用于指導(dǎo)曲軸的設(shè)計和改進，具有重要意義。 根據(jù)名義應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)計算曲軸應(yīng)力的傳統(tǒng)方法盡管在理論和方法上得到了一定的發(fā)展，但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元技術(shù)在曲軸的強度研究中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，已有許多文獻利用有限元方法的出了較為有效的結(jié)果。但總體來看，已有的曲軸有限元分析的研究對象都是針對某種具體型號曲軸，而且從模型和邊界條件的處理上存在較大的差別：在模型方面，二維平面模型和三維的單拐、1/4和1/2拐乃至整體模型都有采用，在和處理上一般只考慮了單一受載情況，而忽略了扭矩和慣性力的作用，連桿軸徑表面作用力和主軸頸約束采用不同的簡化處理方法。 隨著計算技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了開發(fā)對象的自動離線及有限元分析結(jié)果可視化顯示的熱潮，使有限元分析的“瓶頸”得以逐步解決。對象的離散從手工到全自動，從簡單對象的一維單一網(wǎng)絡(luò)到復(fù)雜對象的多維多種網(wǎng)絡(luò)單元，從單材料到多種材料，從單純的離散到自適應(yīng)離散，從對象的性能校核到自動適應(yīng)動態(tài)設(shè)計、分析。這些重大的發(fā)展使有限元分析拜托了僅為性能校核的工具的原始階段計算結(jié)果的可視化顯示從簡單的應(yīng)力、位移和溫度場等的靜動態(tài)顯示、色彩色調(diào)顯示，一躍變成對模型可能出現(xiàn)缺陷的位置、形狀、大小以及可能波及區(qū)域的顯示。這種從抽象數(shù)據(jù)到計算機形象化現(xiàn)實的飛躍，是現(xiàn)在甚至將來計算程序設(shè)計、分析的重要組成部分。 有限元法隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，在包括汽車發(fā)動機在內(nèi)的幾乎所有工程領(lǐng)域得到愈來愈廣泛的運用。有限元技術(shù)的出現(xiàn)，為工程設(shè)計領(lǐng)域提供了一個強有力的計算工具，經(jīng)過迄今約辦半個世紀(jì)的發(fā)展，它已日趨成熟使用，在近乎所有的工程設(shè)計領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。而汽車發(fā)動機零部件的設(shè)計是有限元技術(shù)最早的應(yīng)用領(lǐng)域之一。有限元技術(shù)的應(yīng)用提高了汽車發(fā)動機零部件設(shè)計的可靠性，縮短了設(shè)計周期，大大推動了汽車發(fā)動機工業(yè)的發(fā)展。 現(xiàn)今，高性能的產(chǎn)品需要有高水品的設(shè)計，設(shè)計技術(shù)是決定產(chǎn)品性能的關(guān)進因素之一。隨著科技的進步和使用要求的不斷提高，設(shè)計方法和設(shè)計手段也不斷改善，以經(jīng)驗和試制、實驗為典型特征的傳統(tǒng)設(shè)計方法已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代產(chǎn)品對性能的需求，取而代之的是以計算機為基本工具，以數(shù)值仿真分析為主要手段的現(xiàn)代設(shè)計理論和方法的廣泛應(yīng)用。汽車發(fā)動機設(shè)計是典型的機械系統(tǒng)設(shè)計，針對汽車發(fā)動機的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)研究具有代表性意義。曲軸是汽車發(fā)動機至今為止關(guān)鍵的部件之一，其性能優(yōu)劣直接影響著汽車發(fā)動機的可靠性和壽命，所以利用計算機仿真技術(shù)對曲軸設(shè)計及生產(chǎn)有著積極的指導(dǎo)作用。實現(xiàn)了曲軸建模和分析計算的自動化、智能化。 二、設(shè)計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 1.基本內(nèi)容 1）確定發(fā)動機的參數(shù) 2）運動學(xué)與動力學(xué)計算 3）曲軸零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4）應(yīng)用軟件實體建模 5）對模型進行有限元分析 2.擬解決的主要問題 1）發(fā)動機最大功率的數(shù)據(jù)獲得、計算。 2）為滿足應(yīng)力應(yīng)對曲軸的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。 3）利用有限元分析需要進行實體模型的創(chuàng)建，用以參數(shù)化，模型的網(wǎng)格劃分以及邊界條件的施加。 三、技術(shù)路線（研究方法） 完成設(shè)計圖紙，說明書 對模型進行分析獲得數(shù)據(jù) 對有限元模型施加邊界條件 對模型進行網(wǎng)格劃分 確定曲軸參數(shù)設(shè)計及有限元分析方案 確定曲軸結(jié)構(gòu)形式 計算曲軸參數(shù) 確定曲軸參數(shù)設(shè)計方案 調(diào)研和查閱資料 利用曲軸參數(shù)應(yīng)用軟件進行實體建模 四、進度安排 1.第1-2周（3月1～3月14） 調(diào)研、收集資料、撰寫開題報告。 2.第3-4周（3月15 ～3月28） 確定曲軸設(shè)計及分析方案。 3.第5-8周（3月29 ～4月25） 曲軸參數(shù)設(shè)計及CAD繪圖 4.第9-10周（4月26～5月9） 對曲軸參數(shù)進行實體建模。 5.第11-12周（5月10～5月16） 結(jié)合ANSYS對模型進行有限元分析。 6.第13-14周（5月17～5月30） 撰寫設(shè)計說明書，完善圖紙設(shè)計提交指導(dǎo)老師審核。 7.第15-16周（5月31～6月13） 畢業(yè)設(shè)計修改。 8.第17周（6月14～20） 畢業(yè)設(shè)計答辯。 五、參考文獻 [1]徐兀.汽車發(fā)動機現(xiàn)代設(shè)計[M].北京：人民交通出版社.1995 [2]楊連生.內(nèi)燃機設(shè)計[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社.1981 [3]陸際青.汽車發(fā)動機設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社.1990 [4]周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社.2005 [5]蘇鐵雄,張儒華,蔡坪等.利用有限元法研究曲軸彎曲應(yīng)力的變化規(guī)律[J].1995 [6]吳兆漢.內(nèi)燃機設(shè)計[M].北京:北京理工大學(xué)出版社.1990 [7]張小虞.汽車工程手冊[M].北京：人民交通出版社.2007 [8]丁培杰,吳昌華.柴油機曲軸計算方法發(fā)展的回顧、現(xiàn)狀與展望[J].汽車發(fā)動機工程.2003 [9]張保成,張先林,蘇鐵雄.汽車發(fā)動機曲軸動態(tài)設(shè)計技術(shù)研究[J].現(xiàn)代車用動力.2001 [10]尤小梅,馬星國.發(fā)動機曲軸動力學(xué)仿真研究[J].沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報.2004 [11]龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社.2001 [12]劉必榮.基于ANSYS的R175A柴油機曲軸應(yīng)力分析[J].鹽城工學(xué)院報.2002 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