船用柴油机曲轴减震器装拆过程仿真与工程分析(附件)
摘 要摘 要在柴油机工作过程中，由于曲轴的弹性作用和自身具有的周期性的扭矩，使得发动机在工作过程中存在着扭转振动，在曲轴上加装扭转减振器是控制曲轴扭振的主要措施，加装和拆卸减震器的方法对于控制曲轴扭转具有重要的意义。对于减震器的装拆有很多方法，根据不同的减震器设计需要，采取的装拆方式也会有所不同，本课题研究的是解决减震器主轮毂与曲轴之间过盈配合的问题，采用了在工程实际中应用较为广泛的油压过盈联结的方法。主要有以下几个方面的工作：（1）分析研究减震器主轮毂与曲轴的装配需求与参数要求；（2）介绍使用油压过盈联结法的装拆原理；（3）设计油压法的装拆结构，以及装拆工具的选用；（4）进行减震器采用油压法时的装拆仿真；（5）利用Ansys软件对减震器主轮毂与曲轴配合段建立有限元模型，并进行装拆过程的应力分析。本文通过有限元的建模与装拆过程的应力分析，选取合理的过盈量，在保证主轮毂与曲轴强度的条件下，将主轮毂与曲轴的形变控制在弹性形变的范围内，保证了工程应用中多次装拆的需要。相比于材料力学的计算方法，本研究采用的有限元分析方法更为精确。关键词：减震器；扭转振动；装拆仿真；有限元；Ansys目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 本课题的研究背景和意义 1
1.2.1 本课题的研究背景 1
1.2.2 本课题的研究意义 2
1.3 本课题的研究现状 3
1.3.1 扭转振动计算研究现状 3
1.3.2 减震器的研究现状 4
1.3.3 减震器装拆方式的研究现状 6
1.4 计算机辅助软件的介绍 7
1.5 课题研究的内容 7
第二章 减震器装拆原理 9
2.1 曲轴减震器的减震原理 9
2.2 油压过盈联结作用原理 9
2.3 油压圆锥联结的组成结构 10
2.4 过盈联结的传统设计计算方法 11
2.5 Ansys在过盈联结中的应用原理 12
2.6 本章小结 12
第三章 减震器的装拆仿真 14
3.1 减震器装拆机构的结构设计 14
3.1.1 过盈联结形
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
9
2.2 油压过盈联结作用原理 9
2.3 油压圆锥联结的组成结构 10
2.4 过盈联结的传统设计计算方法 11
2.5 Ansys在过盈联结中的应用原理 12
2.6 本章小结 12
第三章 减震器的装拆仿真 14
3.1 减震器装拆机构的结构设计 14
3.1.1 过盈联结形式的选取 14
3.1.2 环形槽和油孔的设计 15
3.1.3 进油口联接螺纹 16
3.1.4 装拆工具的简单选用 17
3.1.5 减震器装拆机构的结构设计一般要求 17
3.2 减震器装拆要求及注意事项 18
3.2.1 一般要求 18
3.2.2 圆锥形过盈联结的安装与拆卸 18
3.3 减震器的装拆过程仿真 18
3.4 过盈配合最小过盈量确定 19
第四章 装拆过程的工程分析 21
4.1 建立模型、网格划分、添加约束载荷 21
4.1.1 定义材料属性 21
4.1.2 建立模型 21
4.1.3 选择单元类型及划分网格 21
4.1.4 添加约束 22
4.1.5 求解结果 22
4.2 减震器主轮毂的强度校核 24
4.3 本章小结 25
第五章 结论 26
5.1 总结 26
5.2 不足与展望 26
致谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1 引言
由于柴油机曲轴的扭转运动，在长时间工作后，曲轴容易产生弯曲疲劳损坏，更严重的可能会出现断裂，引发重大事故。本课题研究如何合理的选择与曲轴相配合的装拆方式，并探索高效简便的装拆工艺，将曲轴的扭转程度稳定在一个较小范围。刘宏等人通过一种数值模拟的方法和发动机曲轴系统的解析法，从而优化减振器，不仅控制曲轴的扭转振动而且减震器在工作中所产生的温度有所降低[1]；张国昌[2]在研究190系列硅油减振器时，首先建立了发动机轴系的三维模型[3]，进行运动仿真的计算，从而确定发动机轴系的工作参数，根据计算的工作参数，再进行硅油减震器的结构参数的修改，进行优化设计，制造生产硅油减震器的实体模型，以实体模型为基础，利用实验室中的力学分析仪器，进行实体的扭转测试，获得实体模型的各项力学参数，分析其工作性能，从而进行进一步的优化，获得最佳的硅油减震器设计方案。而本文所采用的方法是：利用proe等软件构建减震器主轮毂和曲轴配合段的三维模型，进行装拆过程仿真；利用Anysy等软件建立减震器主轮毂和曲轴配合的有限元模型，进行涨压和推压油压分析，建立船用柴油机曲轴减震器装拆过程中涨压和推压匹配关系。
