（动力机械及工程专业论文）基于虚拟技术的柴油机强度分析.pdf

中文摘要 机体是柴油机的骨架，支承和固定着所有的零部件，工作时受力状况非常 复杂，其强度对整个柴油机的性能有着重要的影响。在设计过程中必须进行深 入的分析和计算，对其结构强度和刚度有一个较为准确的估计，以便合理地改 进和优化设计方案，取得令人满意的设计效果。 本文在4 1 0 0 q b 机体上应用有限元的方法对其进行静态强度、瞬态强度、 温度场和热结构耦合分析，为柴油机的设计改进提供依据。 本文首先用p r o e n g i n e 软件对4 1 0 0 q b 机体进行三维实体建模，并对该实 体模型用h y p e r m e s h 软件进行六面体网格的划分。其次应用a d a m s 和a n s y s 软件的联合仿真的方法建立4 1 0 0 q b 的柔性体模型，计算出机体在一个循环内 的受力。通过对柔性体和刚性体的结果对比，指出柔性体因素对机体的受力的 影响，特别是轴承力都有所增大。然后应用a n s y s 软件建立了较详细的机体 瞬态强度分析有限元模型，模拟了机体在发动机实际工作过程中的动态强度变 化历程。同时，应用a n s y s 软件对机体进行了热应力分析，计算缸内传热情 况时，只考虑了对流传热：对缸内施加边界载荷时，采取分段加载的方式，最终 得到其温度分布规律。最后应用a n s y s 软件对机体进行了热一结构耦合分析， 找出了机体的危险工况，对其进行了安全系数校合，求得了较为合理的安全系 数，证明机体是较为安全的。 本文对4 1 0 0 q b 机体的强度计算，对机体进一步的优化和改进有指导意义。 关键词：柴油机；机体；有限元；柔性体；应力场；温度场；热一结构耦合 a b s t r a c t t h ec y l i n d e rb l o c k ，f r a m e w o r ko fad i e s e le n g i n e ，s u p p o r t sa n df i x e sa l lt h e c o m p o n e n t sa n da c c e s s o r i e s ，a n ds u f f e r sf r o mv e r yc o m p l i c a t e df o r c ec o n d i t i o n s ， a n di t sr e l i a b i l i t yh a sa ni m p o r t a n te f f e c to nt h ep e r f o r m a n c e so fad i e s e le n g i n e a d e t a i l e da n a l y s i s ，c o m p u t a t i o no re x a c te v a l u a t i o no ni t ss t r u c t u r a ls t r e n g t ha n d r i g i d i t yi se s s e n t i a li nt h ep r o c e s so fd e s i g ni no r d e rt oi m p r o v ea n do p t i m i z et h e d e s i g ns c h e m ec o r r e c t l y , a n dt h e na c h i e v e sas a t i s f a c t o r ye f f e c to fd e s i g n i nt h i st h e s i s ，f e mt e c h n i q u ei sm a i n l yc o n c e n t r a t e da n du s e dt od os t a t i c s t r e n g t h , t r a n s i e n ts t r e n g t h ，t h e r m a la n dt h e r m a l - s t r u c t u r ec o u p l i n ga n a l y s i so nt h e c y l i n d e rb l o c ko f410 0 q bd i e s e le n g i n e ，w h i c hi su s e f u lt of u t u r ed e s i g na n d a m e l i o r a t i o n f i r s t ，t h r e e - d i m e n s i o n a lg e o m e t r i cs o l i dm o d e lo f4 10 0 q bd i e s e l e n g i n e c y l i n d e rb l o c ki se s t a b l i s h e do nt h ep l a t f o r mo fp r o e n g i n e ，a n dt h e nm e s h e db y u s i n gh e x a h e d r o ne l e m e n t so nt h ep l a t f o r mo fh y p e r m e s h s e c o n dc o m b i n e a d a m sa n da n s y st oa n a l y z ea n ds