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曲軸軸系是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要組件之一，其動(dòng)力學(xué)特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性、振動(dòng)、噪聲等有較大影響。其受周期性變化的氣缸壓力和慣性力的共同作用，并對(duì)外輸出轉(zhuǎn)矩，工作負(fù)荷非常大，容易發(fā)生斷裂等破壞，因此有必要對(duì)曲軸進(jìn)行強(qiáng)度、模態(tài)和疲勞壽命等校核。
雖然目前很多疲勞可靠性估算模型己經(jīng)很成熟，并有效地應(yīng)用于很多領(lǐng)域，但對(duì)于柴油機(jī)關(guān)鍵零部件，如曲軸、活塞、連桿以及活塞銷等，在隨機(jī)疲勞行為模型及可靠性估算模型的理論研究和應(yīng)用方面還是有欠缺的。例如文獻(xiàn)在實(shí)測(cè)應(yīng)力累積頻數(shù)分布圖時(shí)忽略應(yīng)力的先后次序?qū)ζ诘挠绊憽Ｎ墨I(xiàn)出基于聯(lián)合仿真的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)部件的疲勞壽命，其研究對(duì)象為單缸，而實(shí)際應(yīng)用中多缸發(fā)動(dòng)機(jī)較多，實(shí)際情況復(fù)雜，這樣確定危險(xiǎn)工況存在一定的誤差。文獻(xiàn)針對(duì)某單缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸斷裂問題，通過材料的改變計(jì)算最大載荷工況下的變形和應(yīng)力，但是在進(jìn)行強(qiáng)度有限元分析之前沒有考慮動(dòng)力學(xué)特性的影響。
以某臺(tái)四沖程V型八缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸系為研究對(duì)象，建立動(dòng)力學(xué)仿真分析模型，其中曲軸作為柔性體處理，應(yīng)用有限元分析軟件Ansys對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，生成MNF(modal neutral file)，利用ADAMS(auto-matic dynamic analysis of mechanical systems)View模塊，將柔性體模態(tài)變形融入到多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真中。通過Ansys分析找出曲軸、連桿等工作時(shí)的危險(xiǎn)部位，將應(yīng)力值取出分別用Miner方法和Certon-Dolan方法估算疲勞壽命，比較二者的優(yōu)劣，為零部件的主動(dòng)壽命設(shè)計(jì)和保證實(shí)際應(yīng)用的安全性提供依據(jù)。
首先采用三維實(shí)體建模軟件UG(unigraphics)完成柴油機(jī)曲軸軸系各零件的實(shí)體建模。該四沖程八缸V型柴油機(jī)曲軸軸系由曲軸、連桿、活塞、活塞銷、飛輪、軸瓦、襯套、機(jī)架、平衡塊等組成。由氣缸內(nèi)氣體爆發(fā)壓力通過活塞、連桿驅(qū)動(dòng)曲軸。根據(jù)圖紙尺寸和裝配要求，建立的柴油機(jī)曲軸軸系總體裝配體如圖所示。
將在UG中建好的曲軸三維實(shí)體模型導(dǎo)入到Ansys中，進(jìn)行幾何模型的離散化、材料特性定義等有限元模型處理和計(jì)算分析。柔性體曲軸由Ansys通過模態(tài)計(jì)算導(dǎo)出曲軸的模態(tài)中性文件MNF，曲軸的模態(tài)中性文件MNF包含20 000 Hz以內(nèi)的152個(gè)自由模態(tài)，在ADAMS View中讀入生成的曲軸模態(tài)中性文件MNF，創(chuàng)建曲軸柔性體模型。
發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸系的基本作用力有三個(gè)，一是氣缸內(nèi)的氣體爆發(fā)壓力，這是主動(dòng)力；二是由于曲軸軸系運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力；三是曲軸軸系運(yùn)行時(shí)的約束力和摩擦力。模型中各構(gòu)件的幾何位置參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)通過UG實(shí)體模型直接傳入到ADAMS中，由ADAMS自動(dòng)計(jì)算出�；钊�(1～8)上作用的各缸氣體爆發(fā)壓力特性根據(jù)已知參數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)，并使用ADAMS建立氣體壓力樣條曲線。在具體施加缸內(nèi)氣體爆發(fā)壓力邊界條件時(shí)，應(yīng)根據(jù)多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序調(diào)整各活塞表面的氣體爆發(fā)壓力相位。調(diào)整爆發(fā)壓力和控制曲軸轉(zhuǎn)速后，生成曲軸軸系剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)分析曲軸在柔體動(dòng)力學(xué)計(jì)算中的機(jī)械響應(yīng)特性。在生成曲軸軸系柔性多體動(dòng)力學(xué)模型過程中，需要注意下面兩個(gè)問題：
(1)將模態(tài)中性文件輸入ADAMS View后，ADAMS View會(huì)將其原點(diǎn)放在整體慣性坐標(biāo)系的原點(diǎn)上，并且與模型中其他零件沒有任何關(guān)系。運(yùn)用ADAMS View提供的運(yùn)動(dòng)副約束或柔性連接可將它與其他零件連接起來。
(2)在ADAMS View中輸入柔性體后，可以在其上施加作用力，因?yàn)槿嵝郧S是被動(dòng)(被加載)物體，可以通過在柔性體上附加一個(gè)無質(zhì)量連接物體，將作用力加在該無質(zhì)量連接物體上。
在此多體動(dòng)力學(xué)仿真模型基礎(chǔ)上，通過ADAMS對(duì)曲軸軸系進(jìn)行轉(zhuǎn)速1 500 r min時(shí)的動(dòng)力學(xué)仿真預(yù)測(cè)分析，可以獲得一系列的位移、速度、加速度和力、力矩的數(shù)據(jù)曲線。如圖2為連桿大、小頭的受力曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，氣缸氣體燃燒壓力在一個(gè)周期內(nèi)變化時(shí)，連桿大頭受力大于小頭受力，此可為后面進(jìn)行連桿疲勞壽命估算提供載荷。
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