基于CFD的柴油机曲轴减震器拆装过程仿真与工程分析毕业论文160

**大学本科毕业设计（论文）第一章绪论1.1柴油机曲轴减震器的发展与研究现状1.1.1曲轴减震器的技术背景当发动机运转的时候，由于发动机汽缸中的燃料的，燃料的燃烧的瞬间会产生巨大的压力，点火瞬间产生的压力同曲柄连杆机构传递到曲轴上，从而驱动曲轴旋转。由于发动机的每个缸内燃烧产生的瞬时巨大压力对其曲轴都会产生一个冲击，因此，曲轴在工作周期内将产生不均匀的旋转，旋转的角速度的峰值与工作周期的点火数对应。曲轴的这种不均匀旋转称之为曲轴滚震[1]。另外，由于曲轴存在一定的扭转刚度，作用在前端曲拐上的力会使曲轴前段相对后端迅速发生扭转变形，而当作用力消失后，这种扭转迅速复位，这种现象为曲轴扭震[2]。为了减少滚震及扭震对曲轴的影响，当前发动机都在曲轴上面安装了飞轮和圆形的曲轴减震器，在这样的曲轴减震器内部存在橡胶阻尼环等装置，能够避免曲轴产生共振，同时也可以吸收部分扭震能量来达到减震的作用。但是，就现有的曲轴减震器而言，这些仍不能完全消除滚震对曲轴的影响，使得曲轴减震器依然会存在不均匀旋转。曲轴不均匀的旋转会带动皮带产生较大的皮带张力，较大的皮带张力波动不仅会使皮带容易打滑，皮带磨损加剧，各结构之间产生摩擦进而产生噪音，而且会对其他附件产生冲击，使运动机构不稳定，特别是转动惯量较大的发电机和空调压缩机等零部件[3]。1.1.2曲轴减震器的发展趋势国内外研究者减振器已经对曲轴的扭震，曲轴减震器进行了大量研究。早在20世纪20、30年代国内外的研究者们就注意到了硅油减震器，慢慢的不仅对硅油减震器的匹配而且对硅油减震器的设计等进行了研究。英国内燃机研究协会较为系统的研究了柴油机轴系的两质量点和三质量点简化模型的硅油减振器匹配计算方法，还给出了减振器的最佳阻尼系数计算和发热量计算的校核方法，这些方法一直沿用到现在，最佳阻尼系数计算和发热量计算的校核方法是目前广泛使用的理论和方法[4]。德国内燃机研究协会也在20世纪50、60年针对硅油减振器的工程应用方面存在的一些问题进行了较为深入的研究，并组织柏林大学等科研机构研制实验设备和模拟台架进行试验研究，获得硅油的理化特性，并对减振器动态性能进行预算的方法[5]。由上述可得，国内外的科学家们对船用柴油机曲轴减振器进行了大量的科研。1.2过盈配合的液压拆装技术研究现状就现在来说，相比国内拆装技术而言，国外在液压的科研比较提前。因为液压在控制方面控制方便迅速，而且液压的油膜还具有润滑作用，这样一来，液压拆装不仅再生产生活中安全可靠，而且节约生产装配的时间，同时降低了在伤残和装配过程中零部件间的损伤，所以采用液压拆装在过盈配合零件中非常适用[6]。下面就以圆柱轴承等为例讲解一下液压装配，圆柱轴承、圆锥轴承的拆解原理如图1-1所示，首先要在零部件间开设油道，这是在设计初期就应该考虑到的，然后用注油器把具有一定粘度的压力油从在设计初期就开好的油道注入两个零部件的过盈配合表面，这样一来，注入的液压油就会产生一层很薄的压力很高的油膜，这层油膜就把过盈配合接触面给分开。这层油膜有效的使零部件间的摩擦系数变小。而且这层油膜不仅减小九成拆卸力，而且也在同时使部件间摩擦损坏的风险也降低了。但是比起圆柱轴承，圆锥轴承就不同了，因为由于圆锥轴承的结构，所以它在拆解时不需要施加轴向推出力，依靠液压在锥面的形成的反作用力就可将圆锥轴承推出。但是就目前液压拆卸而言，由于技术问题液压拆卸现在主要应用于一些尺寸较小、过盈量不大的零部件。图1-1圆柱，圆锥轴承液压拆卸原理液压装配的优点有很多：第一，液压系统因为使用液压油作为介质所以可以准确控制所需的拆装压力，以免刮伤拆装部件；第二，液压拆装时，在接触面注入的液压油压力是相同的，不会出现压力不均而导致部件变形不均的现象，第三，液压油形成的高压油膜降低了接触表面间的摩擦作用，减小了拆装时所需的轴向推力，有利于实现无损拆装。但需要指出的是,液压拆解属于主动拆解，在设计初期就要考虑需要事先开设注油通道[7]。1.3选题的意义与目的1.3.1选题的意义曲轴加装曲轴减震器是利用阻尼和弹性系统来有效的吸收轴系的震动。当然阻尼和弹性作用都存在的减震器对于曲轴而言更为合适。曲轴减震器能否发到预期的减震功能，不能只靠计算结果来证明，其原因是在扭震计算中，惯量经过当量简化，是理想化的状态，所以在初步设计后，最终还要经过特性测试来调整减震器参数，才能满足内燃机的实际工作要求。因为曲轴减震器和曲轴之间为过盈配合，曲轴减震器在安装过程中需要推压油路和涨压油路的配合，首先通过涨压油路将减震器孔涨大到合理的直径，然后再利用拉伸器通过推压油路利用活塞推动减震器到合理位置，最后涨压油路释放压力使曲轴减震器与曲轴配合。同样，在拆卸曲轴减震器的时候先是用涨压油路将减震器孔涨大到合理的直径，然后再利用拉伸器通过推压油路利用活塞拉动减震器到合理位置使其与曲轴分离。但是在实际操作中推压油路和涨压油路压力的压力匹配很难控制，这样带来的后果就是安装时涨压油路还未将减震器孔涨大到合理的直径，推压油路就利用活塞推动减震器进行安装，这样减震器在安装过程中将会把曲轴划伤。在实际的拆装中，在曲轴减震器上会发生冷焊现象，这就是因为压力匹配不合理导致的结果。同样，在拆卸曲轴减震器时涨压油路还未将减震器孔涨大到合理的直径，推压油路就利用活塞拉动减震器进行拆卸，这样减震器在拆卸过程中也会把曲轴划伤，同样也会发生冷焊现象，这对曲轴不好，对曲轴减震器也不好。1.3.2选题的目的为防止减震器在安装及拆卸过程中将曲轴划伤，我们用拉伸器及压力机压入法对减震器进行拆装，液压拆装法的优点在上文已经提到，在这里再不详述。