i m u l a t et h e410 0 q bf l e x i b l em o d e l ，c a l c u l a t e t h ef o r c eo fe n g i n eb l o c ka to n ec i r c u l a t i o n c o m p a r i n gt h ef l e x i b i l i t yb o d yr e s u l t a n dr i g i db o d yr e s u l t ，i n d i c a t ef l e x i b i l i t yb o d yf a c t o rm a ya f f e c te n g i n eb l o c kf o r c e t h i r de s t a b l i s ht h ed e t a i l e df i n i t ee l e m e n tm o d e lo f e n g i n eb l o c kt oa n a l y s i st r a n s i e n t s t r e n g t hb ya n s y s ，s i m u l a t i o nt h ed y n a m i cs t r e n g t hc h a n g em e c h a n i s md u r i n gt h e e n g i n eo p e r a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h eh e a tt r a n s f e r e n c ei nt h ec y l i n d e r , o n l y c o n v e c t i o nw h i l e u n d e rs t e a d yc a l c u l a t i n gi sc o n s i d e r e d t h ec y l i n d e ra p p l y i n gb o r e w a sd i v i d e di n t os e c t i o n sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tl o a d sw h e nt h e r m a ll o a d so nt ot h e i n s i d es u r f a c eo ft h ec y l i n d e rb o r e f i n a l l yt h et h e r m a l - s t r u c t u r ec o u p l i n ga n a l y s i so f c y l i n d e rb l o c ki sc a r r i e do u tb ya n s y s ，t h e nf i n dt h ed a n g e r o u sb e h a v i o r ，c h e c kt h e s a f e t yc o e f f i c i e n t t h i sp a p e rc a l c u l a t e st h es t r e n g t ho f410 0 q bd i e s e le n g i n ec y l i n d e rb l o c k ，t h e r e s u l tp r o v i d e st h ef o u n d a t i o n sf o rd e s i g n sa n di m p r o v e m e n t so f t h ec y l i n d e rb l o c k k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；c y l i n d e rb l o c k ；e f l e x i b i l i t yb o d y ；s t r e s sf i e l d ； t e m p e r a t u r ef i e l d ；t h e r m a l s t r u c t u r ec o u p l i n g 1 l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：上硌彳签字日期： m 7 年扫秒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞蕉茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘壁可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名上诲坪 签字日期：扣7 年月夕日 导师签名： 忻抄聊 签字日期岬年6 月f 7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 强度研究在内燃机结构设计中的意义【1 - - 4 1 内燃机已有上百年的历史，但还在不断发展之中。近年来由于市场竞争激 烈，许多企业力图通过提高转速和增压等措施来提高内燃机的动力指标，改善 经济性和排放。由于市场竞争剧烈，要不断有新产品问世，产品开发周期应该 缩短，以满足市场需求。