某高速柴油机运动机件（曲轴组）的三维设计(附件)【字数：10684】
摘 要 摘 要 本设计以SY144B型柴油机图纸为依据，对给定机型的柴油机的曲轴进行三维建模，同时分析了柴油机曲轴的在各受力以及强度情况，最后利用有限元分析方法以及特定的分析软件对其强度进行了校核。 曲轴是曲柄连杆机构的重要组成部分，也是发动机中最重要的传动部件之一。它的作用是把活塞的往复直线运动变成旋转运动，用来驱动工作机械以及柴油发动机各辅助系统进行工作。但是，由于曲轴形状复杂，在柴油机运作过程中容易产生严重的应力集中现象，长此以往曲轴便很容易发生疲劳损坏。因而在曲轴建模过程结束后，我们必须对其强度进行分析校核，判断其是否符合工业生产强度标准。首先对曲轴的结构进行简单的介绍，并详细阐述了曲轴的损坏形式。同时对UG软件和ANSYS有限元分析软件进行简单介绍，充分将其功能特性与研究过程相结合。在最后的强度校核中，为了简化研究过程，本设计取曲轴单拐作为研究对象，对其进行网格划分、确定边界条件然后施加约束条件，从而进行相应的应力加载和校核分析，根据所得应力图对曲轴单拐进行了变形及其所受应力的分析，最终得到曲轴强度校核的结果。关键词柴油机；曲轴；UG；有限元分析；ANSYS
Keywords: diesel engine; crankshaft; UG; finite element method; ANSYS 目录
第一章 绪论 1
1.1 选题的目的及意义 1
1.2 国内外研究现状与发展趋势 1
1.2.1 加工技术现状 2
1.2.2 强度计算发展 2
1.3 设计研究任务及主要内容 3
第二章 软件及研究方法介绍 4
第三章 SY144型柴油机曲轴建模 6
3.1 曲轴的结构 6
3.2 曲轴的疲劳损坏形式 6
3.2.1 弯曲疲劳裂纹的产生 7
3.2.2 扭转疲劳裂纹的产生 7
3.2.3 弯曲扭转疲劳裂纹 7
3.3 曲轴的结构型式 8
3.4 曲轴的材料 8
3.5 曲轴的建模过程 9
3.6 本章小结 24
第四章 曲轴的强度校核 26 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
4.1 曲轴连杆机构的运动介绍 26
4.2 曲轴模型的材料参数 27
4.3 曲轴载荷分析 27
4.3.1 边界条件 27
4.3.2 解方程得出载荷函数 27
44 强度校核 29
4.4.1应力计算： 29
4.4.2 应力集中系数计算 31
4.4.3 强度校核最终结果 32
4.4 本章小结 32
第五章 曲轴的有限元分析 33
5.1 几何模型的建立 34
5.2 曲轴有限元模型的建立 34
5.2.1. 导入几何模型 34
5.2.2. 定义单元 35
5.2.3. 定义材料参数 35
5.2.4. 画网格 37
5.3 约束边界条件 40
5.4. 力边界条件 41
5.5. 重力及离心加速度 42
5.6. 求解和后处理 43
5.7 结果分析 46
结 论 48
致 谢 49
参考文献 50
第一章 绪论
1.1 选题的目的及意义
现如今，柴油机技术的发展速度越来越快，不仅如此，它所被应用的领域也更加全面广泛。目前，对于动力机械来说，所有机械的工业化应用里，热效率最高，能源利用率最好的就是柴油机，而且还有一个突出的有点就是它的节能性。对于柴油机来说，曲轴是它的核心部件，它的功能就是接收活塞以及连杆传过来的气体力，将其转变为转矩，以用来使机体的传动系统正常有序得工作。这对柴油机甚至整个工程机械领域都有着重大的意义。我们都知道，曲轴的工作情况并不简单，反而极其复杂，它是在很多条件的组合下工作的，包括燃气作用力进行周期变化、惯性力的往复运动和旋转运动以及它们相对应的力矩。所以曲轴承受着很复杂的扭转应力和弯曲应力。