通过基于CFD软件的柴油机曲轴减震器拆装过程仿真与工程分析，先用UG构建柴油机曲轴减震器三维模型，例如主要部件主轮毂和曲轴配合段的实体模型，利用FLUENT分析柴油机曲轴减震器拆装工艺操作方法；再建立柴油机曲轴减震器用拉伸器的三维模型，进行柴油机曲轴减震器拆装工艺过程仿真；最后分析柴油机曲轴减震器拆装时推压油路和涨压油路压力分布，进而分析减震器主轮毂和曲轴配合段的工况强度，建立柴油机曲轴减震器拆装过程涨压和推压的匹配关系；可以避免拆装过程的损坏，提高工作效率，提高曲轴的使用寿命。1.4本论文的主要工作首先查阅国内外相关文献，了解柴油机曲轴减震器的基本工作原理、用途及结构，了解柴油机曲轴减震器拆装工艺的研究现状与存在问题；然后用三维建模软件构建柴油机曲轴减震器主轮毂和曲轴配合段的实体模型，分析柴油机曲轴减震器拆装工艺操作方法与注意事项；再构建柴油机曲轴减震器用拉伸器的三维模型，进行柴油机曲轴减震器拆装工艺过程仿真；最后利用CFD软件分析柴油机曲轴减震器拆装时涨压油路压力分布，进而分析减震器主轮毂和曲轴配合段的工程强度，建立柴油机曲轴减震器拆装过程涨压和推压的匹配关系；1.5本章小结本章综合叙述了船用柴油机曲轴减震器的发展趋势，以及船用柴油机曲轴减震器国内外的研究现状；本章不仅较为详细的介绍了曲轴减震器的技术背景和分类，同时也介绍了过盈配合的液压拆装技术研究现状；阐述本课题的来源，意义，最后阐述了本文所做的主要工作内容。第二章柴油机曲轴减震器的工作原理2.1曲轴减震器的类型图1-2减震器的分类图通过研究发现，常用的曲轴扭振减振器可分为两种类型，一种是橡胶减振器总成另一种是硅油减振器总成[8]。橡胶减振器的橡胶层很有特点，橡胶层它不仅有弹性而且又有阻尼。橡胶健身器的优点是橡胶减振器不仅其结构简单，而且橡胶减振器成本低;但橡胶减振器也有缺点，因为橡胶减震器阻尼较小，所以橡胶减震器一般不能满足最大参数匹配的要求；同样也因为橡胶的弹性和阻尼随温度变化较大，所以橡胶减震器性能不稳定。相比而言硅油减振器不仅硅油黏度能较好地控制，而且惯量也能较好地控制，更有胜者是硅油间隙也能较好地控制，同样也因为硅油减振器制造一致性较好，而且硅油黏度的选择范围较大，硅油黏度随温度变化较小，硅油黏度性能稳定，所以说硅油减振器减振效果要比橡胶减振器强很多。2.2曲轴减震器的工作原理及基本结构2.2.1曲轴减震器的基本结构橡胶减震器基本结构可分为两种，一种是平面盘状结构，也就是说橡胶胶层采用平面盘状结构,用硫化方法枯接在壳体和惯性轮之间；另一种是胶层呈环形，采用预压缩镶嵌方式结构,同样也有将减震器和皮带轮做成一体的结构[9]。硅油减振器大体是由三部分组成的，它们分别是壳体、惯性圆盘和起轴承作用的减磨衬套，壳体内部安装的是硅油减震器的惯性圆盘。惯性圆盘可绕光滑耐磨的减磨衬套进行自由的转动。惯性圆盘与壳体间不是紧紧相连的，它们之间有一定的间隙，这个间隙是用来填放硅油。曲轴的前端固定连接的是硅油减振器的壳体，硅油减振器的壳体不是单独运动的，它是与曲轴系统一起运动的[10]。当曲轴系统发生扭振的时候，惯性圆盘运动总是滞后于壳体的运动是因为硅油减振器的惯性圆盘转动惯量较大，这时间隙中硅油就起到了作用，硅油的黏性阻尼就会消耗振动能量，从而硅油减振器达到减震的目的。而硅油减震器并不是完美的，但是硅油减震器也有缺点，硅油减振器密封较困难，这样一来硅油与空气接触吸收水分时容易变质，减弱减振器减振效果[11]。同样还存在一种硅油橡胶复合式减振器，硅油橡胶复合式减振器由三部分组成，分别是减振器壳体，惯性质量体和橡胶环，橡胶环用来胶合壳体和惯性体。2.2.2曲轴减震器的工作原理橡胶减震器为了更好的改善扭震，可以通过多种方式来实现，比如，改变轴系柔度，对干扰力矩进行调整，也可以附加另外的振动系统，甚至是通过假装减震器来实现。加装减震器的原理就是对阻尼的利用，阻尼可以有效的消耗系统的能量，从而有效的减小振幅，这是一个相当直接有效的好方法。硅油减震器的原理是，利用高粘度的液态硅油，注满减震器壳和减振环之间的空隙。由于硅油用于内摩擦了大的特点，所以能在工作时起到阻尼扭震的效果。减震器工作时，硅油产生粘性阻尼，从而有效的对振动的能量进行消耗，这就使得降低扭震的目的得以完成。减震器壳体与阻力力矩的乘积，就是硅油产生阻尼消耗的能量[12]。硅油橡胶复合式减震器，要求把高粘度的硅油惯性体和壳体之间的缝隙注满，利用高难度的有来减少机械振动。橡胶环不仅满肚弹性体作用，同时还可以对硅油进行密封。人们一般采用天然橡胶，这种橡胶发热量和内阻都是很低的，用这种橡胶可以满足它长期在高温和高频振动环境下工作[13]。硅油的阻尼系数和橡胶的弹性参数都有较大的变化范围，这就使得，为了满足各种不同的设计要求，这就给我们提供了较为广泛的选择自由度，能够更好的达到减振效果。实验证明，这种减震器不仅质量轻，而且更加的牢固，寿命也更加的持久，当然，更具减振特效。2.2.3曲轴减震器的特点橡胶减震器的缺点是阻尼力矩较小，在阻尼力矩较大的场合减震效果就不理想，但由于橡胶减震器不仅结构简单,而且体积和重量较小，同时在制造维修方便等几方而的优点,所以适用于中小功率高速车用内燃机。目前功率小于440KW的内燃机，一般都采用橡胶减震器。但是橡胶减震器也有缺点，橡胶减震器依靠改变胶料配方这样的方法来调整阻尼实际上是比较困难的；因为橡胶内摩擦发热存在，这样橡胶就存在加速老化的问题，同样胶层受高频时胶层会扭转变形；在预压紧面或硫化结合面上就会产生交变剪切应力，当此应力超出允许值时，橡胶会发生打滑或开裂。所以就要对剪切率和发热量进行核算[14]。硅油减震器的减振效果要强于橡胶减震器总成，可以从以下几点看出：一是硅油的黏度、间隙、惯量都能控制的很好；二是生产一致性更好；三是硅油的黏度有较大的选择范围；四是性能更稳定，温度影响不大。硅油橡胶复合式减震器可以看作现在相对完美的减震器。它专注于硅油减震器和橡胶减震器的长处，同时对两者的缺点进行克服。