CN116341136A - 一种发动机曲轴优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发动机曲轴优化设计方法，属于发动机曲轴设计领域，包括：建立发动机系统数字模型；在自由状态下对发动机数字模型中的曲轴进行模态分析，导出包含应力应变状态的曲轴柔性体描述文件；构建除曲轴外与曲轴有关的刚性体系统，将曲轴柔性体描述文件导入刚性体系统中，构建曲轴刚性体柔性体耦合模型系统；设置不同的发动机转速，对曲轴刚性体柔性体耦合模型系统进行运动学与动力学分析，得到曲轴在不同发动机转速下结构的应力与应变参数；根据曲轴的应力与应变参数，对曲轴结构进行优化设计以确保在不同的发动机转速下曲轴不发生共振且弯扭变形程度在安全范围内。该方法能够利用仿真数据对发动机曲轴进行优化设计。
Description
技术领域
本发明属于发动机曲轴设计领域，具体涉及一种发动机曲轴优化设计方法。
背景技术
活塞式发动机利用气缸内高温气体做功进行对外动力输出。气缸向上运动时，空气被压缩成很小的体积，根据能量守恒，空气温度会升高。此时，在气缸内喷入燃油，在电火花发生器作用下，燃油会进行剧烈燃烧。燃烧后缸内气体温度急剧升高，体积迅速膨胀，推动活塞带动曲轴转动做功。曲轴外连飞轮，飞轮开始转动后，会在惯性作用下继续推动活塞向气缸内运动，对缸内气体进行压缩，如此反复从而不断对外做功。
发动机中最为重要的部件之一便是曲轴，作为受冲击最大的柔性体之一，在工作时曲轴需要承受来自气缸燃气压力产生的周期性交变载荷，如果外部激励如发动机转速的频率数值与曲轴的固有频率相接近或趋于一致时，由振动原理可知，曲轴在其工作转速内极易发生共振现象，造成附加的动应力增大进而导致异常形变的发生，使得曲轴轴系出现过早的疲劳损坏。
然而现有技术不能针根据特定工况对曲轴的结构进行优化设计。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种发动机曲轴优化设计方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种发动机曲轴优化设计方法，包括：
建立发动机系统数字模型；
对曲轴进行网格划分后，在自由状态下对发动机数字模型中的曲轴进行模态分析，导出包含应力应变状态的曲轴柔性体描述文件；
构建除曲轴外与曲轴有关的刚性体系统，将曲轴柔性体描述文件导入刚性体系统中，构建曲轴刚性体柔性体耦合模型系统；
设置不同的发动机转速，对曲轴刚性体柔性体耦合模型系统进行运动学与动力学分析，得到曲轴在不同发动机转速下结构的应力与应变参数；
根据曲轴的应力与应变参数，对曲轴结构进行优化设计以确保在不同的发动机转速下曲轴不发生共振且弯扭变形程度在安全范围内。
进一步，还包括：对曲轴进行网格划分后，对曲轴网格进行独立性检验。
进一步，所述对曲轴进行网格划分包括：
基于前处理膨胀层算法系统，采用自适应尺寸调整，设置7级分辨率；
对边缘进行高平滑处理，将高平滑处理设置为缓慢过渡模式；其中过渡比率设为0.272，膨胀层设为5层；
从表面边缘开始划分网格；
在曲率较大处细化边缘网格；
产生面网格和体网格。
进一步，所述对曲轴网格进行独立性检验包括：
以节点数、单元数、网格质量为参数进行网格独立性检验；
分析不同精度下的网格质量，选择最佳节点数和单元数进行网格划分。
进一步，所述建立发动机系统数字模型包括：对包含曲轴在内的发动机零部件进行单独建模，并按零部件关系装配成发动机系统。
进一步，所述发动机零部件包括：飞轮、连杆、活塞、曲轴、活塞销。
进一步，所述对发动机系统数字模型中，设定曲轴的材料属性为45号钢，连杆的材料属性为45Mn锰钢，活塞的材料属性为共晶铝合金，活塞销的材料属性为15Cr钢，飞轮的材料属性为球墨铸铁。
进一步，所述对除曲轴外与曲轴有关的刚性体系统进行搭建包括：根据工况合理设置零部件之间的连接方式和约束条件，所述约束条件的设置包括：
利用曲轴两端滚针轴承对曲轴施加回转约束；
利用飞轮螺栓对飞轮和曲轴施加刚性体-柔性体固定约束；
对发动机活塞与曲轴曲拐施加回转约束；
对发动机活塞连杆大小端施加固定约束；
对发动机活塞销与连杆施加固定约束；
对发动机活塞与活塞销施加回转约束；
对发动机活塞施加平移约束；
对需要进行受力分析的位置施加接触；
对曲轴施加不同转速。
本发明提供的一种发动机曲轴优化设计方法具有以下有益效果：
