一种曲轴动力学分析方法
一种曲轴动力学分析方法
【专利摘要】本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种曲轴动力学分析方法。本发明提供一种曲轴动力学分析方法，包括以下步骤：A、建立发动机及曲轴系零部件的有限元模型，对曲轴进行分块，对分块曲轴直接进行3D实体有限元网格划分；B、将发动机结构及曲轴系零部件数据输入有限元模型中，分别对曲拐进行刚度计算；C、选择润滑油及爆发压力曲线，进行载荷求解；D、对曲轴应力计算及安全系数求解；E、根据求解结果，对曲轴进行评价。本发明提供一种速度快、效率高、可靠性高的曲轴动力学分析方法，大量减少时间；对曲轴进行3D网格划分快速高效，分析模型建立快速、响应快；计算求解时间短；该方法比一维方法更加精确，比完全三维方法更加快速。
【专利说明】一种曲轴动力学分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种曲轴动力学分析方法。
【背景技术】
[0002] 曲轴是发动机最重要的零部件之一，它的尺寸参数在很大程度上不仅影响着发动 机的整体尺寸和重量，而且在很大程度上影响着发动机的可靠和寿命。曲轴的破坏事故可 能引起其他零部件和发动机的严重损坏。在发动机设计开发之初，需要尽快对曲轴的结构 形式、尺寸参数、材料和工艺等进行评估。因此，在发动机概念设计阶段，对曲轴应力和安全 系数进行快速高效准确的动力学分析是非常重要的。
[0003] 传统的曲轴动力学分析中，有如下问题：
[0004] 1、使用一维分析方法对曲轴进行简化，不能详细反应曲轴结构信息；
[0005] 2、使用完整的三维分析方法，则需要建立发动机整机FEM有限元模型，复杂零件 如缸体、缸盖、曲轴等划分有限元网格和网格装配耗时长；网格数量大，有限元网格质量也 难以保证；在庞大的网格数量下，有限元分析耗时长；有限元计算难以收敛，分析易失败。
[0006] 3、在对曲轴进行网格划分时，先对曲轴进行2D网格划分，再生成3D网格，2D网格 划分耗时，3D网格质量有问题，还需对2D网格进行多次调整，消耗时间长。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种速 度快、效率高、可靠性高的曲轴动力学分析方法。
[0008] 本发明采取的技术方案为提供一种曲轴动力学分析方法，包括以下步骤：
[0009] A、建立发动机及曲轴系零部件的有限元模型，对曲轴进行分块，对分块曲轴直接 进行3D实体有限元网格划分；
[0010] B、将发动机结构及曲轴系零部件数据输入有限元模型中，分别对曲拐进行刚度计 算；
[0011] C、选择润滑油及爆发压力曲线，进行载荷求解；
[0012] D、对曲轴应力计算及安全系数求解；
[0013] E、根据求解结果，对曲轴进行评价。
[0014] 作为本发明的进一步改进，所述刚度计算包括扭转、共面弯曲和异面弯曲刚度计 算。
[0015] 作为本发明的进一步改进，所述步骤C包括以下分步骤：
[0016] C1、先进行静定求解；
[0017] C2、再进行静不定求解。
[0018] 作为本发明的进一步改进，所述应力计算使用的是准静态方法。
[0019] 作为本发明的进一步改进，所述安全系数求解使用Goodman图进行求解。
[0020] 作为本发明的进一步改进，所述步骤D中包括以下分步骤：
[0021] D1、先进行单位载荷下的曲拐应力计算，所述曲拐包括1/2主轴颈、1/2连杆颈、曲 柄臂、连杆轴颈圆角、主轴颈圆角、油孔；
[0022] D2、再进行各工况载荷下曲轴应力计算。
[0023] 作为本发明的进一步改进，所述求解结果包括曲拐应力计算结果、材料属性。
[0024] 作为本发明的进一步改进，所述步骤E之后还有步骤F:评价为不满足曲轴材料强 度及疲劳安全系数要求，需对曲轴进行结构更改，再重新进行计算。
[0025] 本发明的有益效果是：在采用了本发明的技术方案后，取得了以下的有益效果： 1、不需要对缸体、缸盖等复杂零件进行网格划分，大量减少时间；2、对曲轴进行3D网格划 分快速高效，避免了传统方法中需先进行2D网格划分，再进行3D网格划分的方法的繁琐、 效率低等弊端；3、分析模型建立快速、响应快；4、计算求解时间短；5、该方法比一维方法更 加精确，比完全三维方法更加快速。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1是本发明曲轴动力学分析方法的流程图；
