4G63發(fā)動機曲軸設計及有限元分析[含高清CAD圖紙和說明書]

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畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計（論文）題目: 4G63發(fā)動機曲軸設計及有限元分析 院 系 名 稱: 汽車與交通工程學院 專 業(yè) 班 級: BW車輛07-5班 學 生 姓 名: 王 勐 導 師 姓 名: 朱榮福 開 題 時 間: 2011年2月28日 指導委員會審查意見： 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. 基本內容、擬解決的主要問題； 4. 技術路線或研究方法； 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《黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計說明書及畢業(yè)論文撰寫規(guī)范》要求。字數(shù)應在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)設計（論文）開題報告 學生姓名 王勐 系部 汽車與交通工程學院 專業(yè)、班級 車輛工程07-5 指導教師姓名 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重要，其設計是否可靠，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雜，對其采用經典力學的方法進行結構分析往往有局限性。有限元法是根據變分原理求解數(shù)學物理問題的一種數(shù)值計算方法，是分析各種結構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計提供理論依據。 基于幾何模型的網格生成，可以通過制定不同區(qū)域的單元大小，是網格密度合理?；谌S實體模型建立有限元網格符合現(xiàn)代CAD并行工程的要求。現(xiàn)代CAD并行工程要求分析模型能充分利用設計主模型，并與設計主模型相關一致。顯然這樣極大地提高了分析結果的可信度，同時也大大提高了有限元網絡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)動機的許多復雜零部件的有限元網絡模型。盡管有限元網格自動生成技術發(fā)展到現(xiàn)在，出現(xiàn)了大量的不同的實現(xiàn)方法，如應設法、布點及三角化法、拓撲分解法、幾何分解法、基于柵格法等等，但是所有的這些方法在大規(guī)模復雜結構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雜或者幾何元素尺寸的大小相差懸殊，導致現(xiàn)有算法失效或者生成網絡的質量欠佳。 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，將原有幾何模型在拓撲上通過內部邊界分解為多幾個相對簡單的拓撲子域，由于非流形模型可以實現(xiàn)內部邊界的直接查詢，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)模復雜結構的有限元網絡劃分。因此實際上增強了各種有限元網絡自動生成技術的功能，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)將結構劃分成某些區(qū)域節(jié)點并不連續(xù)的有限元網格，再通過施加節(jié)點間位移約束消除模型變形的不協(xié)調。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格自動生成，對裝配模型的有限元網格的建立或多零件的有限元網格的模型裝配也可以方便的實現(xiàn)。 而目前汽車發(fā)動機中最復雜的零部件包括曲軸，可根據CAD實體模型直接建立非常精確的有有限元網絡模型，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。曲軸承受著氣缸內的氣體壓力及往復和旋轉質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。因此在曲軸內產生交變的彎曲應力，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，如何比較準確地得到應力、變形的大小及分布，對用于指導曲軸的設計和改進，具有重要意義。 根據名義應力和應力集中系數(shù)計算曲軸應力的傳統(tǒng)方法盡管在理論和方法上得到了一定的發(fā)展，但隨著計算機技術的發(fā)展，有限元技術在曲軸的強度研究中得到了越來越廣泛的應用，已有許多文獻利用有限元方法的出了較為有效的結果。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絡到復雜對象的多維多種網絡單元，從單材料到多種材料，從單純的離散到自適應離散，從對象的性能校核到自動適應動態(tài)設計、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果的可視化顯示從簡單的應力、位移和溫度場等的靜動態(tài)顯示、色彩色調顯示，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計、分析的重要組成部分。 有限元法隨著計算機科學的發(fā)展，在包括汽車發(fā)動機在內的幾乎所有工程領域得到愈來愈廣泛的運用。有限元技術的出現(xiàn)，為工程設計領域提供了一個強有力的計算工具，經過迄今約辦半個世紀的發(fā)展，它已日趨成熟使用，在近乎所有的工程設計領域發(fā)揮著越來越重要的作用。而汽車發(fā)動機零部件的設計是有限元技術最早的應用領域之一。有限元技術的應用提高了汽車發(fā)動機零部件設計的可靠性，縮短了設計周期，大大推動了汽車發(fā)動機工業(yè)的發(fā)展。 現(xiàn)今，高性能的產品需要有高水品的設計，設計技術是決定產品性能的關進因素之一。隨著科技的進步和使用要求的不斷提高，設計方法和設計手段也不斷改善，以經驗和試制、實驗為典型特征的傳統(tǒng)設計方法已遠不能滿足現(xiàn)代產品對性能的需求，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)代設計理論和方法的廣泛應用。汽車發(fā)動機設計是典型的機械系統(tǒng)設計，針對汽車發(fā)動機的現(xiàn)代設計技術研究具有代表性意義。曲軸是汽車發(fā)動機至今為止關鍵的部件之一，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對曲軸設計及生產有著積極的指導作用。實現(xiàn)了曲軸建模和分析計算的自動化、智能化。 二、設計（論文）的基本內容、擬解決的主要問題 1.基本內容 1）確定發(fā)動機的參數(shù) 2）運動學與動力學計算 3）曲軸零件的結構設計 4）應用軟件實體建模 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)據獲得、計算。 2）為滿足應力應對曲軸的結構進行設計。 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，模型的網格劃分以及邊界條件的施加。 三、技術路線（研究方法） 完成設計圖紙，說明書 對模型進行分析獲得數(shù)據 對有限元模型施加邊界條件 對模型進行網格劃分 確定曲軸參數(shù)設計及有限元分析方案 確定曲軸結構形式 計算曲軸參數(shù) 確定曲軸參數(shù)設計方案 調研和查閱資料 利用曲軸參數(shù)應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） 確定曲軸設計及分析方案。 3.第5-8周（3月29 ～4月25） 曲軸參數(shù)設計及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） 撰寫設計說明書，完善圖紙設計提交指導老師審核。 7.第15-16周（5月31～6月13） 畢業(yè)設計修改。 8.第17周（6月14～20） 畢業(yè)設計答辯。 五、參考文獻 [1]徐兀.汽車發(fā)動機現(xiàn)代設計[M].北京：人民交通出版社.1995 [2]楊連生.內燃機設計[M].北京：中國農業(yè)機械出版社.1981 [3]陸際青.汽車發(fā)動機設計[M].北京：清華大學出版社.1990 [4]周龍保.內燃機學[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力的變化規(guī)律[J].1995 [6]吳兆漢.內燃機設計[M].北京:北京理工大學出版社.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)設計技術研究[J].現(xiàn)代車用動力.2001 [10]尤小梅,馬星國.發(fā)動機曲軸動力學仿真研究[J].沈陽工業(yè)學院學報.2004 [11]龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M].北京：中國農業(yè)機械出版社.2001 [12]劉必榮.基于ANSYS的R175A柴油機曲軸應力分析[J].鹽城工學院報.2002 [13]徐波,陳國華,王曉瑜.一種對整體曲軸有限元分析模型的改進[J].小型汽車發(fā)動機與摩托車.2003 [14]Athavale,Swati.Sajanpawar,P.R.Finite element model generator for assessment and optimization of crankshaft design,Proceedings of the 6th Intermational Pacific Conference on Automotive Engingeering.1991 [15]Green,John Source,Going into analysis,Automotive Engineer(London).v 24,n 1,Jan.1999 六、備注 指導教師意見： 簽字： 年 月 日