本发明采用自由状态下的模态分析，使得非线性约束能够合理的施加在模型中，以此来得到包含应力应变状态的曲轴柔性体描述文件，将曲轴柔性体描述文件导入发动机刚性体系统中，经过分析获得曲轴在不同发动机转速下结构的应力与应变参数，进而利用这些参数针对性的对曲轴结构进行优化设计。本发明解决了在不同转速下发动机曲轴由于共振而造成结构强度低和疲劳失效的问题，利用仿真数据进行针对性的设计可以节约实验成本，提升优化效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种发动机曲轴优化设计方法的分析方法流程图；
图2为本发明实施例的Solidworks中发动机系统数字模型图；
图3为本发明实施例的Solidworks中曲轴的数字模型图；
图4为本发明实施例的网格划分结果图；
图5为本发明实施例的Ansys中模态分析第七阶应力应变云图；
图6为本发明实施例的Adams中某一工况下曲轴应力应变云图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例：
本发明提供了一种发动机曲轴优化设计方法，具体如图1所示，包括：建立发动机系统数字模型；对曲轴进行网格划分后，在自由状态下对发动机数字模型中的曲轴进行模态分析，导出包含应力应变状态的曲轴柔性体描述文件；构建除曲轴外与曲轴有关的刚性体系统，将曲轴柔性体描述文件导入刚性体系统中，构建曲轴刚性体柔性体耦合模型系统；设置不同的发动机转速，对曲轴刚性体柔性体耦合模型系统进行运动学与动力学仿真，得到曲轴在不同发动机转速下结构的应力与应变参数；根据曲轴的应力与应变参数，对曲轴结构进行优化设计以确保在不同的发动机转速下曲轴不发生共振且弯扭变形程度在安全范围内。
以下为本发明具体实施例：
1)建立模型：按照发动机曲轴图纸参数，利用Solidworks2022对发动机系统数字模型进行建立，其中包括飞轮、连杆、活塞、曲轴、活塞销。按照零部件关系装配成发动机系统(如图2)后生成parasolid格式文件。
2)设定参数：按照实际要求，对发动机参与仿真运算的包括曲轴、连杆、活塞、活塞销、飞轮等零部件进行材料设定，曲轴的材料属性为45号钢，连杆的材料属性为45Mn锰钢，活塞的材料属性为共晶铝合金，活塞销的材料属性为15Cr钢，飞轮的材料属性为球墨铸铁。
3)网格划分：根据曲轴结构，选定合适的包括边缘处理、过渡模式、膨胀算法等在内的网格划分参数对曲轴进行合理的网格划分。
该步骤中网格划分时基于前处理(Pre)-Tgid膨胀层算法系统，采用自适应尺寸调整，并设置7级分辨率，边缘进行高平滑处理且设置为缓慢过渡模式且过渡比率设为0.272，膨胀层设为5层，从表面边缘开始划分网格，然后在曲率较大处细化边缘网格，接下来产生面网格，最后产生体网格。
4)网格独立性检验：考虑到计算资源和运行效率，对曲轴网格进行独立性检验，保证在计算精度得以满足的前提下节省计算资源并提高运行效率。
具体的，以节点数、单元数、网格质量等为参数P进行网格独立性检验，分析不同精度下网格质量，进而选择最佳节点数和单元数进行网格划分。
经独立性检验后最终的网格具有1006786个节点，673009个单元，网格平均质量为0.815887，划分结果如图4所示。
5)曲轴自由模态分析：考虑到约束模态下非线性约束难以合理施加的问题，在对结果影响较小的前提下，将工作即约束状态下曲轴模态分析简化为自由模态分析。在自由状态下曲轴模态分析前六阶为刚体模态，频率几乎为0，第七阶出现弹性体模态，反应了曲轴在该频率下产生的变形情况与形变大小，如图5所示。
6)MNF结果生成：为保证柔性体描述文件的准确性，利用AnsysAPDL2022通过对远端点和面的建立对曲轴结构节点进行提取，合理设置参数后即可导出包含应力应变状态的曲轴柔性体描述文件(MNF)。
7)Adams刚性体系统搭建：在AdamsView中首先对除曲轴外与曲轴有关的刚性体系统进行搭建，具体表现为根据工况合理设置零部件之间的连接方式和约束条件，并添加一定驱动用以仿真运算。
以Solidworks2022装配效果为参考，施加物理约束载荷的具体方法是：
(1)利用曲轴两端滚针轴承对曲轴施加回转约束；
(2)利用飞轮螺栓对飞轮和曲轴施加刚性体-柔性体固定约束；
(3)对发动机活塞与曲轴曲拐施加回转约束；
(4)对发动机活塞连杆大小端施加固定约束；
(5)对发动机活塞销与连杆施加固定约束；
(6)对发动机活塞与活塞销施加回转约束；
(7)对发动机活塞施加平移约束；
(8)对需要进行受力分析的位置施加接触；
(9)对曲轴施加不同转速。
8)曲轴柔性体替换：刚性体环境搭建完成后将利用APDL运算生成的曲轴柔性体描述文件MNF导入Adams中构建完整的曲轴刚性体柔性体耦合模型系统。