例如，国外汽车业普遍将开发周期由5 年缩短为3 年， 但同时，为了提高质量、降低成本，需做大量的试验、分析和数据处理，需要 增加设计工作量。解决这对矛盾的办法便是采用先进技术和工具，将重点放在 先期设计阶段，大量应用现代设计理论和方法。 发动机设计的一个基本要求是保证其主要零件有足够的强度，在要求的使 用期限内可靠地工作，同时又能使发动机的体积和重量尽可能地小。为达到这 一要求，在设计过程中需要评估零件的强度和可靠性因此需要掌握零件的热负 荷和机械负荷的大小、性质以及相应的应力应变状况。 在内燃机零件设计中，机体是最难设计的零件之一。因为它的结构复杂， 包括气缸体、曲轴箱和支撑底座( 或油底壳) 。它是一个内部有很多隔板的复杂 箱形壳体结构，其上装有发动机的气缸盖、曲轴连杆机构、所有的附件和附件 传动机构，在此结构基础上按照其强度和刚度的要求布置了各种加强筋，并且 各种运动件的润滑、受热件的冷却和发动机的固定安装也都通过机体来实现。 而且，机体在内燃机运转时承受很复杂的负荷：各缸内气体对气缸盖底面和气 缸表面的均布气体压力，经活塞作用于各气缸壁的侧压力，经曲轴加在各主轴 承上的力，支架对内燃机的支承反力和反力矩。这些力的大小、方向随工况和 曲轴转角不断变化，有些力的作用点也在不断变化。此外，即使在内燃机不运 转时，各气缸盖螺栓、主轴承螺栓也使被紧固部分受力。以上各种力和力矩使 各部分受到交变的拉压弯扭，产生复杂的应力状态。因为机体的质量要占内燃 机总质量的l 4 左右，而制造成本约占总成本的1 1 0 ，机体的设计要特别注意 减轻其质量和改善铸造和加工工艺性，挖掘降低成本的一切潜力。由于机体是 一个复杂的空间结构，必须细致地进行结构细节设计，以优化材料的利用。在 这里，三维有限元结构分析和试验应力分析，有助于找出机体中的薄弱环节和 冗余环节，以便采取适当的修改措施。由于机体结构和作用载荷很复杂，在6 0 年代以前根本不可能对其进行比较详尽的计算分析，只有在实物造出来后用实 验方法进行研究。电子计算机的普及和现代数值计算方法的出现使机体的结构 第一章绪论 分析在设计阶段成为可能。 机体的设计要求： 1 机体要有足够的刚度，以保证零部件的正确几何形状和零部件之间的正确 配合关系。增加刚度的主要方法是使材料分布更合理；适应机体各部位受 力状况，尽可能增加机体受力和承受弯矩部位的抗拉、抗弯断面系数。同 时，要求在设计机体的具体结构时，尽量避免使机体承受附加弯矩。 2 组织好机体的冷却。一方面减少机体各部位的热应力，另一方面应控制机 体温度在一定的许可值内。应尽量避免采用相邻气缸无水套夹层的结构， 这种结构会因冷却不均匀造成气缸变形。 3 减少质量。机体的外廓尺寸应该紧凑，除了合理地设计结构，充分发挥金 属材料的抗变形的作用外，在工艺上尽可能采用薄壁铸件以减少机体质量。 柴油机机体约占整机质量的4 0 左右，因此降低机体质量对降低整机质量 影响很大。硼减薄结构壁厚的办法减少机体质量是有限的，而减少机体外 形尺寸可使机体的质量显著减少。对机体外型尺寸影响较大的参数有缸心 距l o 、s d 、连杆长度l 和活塞高度等。 4 气缸应该耐磨、耐腐蚀、耐穴蚀，有较高的使用寿命。 5 要贯彻国家的三化政策，即系列化、通用化和标准化政策，便于制造和维 修。 6 机体各部接缝处应该严密，防止漏水、漏气和漏润滑油。 1 2 内燃机强度分析方法概述 发动机设计的一个基本要求是保证其主要零部件有足够的强度和耐磨性， 在要求的使用期限内可靠的工作，同时又能使发动机的体积和重量尽可能的小。 为达到这一要求，在设计过程中需要评估零件的强度和可靠性。 确定零件热状况和应力应变状况的方法不外乎两类。一是利用模拟或模型 实验以至零件的实机试验来确定，二是利用计算来确定，这两种方法互为补充。 1 2 1 内燃机零件强度的计算方法 在实际工程中，计算方法本身需要通过实验验证并提供定鳃的边界条件， 而实验由于其精度和工作量的限制也往往需要通过计算分析得出更为详尽和全 面的结果 就计算方法来说，也分两类。一是解析计算方法，二是数值计算方法。前 者是对零件模型运用材料力学、弹塑性力学理论进行分析，以得出一些计算公 2 第一章绪论 式，再按公式计算各处的应力，后者所得出的则是表征具体零件的应力场的数 值解。十几年前常用的是解析计算方法由于发动机的主要零件形状复杂，受力 情况也复杂，在进行解析计算时不得不进行许多简化，因此计算结果与实际情 况相差较大通常要用一些经验系数加以修正，而经验系数一般都不能区别各种 发动机零件的具休情况，所以解析算法的可信度相对较低。现在只是对不重要 的发动机零件，以及某些不必过分简化就能进行解析计算的零件，才继续采用 解析计算方法。而在数值计算方法中有限差分法的应用范围有限，广泛使用的 是有限元法。 。 有限元法基本思想是将求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互连接 在一起的单元组合体。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计 算方法，是计算机辅助工程c a e 中的一种。另外，c a e 还包括边界元法，有限差 分法等。这几种方法各有其优缺点，各有其应用范围，其中有限元法的应用领域 最广，比如结构、热、流体、动力学、电磁学；同时，由于它能够处理藕合问题， 使得其有更大的应用前景1 5 i 。 简单的说，有限元法是一种离散化的数值方法。