在柴油机中，曲轴是很关键的零件，为什么这么说呢，因为曲轴在柴油机中的作用是承受冲击载荷的作用，随后将其转化并传递动力。不仅如此，在加工工艺方面，曲轴也是柴油机部件中最难保证加工质量的零件[1]。无论是在材料尺寸的要求方面，还是加工工艺的选择和后续处理方面，对曲轴的要求都非常严格。正因如此，我们不难看出，柴油机曲轴是柴油机很重要的运动部件之一。与此同时，它的工作状况也是非常恶劣的，其中任何一个环节做的好坏都会影响曲轴的寿命以及机体运行的可靠性。曲轴若因强度问题出现疲劳断裂的话，之后其他部位的零件也会随之损坏,严重时说不定会对人类生命安全造成威胁,在这样的背景下,曲轴的强度问题就显得举足轻重了。然而,人们若要准确预测出曲轴的强度还是有一定的困难的。对于当今企业及员工来说，寻求一种可靠准确的曲轴强度才是最重要的。正因如此，世界各地都非常重视曲轴的加工，工程师都在不持续改进曲轴的加工工艺，来最大程度增加曲轴的使用寿命。曲轴的它的主要失效形式有两种，分别是轴颈磨损和疲劳断裂。对于内燃机来说，其曲轴部分的结构形状以及主要尺寸和内燃机曲轴的抗弯疲劳强度以及扭转刚度是密切联系的，随着内燃机不断的发展与强化，要求我们必须在设计时准确选择曲轴的结构和形式，并且要根据设计要求合理选择尺寸、材料与工艺，从而获得满意的效果。因而在内燃机曲轴设计时，我们必须格外重视内燃机在结构强度这方面的问题。
1.2 国内外研究现状与发展趋势
随着科学技术的飞速发展，传统的内柴油机已经满足不了现代社会的要求，因此柴油机产业也随着世界潮流在不停的发展，各种柴油机也在不停的改进中功能越来越强大。在过去，人们都只考虑利用柴油机动力来推动成产发展，对环境保护理念的重要性还没有深刻的认识。我们都应该知道，柴油机通过燃料燃烧获得动能，碳排放量其实是很高的，这也是当今社会环境问题中的温室效应的主要来源之一，因此在改进柴油机的时候，世界各地的公司都必须考虑低碳节能，重视对环境的保护。那么与曲轴的关系就体现出来了，柴油机的热效率、能量利用率等指标的提高,这些方面的发展都要求柴油机曲轴部件来承受更高的工作压力，因此曲轴设计制造技术也需要相应的进行改进和创新。
下面我们就来谈一谈柴油机曲轴的国内外研究现状，并分析一下在未来一段时间里柴油机的发展趋势。
1.2.1 加工技术现状
我们现在所接触柴油机曲轴材料主要有球墨铸铁以及钢这两类。因为球墨铸铁材料的曲轴成本只有钢曲轴成本的三分之一左右，而且球墨铸铁具有良好的切削性能，使用这种材料可以制作符合要求的形状结构，不仅如此，它同时具有钢质曲轴的一些优点，性价比很高，因此，球墨铸铁曲轴被广泛应用于国内外研究制作[2]。根据对现有资料的统计，其数据显示车用发动机的曲轴采用球墨铸铁作为材料的比例在美国，英国，日本分别为为90%，85%，60%，除此之外，德国和比利时等国家也大批采用该材料。我国当然也不例外。
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第一章 绪论 1
1.1 选题的目的及意义 1
1.2 国内外研究现状与发展趋势 1
1.2.1 加工技术现状 2
1.2.2 强度计算发展 2
1.3 设计研究任务及主要内容 3
第二章 软件及研究方法介绍 4
第三章 SY144型柴油机曲轴建模 6
3.1 曲轴的结构 6
3.2 曲轴的疲劳损坏形式 6
3.2.1 弯曲疲劳裂纹的产生 7
3.2.2 扭转疲劳裂纹的产生 7
3.2.3 弯曲扭转疲劳裂纹 7
3.3 曲轴的结构型式 8
3.4 曲轴的材料 8
3.5 曲轴的建模过程 9
3.6 本章小结 24
第四章 曲轴的强度校核 26 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
4.1 曲轴连杆机构的运动介绍 26
4.2 曲轴模型的材料参数 27
4.3 曲轴载荷分析 27
4.3.1 边界条件 27
4.3.2 解方程得出载荷函数 27
44 强度校核 29
4.4.1应力计算： 29
4.4.2 应力集中系数计算 31
4.4.3 强度校核最终结果 32
4.4 本章小结 32
第五章 曲轴的有限元分析 33
5.1 几何模型的建立 34
5.2 曲轴有限元模型的建立 34
5.2.1. 导入几何模型 34