9)工作参数设置：发动机曲轴在不同工况下对应不同转速，导致造成的外部激励频率不尽相同，故需要根据实际工况设置合理的曲轴转动速率和方向，以确保仿真结果的准确性。
在本实例中设置转速为3800r/min进行仿真运算，截取仿真过程其中一帧如图6所示。
10)曲轴优化设计：在仿真运算结束后根据曲轴柔性体运动学与动力学分析结果，可以对曲轴在某一转速下的位移、速度、加速度进行考量。在此过程中通过测量可以分析曲轴某一位置的形变程度，云图显示下可以获得最大形变位置等敏感参数，进而结合施加的工况条件，对曲轴结构进行优化设计以确保在对应工况下几乎不发生共振且弯扭变形程度在安全范围内。
具体的，在AdamsView内完成动力学仿真后通过后处理(Post-Process)对曲轴等零部件的形变、位移等情况进行分析，进行有针对性的优化设计。
11)联合仿真：曲轴柔性体系统动力学仿真利用Solidworks2022进行数字模型的建立后将曲轴导入Ansys2022对其进行网格划分并将生成的MNF文件导入AdamsView中建立好的发动机系统参与动力学仿真运算，整个过程利用三方工程软件配合完成。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，包括：
建立发动机系统数字模型；
对曲轴进行网格划分后，在自由状态下对发动机数字模型中的曲轴进行模态分析，导出包含应力应变状态的曲轴柔性体描述文件；
构建除曲轴外与曲轴有关的刚性体系统，将曲轴柔性体描述文件导入刚性体系统中，构建曲轴刚性体柔性体耦合模型系统；
设置不同的发动机转速，对曲轴刚性体柔性体耦合模型系统进行运动学与动力学分析，得到曲轴在不同发动机转速下结构的应力与应变参数；
根据曲轴的应力与应变参数，对曲轴结构进行优化设计以确保在不同的发动机转速下曲轴不发生共振且弯扭变形程度在安全范围内。
2.根据权利要求1所述的一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，还包括：对曲轴进行网格划分后，对曲轴网格进行独立性检验。
3.根据权利要求2所述的一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，所述对曲轴进行网格划分包括：
基于前处理膨胀层算法系统，采用自适应尺寸调整，设置7级分辨率；
对边缘进行高平滑处理，将高平滑处理设置为缓慢过渡模式；其中过渡比率设为0.272，膨胀层设为5层；
从表面边缘开始划分网格；
在曲率较大处细化边缘网格；
产生面网格和体网格。
4.根据权利要求2所述的一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，所述对曲轴网格进行独立性检验包括：
以节点数、单元数、网格质量为参数进行网格独立性检验；
分析不同精度下的网格质量，选择最佳节点数和单元数进行网格划分。
5.根据权利要求1所述的一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，所述建立发动机系统数字模型包括：对包含曲轴在内的发动机零部件进行单独建模，并按零部件关系装配成发动机系统。
6.根据权利要求5所述的一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，所述发动机零部件包括：飞轮、连杆、活塞、曲轴、活塞销。
7.根据权利要求5所述的一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，所述对发动机系统数字模型中，设定曲轴的材料属性为45号钢，连杆的材料属性为45Mn锰钢，活塞的材料属性为共晶铝合金，活塞销的材料属性为15Cr钢，飞轮的材料属性为球墨铸铁。
8.根据权利要求1所述的一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，所述对除曲轴外与曲轴有关的刚性体系统进行搭建包括：根据工况合理设置零部件之间的连接方式和约束条件，所述约束条件的设置包括：
利用曲轴两端滚针轴承对曲轴施加回转约束；
利用飞轮螺栓对飞轮和曲轴施加刚性体-柔性体固定约束；
对发动机活塞与曲轴曲拐施加回转约束；
对发动机活塞连杆大小端施加固定约束；
对发动机活塞销与连杆施加固定约束；
对发动机活塞与活塞销施加回转约束；
对发动机活塞施加平移约束；
对需要进行受力分析的位置施加接触；
对曲轴施加不同转速。
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