单元是有限元方法中最基本 的单位( 把物理结构分割成不同大小，不同类型的区域，这些区域就称为单元) 。 离散后的单元与单元之间只通过节点相互联系，所有力和位移都通过节点进行计 算。对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部，子域分界面上 ( 内部边界) 以及子域与外界分界面( 外部边界) 上都满足一定的条件。然后把所有 单元的方程结合起来，就得到了整个结构的方程。求解该方程，就可以得到结构 的近似解。离散化是有限元方法的基础。 有限元法的主要优点是：能比较准确地描述零件的实际形状，约束条件和 受力特征：能用于范围广泛的连续介质的应力与应变等，因此随着计算理论和 计算机技术的飞速发展，有限元法己经成为发动强度计算的主要方法。但日前 还存在一些尚未解决的问题，如边界条件还难于精确设定，实际上存在的制造 公差、材料工艺条件及使用条件的变化还难以完全考虑。 目前，有限元结构分析逐渐趋向于系统分析，而不是仅仅局限于零部件的分 析。随着计算机技术的提高，特别是有限元高精度理论的完善和应用，有限元分 析由静态向动态、线性向非线性、简单模型向复杂系统逐步扩大应用范围： 1 。求解能力更强大。在汽车工业中，就耐用性模拟、噪声、振动研究和碰撞实 验来说，这种趋势特别明显。在实际中，任何模拟所需要的计算机资源都是 巨大的。2 0 世纪9 0 年代，国外对发动机曲轴进行了大约8 0 万自由度线性分析， 2 0 0 1 年采用了5 0 0 万自由度的模型对活塞组件做非线性模拟。在不久的将来， 模型可以达到l 亿自由度甚至更大。 3 第一章绪论 2 在应力和运动的模拟分析之间传统的分界线将越来越模糊，运动模拟分析的 软件也能用于分析结构，如a n s y s 就是集结构、动力学、温度场、流体力学 和磁场于一体的分析软件。同时，相同模型用于多种分析也引起人们的重视。 在汽车工业中，相同模型可同时用于结构静力学和动力学分析，藕合场分析 是这种趋势的最明显体现。 3 系统分析的出现，需要综合考虑整个系统、子系统和零部件之间的关系，它 们之间的影响具有层次性，各零部件之间的影响将表现在整个系统分析中。 分析某一零件时，为考虑其它零件的影响和力的传递，在计算模型中应包括 相关的其它零件，另外出于对系统整体性能了解的要求，需对系统内部装配 件进行分析。 1 2 2 内燃机零件强度试验方法 在实际的应用中，由于内燃机零件有限元计算存在确定实际的位移和力的 边界条件许多确实的困难，有时候需要借助实验验证并提供有限元计算的边界 条件，虽然有限元技术在计算结构的强度方面有较高的准确性，但是由于制造 工艺，制造水平的限制，铸铁结构的发动机机体的尺寸可能和实际的设计图纸 有较大的差别，比如说壁厚局部最大可能和设计尺寸差别可能达到5 0 ，而有 限元模型是根据设计图纸建立的，可能和实际结构有加大的差异，当然强度的 计算结果也有可能存在一定的偏差，因此进行发动机零件强度的实验验证是十 分必要的，常用的零件强度的实验验证方法有如下三种嗍： 1 光弹性测量法。弹性试验是属于模型试验。概括的说，它是用具有特殊光 学性质的透明材料做成模型，将模型模拟实际情况加载，利用光学条纹分 布规律找出应力分布规律和数值。试验过程为：压制蜡模一浇制光弹模型 一应力冻结一切片观测。 2 电阻应变片法。用牢固地贴在分析对象上的电阻应变片将被测量的应变转 换成电信号，经过电阻应变仪的放大后把电信号输出给指示记录仪器，完 成对应变的指示或记录。试验过程为：确定危险点( 应力大) 一贴应变片一模 拟实际加载一应力测量。 3 疲劳试验法。柴油机大部分零件承受燃气力和惯性力引起的周期性变化负 荷，因此对零部件进行疲劳试验是一个不可忽视的研究试验领域。疲劳极 限在周期性负荷作用时使用最广泛的一种强度指标，常用6 - 8 个零部件做 出疲劳曲线，在大多数情况下试验技术为1 0 7 循环，疲劳试验是种即简单 又接近实际的方法。 4 第一章绪论 1 3 国内外研究现状 有限元技术的应用提高了发动机零部件设计的可靠性，缩短了设计周期， 大大推动了内燃机工业的发展。有限元法在柴油机行业上的应用可以追溯到6 0 年代，1 9 6 7 年7 月在荷兰召开的第二届国际船舶结构会议上曾经作过介绍有限 元在船舶柴油机上的应用，到1 9 7 7 年在日本召开的第十二届国际内燃机会议 上，有限元法在柴油机强度研究上的应用已很广泛。国内从引进有限元分析软 件以来，已有许多研究人员对机体的应力、温度等进行了有限元计算。 文献【7 】利用有限元分析技术对6 l1 0 型柴油机的机体、缸盖、曲轴、主轴承 盖、缸套、飞轮壳等柴油机主要零部件的组合部件进行了结构强度和刚度分析， 获得了结构改进的依据。用试验方法获得边界条件，并用试验结果标定有限元 计算模型，从而获得了较好的计算结果。 文献【8 。1 1 】用有限元的方法，对柴油机的机体进行了预紧力工况和最大爆发 压力工况的计算，校核了机体的安全系数。并对机体的强度薄弱区域提出了改 进方案。 文酬1 2 】针对发动机缸体结构复杂，工作过程中受到多种交变激振力作用的 特点，建立了较详细的缸体瞬态强度分析有限元模型，模拟了缸体在发动机工 作过程中的动态强度变化历程，准确深入地揭示了工作过程中缸体的动态强度 随时间的变化，为缸体动态结构强度设计提供可靠依据。 文献【l 卜1 6 】利用大型有限元分析软件a n s y s 计算分析了机体和气缸套的 温度场和热变形，并对机体的结构提出了改进措施。 