1.2 本课题的研究背景和意义
1.2.1 本课题的研究背景
曲轴是柴油机中重要的组成部分，由于曲轴的运行环境相对复杂，在各种力的作用下，曲轴容易产生振动。关于曲轴的振动形式，根据力学分析可以分为弯曲振动、轴向振动以及扭转振动[4]，工程实际上基本认为，扭转振动是曲轴振动最主要的形式，对于减震器的研究与制造也是围绕如何减少曲轴的扭转振动进行的。弯曲振动主要是由曲轴在运动过程中转轴的不平衡所引起的；轴向振动主要是螺旋桨在转动过程中对水的推力不均匀所造成的；扭转振动是由于柴油机主机通过传动机构传递动力所造成的，曲轴轴面沿着径向上下摆动所造成的。
张锁怀，万明伟在研究船用柴油机曲轴系统扭纵耦合振动特性时指出，相比于其他柴油机，船用柴油机的曲柄长度以及冲程明显增加[5]，这样就导致了曲轴系统的轴向刚度和扭转刚度都有所降低，他提出在船用柴油机的曲轴振动中，轴向振动与扭转振动是主要的振动形式[5]；
对于曲轴的振动控制早已得到广泛的研究与关注，不同类型的减震器也应运而生，而减震器的装拆技术领域还被研究的较少，传统的螺栓连接方法，不能很好的平衡曲轴与减震器之间的振动传递，而新型的过盈联结装拆法虽然正在被采用，但依然缺乏技术上的改进，现在工程上常采用的压装法过盈联结，不能很好的保护零件之间的接触面，如果工程实际要求零件之间反复装拆，直接采用压装过盈联结的方法是远远达不到要求的，而且，直接压装法在操作过程中虽然过程简单，但是需要很大的压装推力，相较于本文的方法，成本较高，所以，本文将针对过盈联结的装拆法提出一种油压过盈联结法，它既有效的使减震器主轮毂与曲轴之间达到所需预紧力，在装拆过程中对零件接触面起到的保护作用，也是其他过盈联结装拆法所无法匹及的。
1.2.2 本课题的研究意义
由查阅文献可以发现，虽然曲轴的震动形式是多样的，但是工程实际认为控制好曲轴的主要震动形式，即扭转振动就能够获得理想的控制振动的效果，因此，曲轴的扭转振动成为研究的重要领域。减震器与曲轴之间采取不同的联结方式对控制曲轴的振动有着不同的影响，为了更好的使减震器达到预期的减震效果，本课题所研究的方法不同于一般的装拆方法，它不需要通过螺栓将两个链接，只是通过二者的过盈配合，使其自身的预紧力达到工程实际的要求。在计算方法上，由于传统设计方法采用材料力学的方法，以厚壁圆筒为模型，通过力学公式的计算方法,以确定过盈量的大小，这种方法并不能够精确反映轴和减振器主轮毂的实际结构对材料变形和所受到的应力的影响,故而本课题将通过更加科学有限元分析方法，更为精确地计算出零部件之间接触处的应力分布。过盈联接的方法是轴孔类联接的常用的紧密联结的方法，由于过盈联接的联结结构较为简单，联结结构的对中性好，运转过程中，不易给轴施加扭转力，相较于螺栓
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 本课题的研究背景和意义 1
1.2.1 本课题的研究背景 1
1.2.2 本课题的研究意义 2
1.3 本课题的研究现状 3
1.3.1 扭转振动计算研究现状 3
1.3.2 减震器的研究现状 4
1.3.3 减震器装拆方式的研究现状 6
1.4 计算机辅助软件的介绍 7
1.5 课题研究的内容 7
第二章 减震器装拆原理 9
2.1 曲轴减震器的减震原理 9
2.2 油压过盈联结作用原理 9
2.3 油压圆锥联结的组成结构 10
2.4 过盈联结的传统设计计算方法 11
2.5 Ansys在过盈联结中的应用原理 12
2.6 本章小结 12
第三章 减震器的装拆仿真 14
3.1 减震器装拆机构的结构设计 14
3.1.1 过盈联结形
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9
2.2 油压过盈联结作用原理 9
2.3 油压圆锥联结的组成结构 10
2.4 过盈联结的传统设计计算方法 11
2.5 Ansys在过盈联结中的应用原理 12
2.6 本章小结 12
第三章 减震器的装拆仿真 14
3.1 减震器装拆机构的结构设计 14
3.1.1 过盈联结形式的选取 14
3.1.2 环形槽和油孔的设计 15
3.1.3 进油口联接螺纹 16
3.1.4 装拆工具的简单选用 17
3.1.5 减震器装拆机构的结构设计一般要求 17
3.2 减震器装拆要求及注意事项 18
3.2.1 一般要求 18
3.2.2 圆锥形过盈联结的安装与拆卸 18
3.3 减震器的装拆过程仿真 18
