[发明专利]发动机曲轴动力学分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及发动机曲轴动力学分析。

背景技术

在发动机概念设计阶段预知发动机曲轴动力学的强度以及疲劳是一件很重要的工作。在概念设计阶段，很多参数都处于未确定的状态，这些参数要根据发动机曲轴动力学等要求而改变。而发动机曲轴强度以及疲劳则是一个主要的考虑因素。其影响的因素之多，很难得到具体的影响因素。假如在生产后进行更改，不仅加长了开发的周期而且也增加了开发的成本。

发明内容

本发明公开了一种发动机曲轴动力学分析方法，具体如下：

在Hypermesh软件里对曲轴系进行有限元网格划分：曲轴、飞轮、皮带轮、正时齿轮和主轴承座等；

使用Nastran软件进行有限元子结构缩减求解；

在EXCITE软件中，搭建曲轴系动力学模型，对单元件施加相应的边界条件，进行仿真计算；

使用Nastran软件对曲轴进行动应力恢复求解，进行后处理，并对危险点进行疲劳分析；

根据结果对曲轴系进行合理的评价，如果结构不合理，还需要进行适当的结构优化。

该方法运用EXCITE软件计算技术对发动机曲轴进行动力学分析，得到发动机曲轴系的结构参数，进而对发动机曲轴系及相关的很多零部件结构参数进行合理的评价，并进行优化计算。实践表明，该方法对于评价和优化发动机曲轴系的零部件结构参数是快速有效的。

附图说明

图1：曲轴系的有限元模型；

图2：简易主轴承壁的FE模型；

图3：压缩前的主自由度节点；

图4：用户界面；

图5：曲轴系的EXCITE仿真模型；

图6：提交任务界面；

图7：曲轴轴承载荷图；

图8：某工况下曲轴系整体受力云图；

图9：主轴颈圆角危险点应力图及危险点应力放大图；

图10：曲柄销上危险点的应力图；

图11：Smith图。

具体实施方式

现结合附图对本申请的分析方法做进一步的说明。

1.网格划分：

1.1曲轴系网格划分

在对曲轴系进行网格划分时，为了保证曲轴系动力学分析的顺利进行并有较高的计算精度，一定要保证在圆角处有足够的网格精度，如图1所示。由于曲轴系的模型较大，计算工况多，所以曲轴系的计算采用子结构分析法，即模态压缩法。

1.2简易主轴承壁有限元模型

简易主轴承壁FE模型采用六面体网格，要求主轴承壁孔的单元层数与曲轴主轴颈上单元层数相同，必须是等分等间距的。如图2所示。

2有限元模型压缩

采用子结构分析法，直接利用3D实体单元FE模型，定义主自由度节点。将FE模型中的所有单元压缩到定义的所有主自由度节点上。利用MSC/PATRAN在主自由度节点处加上一个刚性层RBE2用来分散载荷。如图3示。利用有限元模态分析求解器MSC/NASTRAN将模型压缩至主自由度节点上。

3 EXCITE模型建立

应根据具体问题和所需得到的结果，对分析模型的建模提出要求。

在启动EXCITE之后，插入并定义体单元和连接单元，进行逻辑连接。用户界面见图4。

首先要搭建需要的EXCITE模型，曲轴系的EXCITE模型如图5所示。

4 EXCITE仿真计算

4.1 EXCITE仿真计算提交任务

仿真计算提交任务的过程如图6所示。

4.2轴承负荷计算

利用每个工况下各个主轴承座的受力图，如图7所示。可以列出每个工况下的轴承负荷情况表格，从而确定最大载荷点出现的工况及出现的位置。

5动应力恢复计算

使用EXCITE结构部件的主自由度节点的动力学结果，进行从主自由度释放到原模型自由度的数据恢复计算。通过有限元软件NASTRAN进一步分析动态应力，获得整个模型的动态响应解，进而进行疲劳分析。

由图9可以确定此工况下模型的主轴颈圆角危险点和曲柄销圆角危险点的最大应力值，这两者都应小于曲轴材料本身的极限值，曲轴的强度才能满足要求。

6疲劳分析

如图10为危险点应力曲线图，在指定工况下找到对应曲柄销圆角危险点的位置。

根据AVL的疲劳分析曲线，即Smith曲线图可知此工况下的安全系数。再由AVL针对不同的材料给出的最小安全因子标准来判断安全系数是否合理。

该方法运用EXCITE计算技术对发动机曲轴进行动力学分析，得到发动机曲轴的强度及疲劳参数，进而对发动机的曲轴及相关零部件结构参数进行合理的评价，并据此进行改进。实践表明，该方法对于评价发动机的曲轴结构是极其快速有效的。