文献【l7 】研究了柴油机缸内传热计算，给出了气缸内对流、辐射和导热的计 算模型，其中对流传热采用紊流模型，辐射传热采用火焰模型，导热采用周期 性瞬态传热模型，并考虑了二者之间的耦合关系。 文献【1 8 】针对汽油机机体，采用三维有限元数值分析方法对其进行稳态温度 场计算，将结果作为边界条件，施加在机体的组合结构有限元模型上，并且在 其上施加机体工作时的最大载荷，进行了机体的热一结构耦合应力场分析，为 机体的设计和改进提供了依据。 1 4 本论文的研究内容及意义 机体作为发动机所有零部件的支架，其结构形状和受力、受热状态都十分 复杂。设计与制造上稍有疏忽就可能导致机体在工作状态下出现裂纹等损坏现 象，从这意义上讲机体是直接影响发动机整机可靠性的关键部件。因此机体的 第一章绪论 设计必须保证它有足够的强度和刚度，既不能产生裂纹，也不能出现过大的变 形。 内燃机是燃料在气缸中进行燃烧，释放化学能，加热工质使其膨胀，并通 过曲柄连杆机构转化为机械功的原动机。燃料的燃烧使发动机燃烧室周围的零 部件都受到加热，使其工作温度升高。承受高温负荷的这些零件，有可能产生 蠕变、热疲劳等热故障，妨碍发动机长期可靠的工作，或者成为进一步提高发 动机性能指标的障碍。特别是对那些强化度高的发动机来说，热负荷、热强度 问题，己经成为能否研制成功或能否正常可靠运行的关键问题之一。温度水平 相对于温度分布可以认为是客观不可变因素，因此对受热零部件进行温度场研 究具有实际意义。 本文以某公司的4 1 0 0 q b 机型的机体为研究对象，应用a n s y s 软件对 4 1 0 0 q b 机型的机体和缸套组合模型进行了受力分析。 主要的工作内容如下： 1 用p r o e 软件对4 1 0 0 q b 机型的机体、曲轴、缸套、主轴承盖进行实体建模； 2 用h y p e r m e s h 软件对对4 1 0 0 q b 机型的机体、曲轴、缸套、主轴承盖进行六 面体网格的划分，建立有限元模型； 3 用a d a m s 软件和a n s y s 软件进行联合仿真，计算4 1 0 0 q b 机型主轴承孔 和缸套上的一个工作循环内的受力情况； 4 用a n s y s 软件对4 1 0 0 q b 机型的机体与缸套的组合体进行了受力分析，主 要有预紧力工况及一个工作循环内的瞬态力工况； 5 用a n s y s 软件对4 1 0 0 q b 机型的机体与缸套的组合体进行了稳态热应力分 析； 6 用a n s y s 软件对4 1 0 0 q b 机型的机体与缸套的组合体进行了热机耦合分 析。 1 5 本章小结 本章首先介绍了强度可靠性设计在内燃机机体设计中重要性，并总结了机 体设计的注意事项。随后介绍了内燃机强度的有限元和实验研究方法，并对国 内近期内对机体和缸套在强度方面的研究做了阐述。最后提出了本文的研究内 容。 6 第二章有限元建模 2 1 机体单元类型的选择 第二章有限元建模 对结构进行有限元分析，计算模型的建立是十分重要的。因为计算模型建立的 是否合理，对计算的速度、分析收敛及计算结果的可信度影响很大。 对于较为简单的计算模型，用一般的f e m 分析软件，建立模型- 划分网格，计 算，后处理都可以实现。但是，内燃机零部件结构一般都较为复杂，采用的方法是 先用c a d 软件( 如p 妇画n 嘲戢件) ，然后导入有限元分析软件( 如a n s y $ 软件) 进 行自动网格划分。一般采用的是4 面体网格。但是这样做有两个弊端：第一，对要分 析的内燃机零部件一般都要进行简化，因为c a d 软件和f e a 软件问的模型转换还存 在一些不兼容性，影响了计算的真实性。以p r o e 软件和a n s y s 软件为倒，用 p r o e n g i n e e t 软件建立模型后导入a n s y s 软件时，由于模型的结构非常复杂导 致很多小的曲面或倒角的丢失，给自动阿格的划分带来很大的困难；另外一些复杂 的曲面也不能够导入，必须进行简化。这其实是由于a n s y s 软件要自动划分网格， 就要求导入的模型不能够太复杂所致。第二，对复杂模型，f e m 软件都不能够划 分六面体网格。众所周知，六面体阿格要比四面体网格计算准确度高而且对于非 线性问题更容易收敛。 文献以半个1 i l 拐为倒分别划分了阳而体单元与六而体堕元加罔2 - 1 所示 田 l 曲拐的有限元模型划分 第= 章有限元建模 单元敛节点数 机时( s )磁盘空问( m ) t e n 低阶4 面体 1 日l o 高阶4 面体 h e x 8 低阶6 面件 囱；臣：q ：l = ! ? * 1。 ，l 脚2 - 2 主轴颈圆角弯曲应力分布圈 通过上述表格和应力分布圉可以看出： t e t 4 节点低阶4 面体：节点数相对较小，但单元数很大计算时间非常短，但 结果不可信。 t e t l 0 高阶4 面体：节点数非常大，单元数很大，计算时间非常长，占用硬盘资 源非常大，结果有一定的误差，但仍能接受。若应力集中区呵格质量不好，结 果显示的区域就不报准确。 h e x 8 低阶6 面体：单元数非常小节点数较小，计算时闻非常短，占用硬盘资 源小对称模型的结果完全对称，结果精度高。 可见六面体模型无论从计算精度、计算机用时等方面来看都有极大的优点。 特别是对大型模型( 阿格自由度达1 0 0 7 y 的模型) ，六面体网格有着极大的优点。 