这种减震器可以在很大的范围内对弹性进行调整，通过对橡胶层尺寸和橡胶硬度的选择；同时也可以在很大范围内对阻尼进行调整，它可以通过设计不同的油腔、油隙或者改变硅油的黏度来完成[15]。所以，使用这种复合式减震器在设计上更容易达到设计要求的参数，同时它的减振效果和尺寸质量都要由于分开的任意一种减震器[31]。2.3本章小结本章开头对曲轴减震器的分类进行了详细的归纳总结，大致可以分为三类。接下来介绍了三种曲轴减震器基本结构，主要介绍了三种典型的曲轴减震器优缺点，还介绍了三种减震器各自的工作原理，最后详述了三种减震器的特点为以供以后的工作打下基础。第三章计算流体力学理论基础3.1计算流体力学的概念对于本论文而言，本章的理论基础起到基石的作用，本论文在接下来的几章将会介绍到推压油路和涨压油路的油路压力分析，这不仅涉及了计算流体力学的理论基础更涉及到了网格划分软件GAMBIT和计算流体力学软件FLUENT的使用，只有掌握了理论基础，熟悉了软件操作，才可以有效的进行后续工作。计算流体力学以现代计算机技术为基础之上的，CFD主要不仅可以用来求解复杂的流体的流动、而且还可以解决比较复杂的辐射问题，更有胜者CFD也可以解决复杂的传热等方面的问题。CFD作为一种模拟计算工具，它属于流体力学中较多门派中的一种。CFD的原理是通过计算模这种有效的方式，可以简便的获得流体在每一种不一样的条件下的各种参数和状态，这样就很显然的丢弃的试验台这样繁琐的设备，进而用计算机这样先进的仪器来代替它来进行计算实验，这个模拟计算的平台很简捷方便的提供给了人们，让人们来获得流体的实际工作参数和状态。在这个设计快速发展的年代，CFD已经越来被人们所接纳，在很懂行业都可以看到它的身影。计算流体力学的基本思想很简单，简单的说就是用有限的点来代替连续的场，这些点是离散的，而这些场却是连续的。再将这些离散的点通过特定的原理例如雷诺方程，连续方程，守恒方程等等建立起来代数方程组。接着用计算机来求解方程组得出结果最后获得场的近似值[30]。CFD这种数值模拟对流体的是建立在三大守恒方程控制下的。由于CFD这种强势的数值模拟比起其他数值模拟软件而言，它可以轻易地解决复杂的各种不同的流体流动问题，还可以直观的看到各种复杂的流场特殊的结构的变化，更有胜者CFD还可以直观的看到每个点上的基本物理量的基本状况，而且，当CFD与其他的计算机辅助设计软件相结合时，就可以更简单更方便的进行关于流体设计等[16]。3.2基本控制方程3.2.1系统与控制体在流体力学中系统是由很多很多的流体的质点的结合多组成的。环境是所不包含在流体系统之内的物质。在众多的研究对象中，系统往往首当其冲。而用来区别系统的就是外界。就算流体在运动的过程中其形状会不断的发生变化，但是系统总是包含着所有的质点，这些质点的数量是不会减少的，而每一个质点的质量不会发生变化，所以系统内所有的质点的质量是确定的；就算外界和系统有力和能量的交换，但是质量是不变的[17]。为了研究某些问题所取的特定的空间区域被称之为控制体，控制面的定义是包围这个空间体积的边界面，值得注意的是控制面的表面是封闭。在控制体中的质点是可以改变的，当控制体中的质点通过控制面离开或进入控制体，就说控制体与外界发生了动量和能量的交换[18]。3.2.2质量守恒方程（连续性方程）在流场中，部分的流体通过部分的控制面是这样进出控制体的，这时流体的体积质量就会发生变化[29]。控制体内流体质量的增量是通过进入控制体的质量减去流出控制体的质量得到的，这就是质量守恒定律在流体力学中的应用，通过这，流体连续性方程式就可以被得出：微分形式为：本课题研究的介质为液压油，视为不可压缩流体，质量守恒方程表示它的单位质量的体积是不能变的。3.2.3动量守恒方程（运动方程）牛顿第二定律告诉我们，流体系统的动量变化率是是一个矢量和，这个矢量和就是作用在流体上的外力，动量守恒方程如下：3.2.4能量守恒方程

其中：；是有效传导系数，其中：是湍流热传导系数；是组分的扩散流量；包括了化学反应热以及其它用户定义的体积热源项；3.3CFD数值模拟方法分类3.3.1有限差分法有限差分法是众多CFD数值模拟软件中最经典的方法之一，有限差分法很容易让人们接受，因为它建立在经典的数学逼近理论的基础之上，有限差分法对于规则区域的结构划分非常有效，但是对于非规则的区域的结构划分有限差分法就显得不方便了，会导致数值不稳定，影响计算精度[19]。3.3.2有限元法有限元法让人们在计算机上面用仿真软件实现模拟一个工程问题，这样简便而不要实际去做，它就是这样一种巧妙的计算机数值模拟技术。有限元法的最大优点就是在设计阶段就可以在计算机上面发现产品的不足，而不是到产品真正的做出来。这样不仅很有效的减少了产品设计时间，而且很有效的的降低了研发资金，同时也缩短了产品的制造时间。有限元法借鉴了有限差分法的优点离散处理，因为有限元法对网格划分很有优势，所以被应用的很广泛[20]。3.3.3有限体积法有限体积法是目前数值模拟应用最广泛的方法之一。因为有限体积法是以物理量守恒为基础的。通过对流体运动的有限个子区域的积分离散来构造离散方程。有限体积法的基本思路简单易懂，能得出直接的物理解释[21]。有限体积法不仅巧妙地适用于流体计算，而且也应用于复杂的不规则的网格，不仅简单易懂而且很精准，非常适用于二维三维湍流数值计算[22]。3.4层流和湍流的基本理论流体流动状态可分为层流和湍流两种形式。层流可以理解为液体质点在流动过程中作有规律的运动，而不是混乱的运动，这样液体质点之间相互无掺杂的流动形式称之为层流。如果液体质点作不规则运动形态叫做湍流。层流通过分子间相互作用，湍流主要通过质点间的混掺。湍流所传递的速率远远大于层流[23]。水利工程所涉及的流动，一般为湍流。层流的特点：层流各层间的液体是互不混杂的，液体质点的运动轨迹是直线或是有规则的平滑曲线。