3.4 过盈配合最小过盈量确定 19
第四章 装拆过程的工程分析 21
4.1 建立模型、网格划分、添加约束载荷 21
4.1.1 定义材料属性 21
4.1.2 建立模型 21
4.1.3 选择单元类型及划分网格 21
4.1.4 添加约束 22
4.1.5 求解结果 22
4.2 减震器主轮毂的强度校核 24
4.3 本章小结 25
第五章 结论 26
5.1 总结 26
5.2 不足与展望 26
致谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1 引言
由于柴油机曲轴的扭转运动，在长时间工作后，曲轴容易产生弯曲疲劳损坏，更严重的可能会出现断裂，引发重大事故。本课题研究如何合理的选择与曲轴相配合的装拆方式，并探索高效简便的装拆工艺，将曲轴的扭转程度稳定在一个较小范围。刘宏等人通过一种数值模拟的方法和发动机曲轴系统的解析法，从而优化减振器，不仅控制曲轴的扭转振动而且减震器在工作中所产生的温度有所降低[1]；张国昌[2]在研究190系列硅油减振器时，首先建立了发动机轴系的三维模型[3]，进行运动仿真的计算，从而确定发动机轴系的工作参数，根据计算的工作参数，再进行硅油减震器的结构参数的修改，进行优化设计，制造生产硅油减震器的实体模型，以实体模型为基础，利用实验室中的力学分析仪器，进行实体的扭转测试，获得实体模型的各项力学参数，分析其工作性能，从而进行进一步的优化，获得最佳的硅油减震器设计方案。而本文所采用的方法是：利用proe等软件构建减震器主轮毂和曲轴配合段的三维模型，进行装拆过程仿真；利用Anysy等软件建立减震器主轮毂和曲轴配合的有限元模型，进行涨压和推压油压分析，建立船用柴油机曲轴减震器装拆过程中涨压和推压匹配关系。
1.2 本课题的研究背景和意义
1.2.1 本课题的研究背景
曲轴是柴油机中重要的组成部分，由于曲轴的运行环境相对复杂，在各种力的作用下，曲轴容易产生振动。关于曲轴的振动形式，根据力学分析可以分为弯曲振动、轴向振动以及扭转振动[4]，工程实际上基本认为，扭转振动是曲轴振动最主要的形式，对于减震器的研究与制造也是围绕如何减少曲轴的扭转振动进行的。弯曲振动主要是由曲轴在运动过程中转轴的不平衡所引起的；轴向振动主要是螺旋桨在转动过程中对水的推力不均匀所造成的；扭转振动是由于柴油机主机通过传动机构传递动力所造成的，曲轴轴面沿着径向上下摆动所造成的。
张锁怀，万明伟在研究船用柴油机曲轴系统扭纵耦合振动特性时指出，相比于其他柴油机，船用柴油机的曲柄长度以及冲程明显增加[5]，这样就导致了曲轴系统的轴向刚度和扭转刚度都有所降低，他提出在船用柴油机的曲轴振动中，轴向振动与扭转振动是主要的振动形式[5]；
对于曲轴的振动控制早已得到广泛的研究与关注，不同类型的减震器也应运而生，而减震器的装拆技术领域还被研究的较少，传统的螺栓连接方法，不能很好的平衡曲轴与减震器之间的振动传递，而新型的过盈联结装拆法虽然正在被采用，但依然缺乏技术上的改进，现在工程上常采用的压装法过盈联结，不能很好的保护零件之间的接触面，如果工程实际要求零件之间反复装拆，直接采用压装过盈联结的方法是远远达不到要求的，而且，直接压装法在操作过程中虽然过程简单，但是需要很大的压装推力，相较于本文的方法，成本较高，所以，本文将针对过盈联结的装拆法提出一种油压过盈联结法，它既有效的使减震器主轮毂与曲轴之间达到所需预紧力，在装拆过程中对零件接触面起到的保护作用，也是其他过盈联结装拆法所无法匹及的。
1.2.2 本课题的研究意义
由查阅文献可以发现，虽然曲轴的震动形式是多样的，但是工程实际认为控制好曲轴的主要震动形式，即扭转振动就能够获得理想的控制振动的效果，因此，曲轴的扭转振动成为研究的重要领域。减震器与曲轴之间采取不同的联结方式对控制曲轴的振动有着不同的影响，为了更好的使减震器达到预期的减震效果，本课题所研究的方法不同于一般的装拆方法，它不需要通过螺栓将两个链接，只是通过二者的过盈配合，使其自身的预紧力达到工程实际的要求。在计算方法上，由于传统设计方法采用材料力学的方法，以厚壁圆筒为模型，通过力学公式的计算方法,以确定过盈量的大小，这种方法并不能够精确反映轴和减振器主轮毂的实际结构对材料变形和所受到的应力的影响,故而本课题将通过更加科学有限元分析方法，更为精确地计算出零部件之间接触处的应力分布。过盈联接的方法是轴孔类联接的常用的紧密联结的方法，由于过盈联接的联结结构较为简单，联结结构的对中性好，运转过程中，不易给轴施加扭转力，相较于螺栓
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