机体、缸套、主轴承等多个零部件联合在一起进行热一结构耦合的强度分析， 不仅零部件的结构复杂，而且自动划分产生的单元数目太，占用系统的资源，所以 采用自动划分网格的方法是行不通的。 为了提高计算精度，本文采用t p r o e n s ：i n e e r 软件建立三维实体模型，利用a l t a i r h y p e r m e s h 软件划分网格，然后利用a d a m s 和a n s y s 的联台仿真计算机体的受力， 最后利用a n s y s 软件进行分析计算的方法。采用这个方法就可以很好的解决上述的 问题，a l t a i r h y p e m l e s h 软件对导入模型非常宽松，小的翻角和复杂曲面都可以顺利 导入，并且可以手动划分六面体网格。 第二章有限元建模 2 2 建模及分析软件的介绍 2 2 1p r o e n g i n e e r 软件的介绍【2 l 】 p r o e 是美国参数科技公司( p t c ) 推出的新一代c a d c a e c a m 软件。其总体设 计思想体现t m d a ( m e c h a n i c a ld e s i g na u t o m a t i o n ) 软件的最新发展方向，f t c 也因 此成为全球c a d c a i d c a m c a 聊d a 月l a 领域最具代表性的著名软件公司。它所 体现出来的基于特征、参数化、单一数据库、全相关及工程数据库再利用等概念成 为m d a 领域的新业界标准。它能将设计乃至生产的全过程集合在一起让所有的用户 同时对同一产品开展设计工作，并很好地支持并行工程。由于其强大的功能，自推 出以来，迅速成为当今世界最为流行的c a d 软件之一。深受广大用户的欢迎。 p r o e 系统的核心技术特点是： 1 基于特征：将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存 为可变参数，而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构建。构 造实体的基本单元是特征。实体由多个特征组合而成。造型过程就是不断增加 特征，达到最终产品希望的模型。一个完整的模型往往是由许多特征组合而成。 在构造过程中或构造完成后，可对特征进行操作。如修改、重定义、重排序、 重定关系、插入等操作。 2 参数化：这是p r o e n g i n e e r 的另一特色。由于采用参数化设计，实体造型较快， 造型功能较强。它将形状和尺寸结合起来考虑，通过尺寸约束实现对几何形状 的控制。用户在草绘特征时，只需按自己的意图任意构造几何形状，再按实际 需要修改尺寸即可。造型必须以完整的尺寸参数为出发点( 全约束) ，不能漏标尺 寸( 欠约束) ，不能多标尺寸( 过约束) 。通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。 由于采用了参数化，某个特征的修改会使相关联的特征自动变更，可随时保证 设计意图。 3 全数据相关：其所有模块的信息是全相关的。因为它采用单一数据库，所有的 工程文档都采用同一个模型的数据。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部 来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个 部门的。在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过 程的相关环节上。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展 到整个设计中，同时自动更新所有的工程文当。包括装配体、设计图纸制造数 据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，且没有任何损失，使并行工 9 第二章有限元建模 程c e ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 成为可能。采用参数化技术的好处在于它彻底改 变了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸的形式而被有效控制。尺寸驱 动已经成为当今造型系统的基本功能。 2 2 2a l m i rh y p e r m e s h 软件的介绍 2 2 】 h y p e r m e s h 软件是美国a l t a i r 公司的产品，是世界领先的、功能强大的c a e 应 用软件包，也是一个创新、开放的企业级c a e 平台，它集成了设计与分析所需的 各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。在 c a e 领域，h y p e r m e s h 最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格前处理功能和 后处理功能。一般来说，c a e 分析工程师8 0 的时间都花费在了有限元模型的建 立和修改上，而真正的分析求解时间是消耗在计算机工组站上的，所以采用一个功 能强大，使用方便灵活，并能够与众多c a d 系统和有限元求解器进行方便的数据 交换的有限元前后处理工具，对于提高有限元分析工作的质量和效率具有十分重要 的意义。 