湍流的特点：湍流流体质点之间的运动是无序性，流体质点相互参杂，运动不仅是混乱无章，而且运动还具有不能确定的随机性；更有胜者湍流也具有耗能性，扩散性等等[24]。3.5FLUENT概述FLUENT软件因为它卓越的计算性能和人性化的界面，所以它在流体建模中被大面积的使用。自它被开发出来之后，因为它的卓越的计算性能，人性化的用户界面，所以在各个领域都有它存在的声影。FLUENT是目前不仅是各种功能最全面，而且是适用性最广泛、更有胜者它是国内外使用最广泛的CFD软件之一。FLUENT之所以被广泛的使用是因为它具有机智的网格的特性。使用者可以使用多种非结构网格，更有胜者使用者可以用混合型非结构网格[25]。FLUENT可以让使用者按照使用者的特定情形来对网格进行改正。3.6GAMBIT概述在使用FLUENT之前，GAMBIT为前处理软件，GAMBIT可以建模，这样一来它不仅使建立模型变得简单，而且也可以巧妙地生成各种各样的网格，更有胜者GAMBIT减少了缩短了产生网格的周期[26]。GAMBIT的主要功能有：GAMBIT因为有优秀的的网格生成能力，可以自动化的生成各种网格，所以这样就为使用者有效的缩短工作时间。GAMBIT可以有效的的提高计算的准确率是因为它巧妙的采用了自适应网格技术。GAMBIT可以导入丰富的三维模型，意思就是说使用者可以在其他的三维建模软件中先建立好三维模型，然后在导入GAMBIT中。GAMBIT可以更简洁的来检查网格，可以得出参数报告，使用者可以通过报告来直接或间接地检查网格，了解网格的缺陷，对网格进行进一步的改正。GAMBIT作为这么强大的前处理软件，它的使用场合变得更多样化，可以为流体计算奠定理论的基础[28]。3.7本章小结本章在前几章的基础上详述了有关计算流体动力学的知识，第一这一章详述了计算流体动力学的知识，然后对于控制体详述了三大守恒方程：质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。然后在三大守恒方程的基础上介绍了三种CFD数值模拟方法：有限差分法，有限元法、有限体积法。本文还介绍了流体有两种流动方式：层流和湍流，在液压装配中这两种流动方式都会出现。第四章柴油机曲轴减震器模型建立及装配4.1主要零件的三维模型建立UG是一套三维参数化软件，最显而易见的是UG不仅具有强大的建模功能，而且UG还具有强大的分析功能，更有胜者UG也具有强大的加工功能。UG的建模技术把优秀的传统建模技术和先进的参数化建模技术的优点结合起来了。使用者使用UG的建模功能可以将自己的想法和设计快速的表达出来。UG不仅有建模能力，同样也具有装配能力，使用者可以根据自己建立的模型，用UG进行组装，同样UG也可以创建二维工程图。UG强大的处理系统不仅可以对模型进行复杂的机构运动学分析，而且也可以进行复杂的动力学分析，更有胜者UG也可以对模型进行设计评估和优化；最后UG不仅可以可根据模型设计工装夹具、而且也可以进行复杂的加工处理，巧妙地直接生成数控程序用于产品的加工[27]。本课题为曲轴减震器，曲轴减震器主要包括主轮毂、次轮毂、拉伸器体、曲轴、曲轴齿轮、侧板、隔圈、衬套、活塞等4.1.1主轮毂三维模型的建立如图4-1所示，在曲轴减震器中，主轮毂是极其重要的零件，在主轮毂的内孔设有油沟，作涨压油路使用，而在外侧主轮毂由8个半圆柱体切割而成，这8个凹槽是用来放置减震材料：凸块和弹簧组的地方，在内孔还存在1/800的斜度，以便于安装设置。4.1.2次轮毂三维模型的建立如图4-2所示，与主轮毂配合的次轮毂，次轮毂安装在主轮毂的外侧，次轮毂和主轮毂一样，在此轮毂的内侧有8个半圆柱体切割而成的凹槽，当主轮毂与次轮毂同轴安装时主轮毂的8个凹槽和次轮毂的8个凹槽正好组成8个圆柱体，这样就可以把土块和弹簧组安装进去，起到减震的效果。图4-1主轮毂三维模型图4-2次轮毂三维模型4.1.3拉伸器体三维模型的建立如图4-3所示，拉伸器体安装在曲轴上，位于主轮毂的左变作用是将曲轴减震器拉出或推入曲轴，用螺栓与主轮毂相连，拉伸器体为圆柱状，在外表面设有进油口，进油口是为了涨压，推压时油液能够顺利的进入油道所设置。拉伸器体与活塞相连图4-3拉伸器体三维模型4.1.4曲轴三维模型的建立如图4-4所示，曲轴的端部是一个阶梯轴，分为三段，结构比较简单，在曲轴的侧面有6个螺纹孔，这是用来和凸块相连，进而和活塞相连。而曲轴中部是建模难点，要保证曲轴转动时的同轴度，再设计曲轴的时候应该能更多地考虑到同轴度的问题。图4-4曲轴三维模型4.1.5曲轴齿轮三维模型的建立如图4-5所示，曲轴齿轮安装在曲轴上的第三个阶梯上面，在减震器方面没有实质的作用，建立这个模型是为了练习软件，如何建立齿轮模型，在曲轴齿轮左侧揩油12个螺纹孔，便于减震器安装在其上，同时还设有定位孔。图4-5曲轴齿轮三维模型4.2其他零件的三维模型建立4.2.1侧板三维模型的建立如图4-6所示，侧板安装在曲轴上，位于曲轴减震器的左侧面作封闭曲轴减震器用，侧板较薄，用来固定主轮毂与次次轮毂，在侧板上开了与次轮毂一样数量的螺纹孔，同时还有定位孔，保证凸块和弹簧组的位置。4.2.2隔圈三维模型的建立如图4-7所示，隔圈安装在曲轴减震器的右侧面，隔圈起到连接曲轴齿轮和曲轴减震器的作用，隔圈的形状中间拱起，中间开的螺纹孔与曲轴齿轮的螺纹孔相配，外侧开的螺纹孔与曲轴减震器相配。图4-6侧板三维模型 图4-7隔圈三维模型4.2.3衬套三维模型的建立如图4-7所示，衬套安装在曲轴上，位于曲轴齿轮里侧，结构简单，其目的是为了防止曲轴齿轮的转动会磨损曲轴。4.2.4活塞三维模型的建立如图4-8所示，活塞安装在拉伸器体内侧，活塞上有油沟，这个油沟可以进行推曲轴减震器，在涨压油路把曲轴减震器涨开时，推压油路将曲轴减震器推进曲轴，完成装配。在拆卸时，当涨压油路将曲轴减震器涨大时，推压油路又将曲轴减震器从曲轴上拉下来，完成拆卸。