5.2.2. 定义单元 35
5.2.3. 定义材料参数 35
5.2.4. 画网格 37
5.3 约束边界条件 40
5.4. 力边界条件 41
5.5. 重力及离心加速度 42
5.6. 求解和后处理 43
5.7 结果分析 46
结 论 48
致 谢 49
参考文献 50
第一章 绪论
1.1 选题的目的及意义
现如今，柴油机技术的发展速度越来越快，不仅如此，它所被应用的领域也更加全面广泛。目前，对于动力机械来说，所有机械的工业化应用里，热效率最高，能源利用率最好的就是柴油机，而且还有一个突出的有点就是它的节能性。对于柴油机来说，曲轴是它的核心部件，它的功能就是接收活塞以及连杆传过来的气体力，将其转变为转矩，以用来使机体的传动系统正常有序得工作。这对柴油机甚至整个工程机械领域都有着重大的意义。我们都知道，曲轴的工作情况并不简单，反而极其复杂，它是在很多条件的组合下工作的，包括燃气作用力进行周期变化、惯性力的往复运动和旋转运动以及它们相对应的力矩。所以曲轴承受着很复杂的扭转应力和弯曲应力。
在柴油机中，曲轴是很关键的零件，为什么这么说呢，因为曲轴在柴油机中的作用是承受冲击载荷的作用，随后将其转化并传递动力。不仅如此，在加工工艺方面，曲轴也是柴油机部件中最难保证加工质量的零件[1]。无论是在材料尺寸的要求方面，还是加工工艺的选择和后续处理方面，对曲轴的要求都非常严格。正因如此，我们不难看出，柴油机曲轴是柴油机很重要的运动部件之一。与此同时，它的工作状况也是非常恶劣的，其中任何一个环节做的好坏都会影响曲轴的寿命以及机体运行的可靠性。曲轴若因强度问题出现疲劳断裂的话，之后其他部位的零件也会随之损坏,严重时说不定会对人类生命安全造成威胁,在这样的背景下,曲轴的强度问题就显得举足轻重了。然而,人们若要准确预测出曲轴的强度还是有一定的困难的。对于当今企业及员工来说，寻求一种可靠准确的曲轴强度才是最重要的。正因如此，世界各地都非常重视曲轴的加工，工程师都在不持续改进曲轴的加工工艺，来最大程度增加曲轴的使用寿命。曲轴的它的主要失效形式有两种，分别是轴颈磨损和疲劳断裂。对于内燃机来说，其曲轴部分的结构形状以及主要尺寸和内燃机曲轴的抗弯疲劳强度以及扭转刚度是密切联系的，随着内燃机不断的发展与强化，要求我们必须在设计时准确选择曲轴的结构和形式，并且要根据设计要求合理选择尺寸、材料与工艺，从而获得满意的效果。因而在内燃机曲轴设计时，我们必须格外重视内燃机在结构强度这方面的问题。
1.2 国内外研究现状与发展趋势
随着科学技术的飞速发展，传统的内柴油机已经满足不了现代社会的要求，因此柴油机产业也随着世界潮流在不停的发展，各种柴油机也在不停的改进中功能越来越强大。在过去，人们都只考虑利用柴油机动力来推动成产发展，对环境保护理念的重要性还没有深刻的认识。我们都应该知道，柴油机通过燃料燃烧获得动能，碳排放量其实是很高的，这也是当今社会环境问题中的温室效应的主要来源之一，因此在改进柴油机的时候，世界各地的公司都必须考虑低碳节能，重视对环境的保护。那么与曲轴的关系就体现出来了，柴油机的热效率、能量利用率等指标的提高,这些方面的发展都要求柴油机曲轴部件来承受更高的工作压力，因此曲轴设计制造技术也需要相应的进行改进和创新。
下面我们就来谈一谈柴油机曲轴的国内外研究现状，并分析一下在未来一段时间里柴油机的发展趋势。
1.2.1 加工技术现状
我们现在所接触柴油机曲轴材料主要有球墨铸铁以及钢这两类。因为球墨铸铁材料的曲轴成本只有钢曲轴成本的三分之一左右，而且球墨铸铁具有良好的切削性能，使用这种材料可以制作符合要求的形状结构，不仅如此，它同时具有钢质曲轴的一些优点，性价比很高，因此，球墨铸铁曲轴被广泛应用于国内外研究制作[2]。根据对现有资料的统计，其数据显示车用发动机的曲轴采用球墨铸铁作为材料的比例在美国，英国，日本分别为为90%，85%，60%，除此之外，德国和比利时等国家也大批采用该材料。我国当然也不例外。
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