h y p e r m e s h 是一个高性能的有限元前后处理器，它能让c a e 分析工程师在高度 交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。与其他的有限元前后处理器比较， h y p e r m e s h 的图形用户界面易于学习，特别是它支持直接输入已有的三维c a d 几 何模型( u g ，p r o e ， c a t i a 等) 已有的有限元模型，并且导入的效率和模型质量 都很高，可以大大减少很多重复性的工作，使得c a e 分析工程师能够投入更多的 精力和时间到分析计算工作上去。同样，h y p e r m e s h 也具有先进的后处理功能，可 以保证形象地表现各种各样的复杂的仿真结果，如云图，曲线标和动画等。 在处理几何模型和有限元网格的效率和质量方面，h y p e r m e s h 具有很好的速度， 适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制。其他很多有限元前处理软件对于 一些复杂的，大规模的模型在读取数据时候，需要很长时间，而且很多情况下并不 能够成功导入模型，这样后续的c a e 分析工作就无法进行；而如果采用h y p e r m e s h ， 其强大的几何处理能力使得h y p e r m e s h 可以很快的读取那些结构非常复杂，规模非 常大的模型数据，从而大大提高了c a e 分析工程师的工作效率，也使得很多应用 其他前后处理软件很难或者不能解决的问题变得迎刃而解。 h y p e r m e s h 的特点： 1 通过高性能的有限元建模和后处理大大缩短工程分析的周期： 2 直观的图形用户界面和先进的特性减少学习的时间并提高效率； 3 直接输入c a d 几何模型及有限元模型，减少用于建模的重复工作和费用； 1 0 第二章有限元建模 4 高速度、高质量的自动网格划分极大地简化复杂几何的有限元建模过程： 5 在一个集成的系统内支持范围广泛的求解器，确保在任何特定的情形下都能使 用适用的求解器。 c a d 接口及几何模型整理：h y p e r m e s h 具有工业界主要的c a d 数据格式接口。 它包含一系列工具，用于整理和改进输入的几何模型。输入的几何模型可能会有间 隙、重叠和缺损，这些会妨碍高质量网格的自动划分。通过消除缺损和孔，以及压 缩相邻曲面的边界等，可以在模型内更大、更合理的区域划分网格，从而提高网格 划分的总体速度和质量。同时具有云图显示网格质量、单元质量跟踪检查等方便的 工具，及时检查并改进网格质量。 模型创建和编辑：在建立和编辑模型方面，h y p e r m e s h 提供用户一整套高度先 进、完善的、易于使用的工具包。对于2 d 和3 d 建模，用户可以使用各种网格生成模 板以及强大的自动网格划分模块。 h y p e r m e s h 的自动网格划分模块提供用户一个智能的网格生成工具，同时可以 交互调整每一个曲面或边界的网格参数，包括单元密度，单元长度变化趋势，网格 划分算法等等。h y p e r m e s h 也可以快速地用高质量的一阶或二阶四面体单元自动划 分封闭的区域。四面体自动网格划分模块应用强大的a f l r 算法。可以根据结构和 c f d 建模需要来单元增长选项，选择浮动或固定边界三角形单元和重新划分局部区 域。 h y p e r m e s h 支持很多不同的求解器输入输出格式，这样在利用h y p e n n e s h 划分好 模型的有限元网格后，可以直接把计算模型转化成不同的求解器文件格式，从而利 用相应的求解器进行计算。h y p e r r n e s h 所具有的非常良好的求解器接口功能，使得 h y p e r m e s h 可以作为企业统一的c a e 应用平台，即统一利用h y p e r m e s h 进行网格划 分，然后对于不同的问题利用不同的求解器进行求解，这样c a e 工程师也可以很方 便的进行数据文件的管理，可以大大提高分析效率。 2 2 3a n s y a 软件的介绍【2 3 】 a n s y s 是a n s y s 公司开发的工程分析软件，几十年来，a n s y s 不断改进提高， 功能不断增强，目前己发展n l o 0 版本。a n s y s 以功能强大、兼容性好、使用方便、 计算速度快等优点而闻名于世，成为工程师开发设计的首选，广泛应用于航空、航 天、电子、机械、汽车、土木工程等领域。a n s y s 产品系列提供了一整套可扩展的、 灵活集成、可以独立运行的各种模块。 a n s y s 软件是大型通用有限元分析软件。它提供了一个不断改进的功能清单， 第二章有限元建模 包括：结构分析、电磁分析、流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划 分、参数设计语言等功能。 尽管a n s y s 程序功能强大，但它友好的图形用户界面( g u i ) 使其易学易用。 通过g u i 可以方便地交互访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考资料，可以 一步一步地完成整个分析，因而使a n s y s 易于使用。 