图4-7衬套三维模型图4-8活塞三维模型4.3柴油机曲轴减震器三维装配4.3.1减震器三维装配如图4-9所示，曲轴减震器是由主轮毂、次轮毂、凸块、弹簧组和隔圈组装而成，主轮毂、次轮毂同轴配合，隔圈和侧板与主轮毂，次轮毂接触配合，通过螺钉连接在一起。图4-9减震器三维装配4.3.2柴油机曲轴减震器三维装配图4-10柴油机曲轴减震器三维装配如图4-10所示，柴油机曲轴减震器总装配由曲轴、曲轴齿轮、衬套、隔圈、主轮毂、次轮毂、凸块、弹簧组、侧板、拉伸器、活塞组成。活塞，拉伸器，减震器，曲轴齿轮内孔同心配合，因为它们全部安装在曲轴上。所以内孔要保持同轴度。各个零件之间用螺钉连接。4.4柴油机曲轴减震器拆装工艺过程仿真图4-11减震器爆炸图图4-12曲轴减震器总装爆炸图4.5本章小结本章详细的介绍了有关UG三维建模的理论基础，首先本文介绍了曲轴减震器的组成，然后对于主要零件如主轮毂，次轮毂等零件的建模进行分析，再对其他零件的安装，配合进行分析，然后展示了了柴油机曲轴减震器三维装配，展示了减震器三维装配和柴油机曲轴减震器三维装配，最后展示了减震器爆炸图，曲轴减震器总装爆炸图。更直观的能够理解曲轴减震器的装配原理。第五章柴油机曲轴减震器拆装油路压力分析5.1柴油机曲轴减震器拆装时推压油路压力分析本论文的研究对象是某一型号的船用柴油机曲轴减震器，本章主要对曲轴减震器的推压油路和涨压油路进行油路的压力分析，本节主要分析推压油路。推压油路的三维模型已在UG中建立好，其模型如图5-1所示。已知的条件是推压油路的入油口压力为，工作流体为压力油，压力油的密度为，粘度系数为。入油口边界类型为压力输入。出油口边界类型为压力输出。5.1.1推压油路模型建立图5-1推压油路模型图5-2入文件对话框5.1.2网格划分如图图5-2所示，将用UG建好的推压油路模型导入GAMBIT中图5-3推压油路在GAMBIT中示意图图5-4流域网格划分图导入的推压油路模型如图5-3所示。利用Tgrid程序对整体进行网格划分，如图5-5所示在对话框中选中Operation选项，然后点击Mesh选项，再点击MeshVolume选项。图5-5打开网格设置对话框（1）对推压油路内区域划分网格对推压油路内区域划分网格：点击Volume选项旁边的空白地方，选择推压油路的顶部边缘线时需要按下Shirt键和鼠标左键，在Spacing选项中，选择Intervalsize，然后在旁边的空白区域内填1，其他设置保持不变，需要特别提示的是：在Type选项中要选择TGrid选项。最后点击Apply按钮对推压油路内区域划分网格，完成则区域内的网格图如图5-4所示。（2）检查网格划分情况首先点击位于右下角工具栏中的ExamineMesh选项，打开网格检查对话框如图5-6所示。在DisplayType项中选择Plane，这时Plane前方会出现一个红色的三角。然后选择3DElement选项以及旁边的三棱锥图标。在QualityType（质量类型）项中选择EqualAngleSkew选项。在CutOrientation选项中，可以用鼠标左键拖动代表X或Y轴滑块，在旁边的Display对话框中就会显示模型在X或Y平面上的网格分布。如果想改变模型显示的比例和模型显示的大小，可以点击DisplayType选项中选择Range选项,在Range选项下方会有滑块，点击对话框下部的滑块可选择。最后点击Close选项，关闭网格检查对话框。图5-6网格检查设置对话框图5-7边界类型设置对话框5.1.3设置边界类型点击Zones选项，然后点击SpecifyBoundaryTypes选项，打开边界类型设置对话框，如图5-7所示。设置入油口（inlet）边界类型为pressure-inlet，点击Action选项旁边的Add，在Name选项旁边的空白区域填写inlet，在Type(类型)下拉列表中选择pressure-inlet，选择入油口时在此之前先要点击Face选项旁边的空白区域，再将鼠标移动至推压油路上部入油口截面边线，同时按下Shirt键和鼠标左键即为选中，此时入油口边线的圆变成红色，最后点击Apply选项。设置出油口（outlet）边界类型为pressure-outlet，点击Action选项旁边的Add，在Name选项旁边的空白区域填写outlet，在Type(类型)下拉列表中选择pressure-outlet，选择出油口的时候在此之前先要点击Face选项旁边的空白区域，再将鼠标移动至推压油路上部出油口截面边线，同时按下Shirt键和鼠标左键即为选中，此时出油口边线的圆变成红色，最后点击Apply选项。需要注意的是：固壁边界不需要设置的，系统默认为是固壁边界，命名为wall。图5-8输出网格文件对话框输出网格文件（.mesh）：点击File按钮，然后再点击Export按钮，最后再点击mesh...按钮打开网格文件输出对话框如图5-8所示，其它选项保持不变，点击Accept按钮确认。5.1.4求解设置图5-9FLUENT启动的对话框图5-10光滑与交换网格在桌面双击FLUENT图标，弹出来FLUENT启动的对话框，如图5-9所示。选择3d版本，点击RUN按钮。读入网格文件：点击File选项，然后再点击Read选项，再点击Case...选项，于是就打开了网格文件读入对话框，将tuiya.mesh读入。网格光滑与交换：点击Grid按钮然后再点击Smooth/Swap...按钮于是就打开对话框，如图5-10所示。多次重复点击点击Smooth按钮和Swap按钮，直到对话框中出现图5-11中所示数字时停止点击。图5-11光滑与交换网格信息图5-12长度单位设置对话框（1）检查网格并定义长度单位确定长度单位为毫米：点击Grid按钮然后再点击Scale...按钮，打开长度单位设置对话框，如图5-12所示。在UnitsConversion选项下的GridWasCreatedIn选项右侧列表中选择mm选项。点击ChangeLengthUnites选项，在此时左侧的ScaleFactors选项下方的X，Y，Z项的数值都变为0.001。点击下边的Scale选项，此时，DomainExtents选项下的单位由m变为mm，并给出了区域的范围。注意Scale选项只能点击一次，不可以重复点击。点击Close按钮，关闭对话框。检查网格：点击Grid选项然后再点击Check按钮，Fluent软件会自动对所导入的模型的网格进行多方面的检查，然后在信息反馈窗口显示检查过程和结果，其中要特别注意最小体积保持为正值，不能有任何错误和警告信息，最后一行一定是Done。显示网格：点击Display按钮然后再点击Grid按钮，打开网格显示对话框后，点击Display按钮，这样可得到区域网格图。（2）设置求解模型设置求解器：点击Define选项然后再点击Models选项，然后再点击Solver选项，打开求解器设置对话框；如图5-13所示。图5-13求解器设置对话框在Solver选项中选择Segregated选项。在Formulation选项中选择Implicit选项。在Space选项选择3D选项，在Time选项中选择Steady选项，最后点击OK按钮。启动能量方程，点击Define选项，然后再点击Models按钮，然后点击Energy选项...打开能量方程设置对话框，如图5-14所示，点击OK按钮。图5-14启动能量方程设置湍流模型：点击Define选项然后再点击Models选项，然后点击Viscous选项，打开湍流设置对话框。选择k-epsilon[2eqn]湍流模型，打开湍流模型设置对话框，如图5-15所示，保留其它默认设置，点击OK按钮。图5-15湍流模型设置对话框设置流体的材料属性：点击Define选项，然后点击Materials选项，打开材料属性设置对话框，如图5-16所示。在Name选项把water改为oil，在Density（密度）下方的空白处填入850，在Cp（粘性系数）下方的空白处填入0.17。最后点击Change/Create按钮。图5-16材料属性设置对话框设置边界条件：点击Define选项，然后点击BoundaryConditions选项..，打开边界条件设置对话框，如图5-17所示。图5-17边界条件设置对话框选择工作流体为oil，在Zone选项中选择Fluid选项，点击Set按钮，打开流体选择对话框，如图5-18所示，在MaterialName项选择oil选项，保留其他默认设置，点击OK按钮。图5-18流体选择对话框设置入流口边界条件：在Zone选项列表里选择inlet选项，如图5-1-4-9所示，点击Set选项，打开压力设置对话框如图5-19所示，将入口总压改为。图5-19 压力边界设置对话框设置出流口边界条件：在Zone选项列表里选择outlet选项，如图5-1-4-9所示，点击Set.选项，打开压力设置对话框如图5-20所示，将出口总压改为。图5-20压力边界设置对话框（3）求解模型求解初始化：点击Solve选项再点击Initialize选项Initialize选项，打开求解初始化设置对话框，如图5-21所示。在InitialValues（初始值）项中，把GaugePressure项设置为0。点击Init选项，点击Close选项，完成流场初始化。图5-21求解初始化设置对话框设置监视器：点击Solve然后点击Monitors选项，然后点击Residual选项，打开监视器设置对话框，如图5-22所示，在Options项选择Print选项和Plot选项，输出残差检测曲线。在energy选项的Convergence选项（残差收敛临界值）设为1e-06。其他选项保持不变，点击OK选项。保存Case文件：点击File选项，然后点击Write选项，然后点击Case选项，最后输入保存名为tuiya.cas。图5-22监视器设置对话框求解计算：点击Solve选项，然后点击Iterate选项，打开迭代设置对话框如图5-23所示，在NumberofIterations选项填入300。点击Iterate选项。图5-23迭代计算设置对话框FLUENT开始计算。在迭代完成之后，计算收敛，残差监测曲线如图5-24所示。图5-24残差监测曲线5.1.5求解结果曲轴减震器拆装过程中的推压油路的求解结果如图图5-25和图5-26所示，根据图像显示可以发现，涨压油路出口压力约在0.2Mpa。图5-25涨压油路压力分布云图图5-26涨压油路压力分布云图5.2柴油机曲轴减震器拆装时涨压油路压力分析本论文的研究对象是某一型号的船用柴油机曲轴减震器，本章主要对曲轴减震器的推压油路和涨压油路进行油路的压力分析，本节主要分析涨压油路。涨压油路的三维模型已在UG中建立好，其模型如图5-27所示。已知的条件是推压油路的入油口压力为，工作流体为压力油，压力油的密度为，粘度系数为。入油口边界类型为压力输入。出油口边界类型为压力输出。5.2.1涨压油路模型建立涨压油路是用于在减震器拆装过程中扩大主轮毂内孔，以使主轮毂与曲轴的过盈配合接触面分离，避免减震器拆装过程中曲轴的划伤。本文利用UG软件绘制曲轴减震器的涨压油路，其模型如图5-27所示，油压通过油路进入螺旋形油沟，形成高压油膜，使曲轴与主轮毂接触面分离。图5-27涨压油路模型5.2.2网格划分如图5-28所示，将用UG建好的涨压油路模型导入GAMBIT中图5-28涨压油路在GAMBIT中示意图图5-30流域网格划分图利用Tgrid程序对整体进行网格划分，如图5-29所示在对话框中选中点击Operation选项，然后再点击Mesh选项，然后再点击MeshVolume选项。