a n s y s 按功能作用可分为：一个前处理器，两个后处理器、几个辅助处理器等。 前处理器用于生成有限元模型；求解器用于施加载荷和边界条件，完成求解计算； 后处理器用于获取求解结果，以便对模型做出评价。 而且a n s y s 提供了数据接口程序使得在其他3 d 软件中建立地模型很方便地导 入a n s y s 。 2 3 有限元模型的建立过程 2 3 1t t l 0 0 q b 机体的几何参数和特性参数 一4 1 0 0 q b 机体是四缸发动机的缸体，额定最大燃烧爆发压力p = - 1 2 5m p a ，额 定转速n = 3 2 0 0r p m 。 1 机体相关几何参数： 4 1 0 0 q b 机体是新设计的结构，为了分析方便，我们建立以下坐标系： 以第三主轴承孔的圆心为坐标原点。 从机体第三主轴承孔中心指向飞轮的方向定义为x 轴。 从机体第三主轴承孔中心指向无凸轮轴孔一侧的方向定义为- y 轴。 从机体第三主轴承孔中心指向缸顶的方向定义为z 轴。即向上的方向。 参数名称尺寸参数名称 尺寸 机体缸套孔内径 0 1 0 5 r a m 气缸套孔内径 t o l 0 0 m m 主轴孔内径 t o r 8 4 m m 曲轴主轴颈直径 t 0 8 0 m m 连杆大头孔内径 0 6 9 m m 曲轴连杆轴颈直径 0 6 5 m m 活塞销直径 t 0 3 5 m m 凸轮轴轴颈直径 0 6 5 m m 活塞行程 1 1 5 m m曲拐半径 5 7 5 m m 连杆长度 1 8 4 m m 第二章有阻元建模 2 机体材料参数： 4 1 0 0 q b 型机体使用h t 2 5 0 材料，气缸套的材料为铸铁，它们的材料性能参数 如表2 - 3 所示： 机体缸掣埘 材料 铸铁 密度7 8 0 9k w m 7 5 7 0 k w m 3 弹性模量 潘怪比 比热窖4 7 0j t 3 c e 1 导热系数 5 0 w ( m 1 线髟胀系敲1 0 x l 竹 0 x 1 0 4 2 3 2c a d 模型的建立 建立准确可靠的计算模型，是进行结构设计和分析的最重要的步骤之一。计算 结果的准确性在很大程度上取决于计算模型的准确性。但是准确性的提高必然会导 致计算经济性的下降。因此在保证准确性的同时也要兼顾计算的经济性。 发动机机体是铸造的箱体类零件其结构形状极为复杂，机体上分布有各种加 强筋、凸台、轴承孔、水套、油道孔和各种纵、横隔板，在建立机体的三维实体模 型时，不可能全部考虑这些复杂的因素，只能考虑一些起主导作用的因素。如对安 装机体附件用的凸台等进行简化或省略，对影响不大的小的螺孔、水孔和油孔等不 予考虐等。在以上简化的基础上，本文对4 1 0 0 q b 机体进行了重新建模( 如图2 - 3 ) 。 圈2 0 机体c a d 模型图 第二章有限无建模 同理对主轴承盖、缸套、曲轴、缸盖螺栓、主轴承螺栓等组建都进行了实体 建模，这里就不一一驯m 了但磐出曲抻的蝉刖押阁14 诉示 1 1 9 2 4 曲轴c a d 模型翻 对机体、缸套、主轴承盖进行安实际情况进行装配，装配图如下 2 3 2 有限元模型 酗辩禚 图2 - 5 机体缸套装配圈 有限元模型( 包括节点数据、单元、物理特性、材料特性及边界条件) 的建立是 有限元法求解问题的先决条件。在整个分析过程中，它通常具有最大的工作量。有 限元网格划分并不纯粹是一个几何问题，还必须考虑结构的特性及载荷分布、约束 情况等，并兼顾求解精度和计算规模对时间、内存的要求。因此在整个有限元分析 过程中尤为重要。 4 1 0 0 q b 机体结构复杂- 受力情况及热负荷都很复杂，故其有限元模型的网格划 分的要求也很高。如前文所述，六面体在舟格计算精度和计算时问上都占有很大的 第二章有限元建模 优势，为保证模型分析的准确性本文对4 1 0 0 q b 的机体、曲轴、主轴承盖等都运用 h y p e r m e s h 软件进行了六面体网格的划分。 对机体的装配图进行六面体手动网格划分，得到7 2 4 8 8 个单元，8 7 8 2 3 个节点。 因为机体的结构复杂，如果只用六面体划分，则单元的质量组难保证并且有些地 方的单元划分将很难进行下去。因此，机体的有限元模型是以六面体类型单元为主， 包括五面体、四面体等多种单元类型的模型。4 0 0 q b 机体的有限元模型中就包括了 5 6 2 4 8 个六面体单元，9 4 9 9 个五面体单元，2 4 1 个四面体单元。划分后的有限元模型 如图2 6 所示： 一 圈2 击机体有琨元模型 对曲轴进行六面体网格划分，得到3 6 4 4 个单元，1 6 6 3 个节点。其有限元模型如 图2 - 7 所示： 圈2 7 曲轴有限元模型 第二章有限元建模 2 4 本章小结 本章主要叙述 4 1 0 0 q b 机体的有限元模型的建立过程。 首先对有限元模型建立时应采用的单元类型进行了讨论，指出相对于四面体， 六面体模型无论从计算精度、计算机用时等方面来看都有极大的优点，故采用了六 面体手动划分机体模型。 再次对本文将用到的p r o e n g i n e e r 、a l t a i rh y p e r m e s h 、a n s y s = 种软件进行了 简要的介绍， 最后详细叙述了三维c a d 模型和有限元模型的建立过程，最终得到了一个包括 7 2 4 8 8 个单元，8 7 8 2 3 个节点