图5-29打开网格设置对话框（1）对涨压油路内区域划分网格点击Volume选项旁边的空白地方，选择涨压油路的顶部边缘线时需要按下Shirt键和鼠标左键，在Spacing选项中，选择Intervalsize，然后在旁边的空白区域内填1，其他设置保持不变，需要特别提示的是：在Type选项中要选择TGrid选项。最后点击Apply按钮对涨压油路内区域划分网格，完成则区域内的网格图如图5-30所示。（2）检查网格划分情况首先点击位于右下角工具栏中的ExamineMesh选项，打开网格检查对话框如图5-30所示。在DisplayType项中选择Plane，这时Plane前方会出现一个红色的三角。然后选择3DElement选项以及旁边的三棱锥图标。在QualityType（质量类型）项中选择EqualAngleSkew选项。在CutOrientation选项中，可以用鼠标左键拖动代表X或Y轴滑块，在旁边的Display对话框中就会显示模型在X或Y平面上的网格分布。如果想改变模型显示的比例和模型显示的大小，可以点击DisplayType选项中选择Range选项,在Range选项下方会有滑块，点击对话框下部的滑块可选择。最后点击Close选项，关闭网格检查对话框。图5-30网格检查设置对话框图5-31边界类型设置对话框5.2.3设置边界类型点击Zones选项，然后点击SpecifyBoundaryTypes选项，打开边界类型设置对话框，如图5-31所示。选择油路1的圆环，将其定义为INTERFACE。选择油路2与油路一相接触的面，将其同样定义为INTERFACE。设置入油口（inlet）边界类型为pressure-inlet，点击Action选项旁边的Add，在Name选项旁边的空白区域填写inlet，在Type(类型)下拉列表中选择pressure-inlet，选择入油口时在此之前先要点击Face选项旁边的空白区域，再将鼠标移动至推压油路上部入油口截面边线，同时按下Shirt键和鼠标左键即为选中，此时入油口边线的圆变成红色，最后点击Apply选项。设置出油口（outlet）边界类型为pressure-outlet，点击Action选项旁边的Add，在Name选项旁边的空白区域填写outlet，在Type(类型)下拉列表中选择pressure-outlet，选择出油口的时候在此之前先要点击Face选项旁边的空白区域，再将鼠标移动至推压油路上部出油口截面边线，同时按下Shirt键和鼠标左键即为选中，此时点击内螺纹截面边线的圆变成红色，最后点击Apply选项。需要注意的是：固壁边界不需要设置的，系统默认为是固壁边界，命名为wall。输出网格文件（.mesh）：点击File按钮，然后再点击Export按钮，最后再点击mesh...按钮打开网格文件输出对话框如图5-32所示，其它选项保持不变，点击Accept按钮确认。图5-32输出网格文件对话框5.2.4求解设置图5-33FLUENT启动的对话框图5-34光滑与交换网格在桌面双击FLUENT图标，弹出来FLUENT启动的对话框，如图5-33所示。选择3d版本，点击RUN按钮。读入网格文件：点击File选项，然后再点击Read选项，再点击Case...选项，于是就打开了网格文件读入对话框，将zhangya.mesh读入。网格光滑与交换：点击Grid按钮然后再点击Smooth/Swap...按钮于是就打开对话框，如图5-34所示。多次重复点击点击Smooth按钮和Swap按钮，直到对话框中出现图5-35中所示数字时停止点击。图5-35光滑与交换网格信息图5-36长度单位设置对话框（1）检查网格并定义长度单位确定长度单位为毫米：点击Grid按钮然后再点击Scale...按钮，打开长度单位设置对话框，如图5-36所示。在UnitsConversion选项下的GridWasCreatedIn选项右侧列表中选择mm选项。点击ChangeLengthUnites选项，在此时左侧的ScaleFactors选项下方的X，Y，Z项的数值都变为0.001。点击下边的Scale选项，此时，DomainExtents选项下的单位由m变为mm，并给出了区域的范围。注意Scale选项只能点击一次，不可以重复点击。点击Close按钮，关闭对话框。检查网格：点击Grid选项然后再点击Check按钮，Fluent软件会自动对所导入的模型的网格进行多方面的检查，然后在信息反馈窗口显示检查过程和结果，其中要特别注意最小体积保持为正值，不能有任何错误和警告信息，最后一行一定是Done。显示网格：点击Display按钮然后再点击Grid...按钮，打开网格显示对话框后，点击Display按钮，这样可得到区域网格图。（2）设置求解模型设置求解器：点击Define选项然后再点击Models选项，然后再点击Solver..选项.，打开求解器设置对话框；如图5-37所示。图5-37求解器设置对话框在Solver选项中选择Segregated选项。在Formulation选项中选择Implicit选项。在Space选项选择3D选项，在Time选项中选择Steady选项，最后点击OK按钮。启动能量方程，点击Define选项，然后再点击Models按钮，然后点击Energy选项...打开能量方程设置对话框，如图5-38所示点击OK按钮。图5-38启动能量方程设置湍流模型：点击Define选项然后再点击Models选项，然后点击Viscous选项，打开湍流设置对话框。选择k-epsilon[2eqn]湍流模型，打开湍流模型设置对话框，如图5-39所示，保留其它默认设置，点击OK按钮。图5-39湍流模型设置对话框设置流体的材料属性：点击Define选项，然后点击Materials选项，打开材料属性设置对话框，如图5-40所示。在Name选项把water改为oil，在Density（密度）下方的空白处填入850，在Cp（粘性系数）下方的空白处填入0.17。最后点击Change/Create按钮。图5-40材料属性设置对话框设置边界条件：点击Define选项，然后点击BoundaryConditions选项..，打开边界条件设置对话框，如图5-41所示。图5-41边界条件设置对话框选择工作流体为oil，在Zone选项中选择Fluid选项，点击Set按钮，打开流体选择对话框，如图5-42所示，在MaterialName项选择oil选项，保留其他默认设置，点击OK按钮。图5-42流体选择对话框设置入流口边界条件：在Zone选项列表里选择inlet选项，如图5-41所示，点击Set选项，打开压力设置对话框如图5-43所示，将入口总压改为。图5-43压力边界设置对话框设置出流口边界条件：在Zone选项列表里选择outlet选项，如图5-41所示，点击Set选项，打开压力设置对话框如图5-44所示，将出口总压不设定。图5-44压力边界设置对话框（3）求解模型求解初始化：点击Solve选项再点击Initialize选项Initialize选项...，打开求解初始化设置对话框，如图5-45所示。在InitialValues（初始值）项中，把GaugePressure项设置为0。点击Init选项，点击Close选项，完成流场初始化。图5-45求解初始化设置对话框设置监视器：点击Solve然后点击Monitors选项，然后点击Residual选项，打开监视器设置对话框，如图5-46所示，在Options项选择Print选项和Plot选项，输出残差检测曲线。在energy选项的Convergence选项（残差收敛临界值）设为1e-06。其他选项保持不变，点击OK选项。保存Case文件：点击File选项，然后点击Write选项，然后点击Case选项，最后输入保存名为zhangya.cas。图5-46监视器设置对话框求解计算：点击Solve选项，然后点击Iterate选项，打开迭代设置对话框如图5-47所示，在NumberofIterations选项填入300。点击Iterate选项。图5-47迭代计算设置对话框FLUENT开始计算。在迭代完成之后，计算收敛，残差监测曲线如图5-48所示。图5-48残差监测曲线5.2.5求解结果曲轴减震器拆装过程中的涨压油路的求解结果如图图5-49和5-50所示，根据图像显示可以发现，涨压油路出口压力约在0.15Mpa。图5-49涨压油路压力分布云图图5-50涨压油路压力分布云图图5-51涨压油路出口压力分布散点图5.3本章小结本章在前几章理论以及计算机模拟仿真的基础上，结合研究内容和实验条件设计了柴油机曲轴减震器拆装试验，通过UG建模，建出曲轴减震器推压和涨压油路三维模型，用GAMBIT软件进行网格划分，最后倒入FLUENT软件，通过设置流体的边界条件，设置流体材料属性，用有限元的方法进行数值模拟最后得出涨压和推压的匹配关系，在实际的生产中起到指向性的作用。总结与展望曲轴减震器和曲轴是过盈配合，而安装和拆卸时是用液压将曲轴减震器涨开再将曲轴减震器推入安装位置，安装和拆卸时曲轴减震器可能会刮伤曲轴。所以本课题注重研究其油压配合，通过模拟来找到合理的油压配合，在实际的生产安装拆卸中起到指向性的作用。本文在参阅了大量的国内外的相关资料的基础上，以某一型号的曲轴减震器多为研究对象，详述了曲轴减震器的工作原理、种类、和优缺点，建立了曲轴减震器的三维模型，研究了曲轴减震器的拆装过程，更直观的观察曲轴减震器在拆装过程中存在的问题；通过对流体力学的理论基础的学习，运用流体力学软件FLUENT对曲轴减震器内部涨压油路和推压油路进行了数字模拟。本文通过设置流体的边界条件，设置流体的材料属性，对推压油路，涨压油路进行数值模拟，分别得出了推压油路，涨压油路的压力可视化图形。通过对流场数值模拟，得出了涨压和推压的匹配关系。并用图像的形式给出计算结果。本文的主要研究成果是：在对曲轴减震器的工作原理，结构了解的前提下，参阅了大量的国内外有关曲轴减震器的文献后，建立了船用柴油机曲轴减震器的三维模型，以减震器为主要研究对象，通过UG建立三维模型，对曲轴减震器的拆装过程进行仿真。在用UG建立了涨压油路和推压油路之后，利用前处理软件GAMBIT对建立的三维模型进行网格划分。再导入FLUENT软件通过有限元对曲轴减震器内部涨压油路和推压油路流场进行数值模拟将计算的结果以可视化的图像形式给出。基于CFD的柴油机曲轴减震器拆装过程仿真与工程分析与现实涉及多方面的理论、方法和技术，这个方法还有许多新的问题需要解决，需要在实际用中不断积累和完善，在以下几个方面，还需要做进一步的研究和开发。论文只考虑到理论基础上，而没有考虑实际情况，例如压力机的输出会有缺少，压力油品质会有优劣之分等等。FLUENT只得出了推压油路和涨压油路的油压匹配关系，并没有考虑到曲轴及曲轴减震器的应力应变，在以后的研究中还可以进一步研究。拆装仿真只是数字模拟，与实际情况还是有一定的差距，所以仿真还需要大量的实验来验证。目前液压拆装基本都是人工操作，而人工操作容易出错误，在以后的研究中可以开发液压控制系统，考虑实行用控制系统来控制来避免人为错误。致谢非常感谢周老师在我大学的毕业设计阶段给我的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，他放弃了自己的休息时间，他的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！通过这一阶段的努力，我的毕业论文《基于CFD的柴油机曲轴减震器拆装过程仿真与工程分析》终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在本论文的写作过程中，我的导