[0027] 图2是本发明曲轴动力学分析方法曲轴切割分块结构示意图；
[0028] 图3是本发明曲轴动力学分析方法扭转刚度示意图；
[0029] 图4是本发明曲轴动力学分析方法共面弯曲刚度示意图；
[0030] 图5是本发明曲轴动力学分析方法异面弯曲刚度示意图；
[0031] 图6是本发明曲轴动力学分析方法曲拐结构图；
[0032] 图7是本发明曲轴动力学分析方法Goodman图。
[0033] 图中数字表示：1、连杆颈中心线；2、主轴颈中心线；3、曲拐。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合【专利附图】
【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0035] 如图1所示，本发明提供一种曲轴动力学分析方法，包括以下步骤：
[0036] A、建立发动机及曲轴系零部件的有限元模型，对曲轴进行分块，对分块曲轴直接 进行3D实体有限元网格划分；为了保证应力计算精度，网格划分需要在圆角区域更细更 密；所述网格划分包括：1、将曲轴模型导入Hypermesh中，取主轴颈和连杆轴颈的中心平 面，如图2所示，将曲轴分块。
[0037] 2、选择3D中的tetramesh，选择Volume Tetra直接对曲轴分块进行3D实体网格 划分，从而避免了传统的先进行2D网格的划分，再进行3D网格的划分，3D网格质量不合格， 还需在2D网格和3D网格之间反复调整的繁琐方法。为保证后续曲轴应力计算精度，圆角 Fillet区域网格要精细。
[0038] 如图3至图6所示，B、将发动机结构及曲轴系零部件数据输入有限元模型Engdyn 中，分别对曲拐2进行扭转、共面弯曲和异面弯曲刚度计算，计算曲轴刚度，如图3所示，不 需搭建分析模型，不用划分网格，节省了大量时间，使得分析周期大大缩短。
[0039] 扭转刚度：在垂直于连杆颈中心线1和主轴颈中心线3的平面上，施加扭矩，计 算出来的刚度。
[0040] 共面弯曲刚度：在通过连杆颈中心线1和主轴颈中心线3的平面上，施加扭矩， 计算出来的刚度。
[0041] 异面弯曲刚度：在垂直于通过连杆颈和主轴颈中心线所形成的平面，且通过主轴 颈中心线的平面上，施加扭矩，计算出来的刚度。
[0042] C、选择润滑油及爆发压力曲线，进行载荷求解；
[0043] 所述步骤C包括以下分步骤：
[0044] C1、先进行静定求解；
[0045] C2、再进行静不定求解。
[0046] 载荷求解：从Engdyn的润滑油数据库中选择合适的润滑油牌号。将各工况下的爆 发压力曲线输入模型中。选择Indeterminate静不定求解计算，这时会先进行Determinate 静定求解，求解静力平衡方程，将其结果作为Indeterminate静不定求解的初始条件，加入 保证结构连续性所应满足的变形几何关系的变形协调条件，得出各工况下的曲轴载荷。
[0047] 如图7所示，D、对曲轴应力计算及安全系数求解；使用有限元准静态
[0048] FE Quasi-Static方法，进行单位载荷Unit Loads的计算。基于单位载荷Unit Load的计算结果，对曲柄臂、连杆轴颈圆角、主轴颈圆角、油孔等进行应力计算。使用 Goodman图进行安全系数计算。
[0049] 该应力耦合弯曲和扭转应力。
[0050] 定义σ y。为材料压缩屈服强度，
[0051] 〇yt为材料拉伸屈服强度，
[0052] 〇 ut为材料的极限抗拉强度，
[0053] 〇 fl为材料的疲劳极限强度。
[0054] 根据上述参数，可绘制出如图4所示的Goodman Safety Factor曲线图。根据 Goodman曲线图，可以计算出各个工况下的安全系数。
[0055] 其中〇m为平均应力，计算方法为： _
【权利要求】
1. 一种曲轴动力学分析方法，其特征在于：包括以下步骤： A、 建立发动机及曲轴系零部件的有限元模型，对曲轴进行分块，对分块曲轴直接进行 3D实体有限元网格划分； B、 将发动机结构及曲轴系零部件数据输入有限元模型中，分别对曲拐进行刚度计算； C、 选择润滑油及爆发压力曲线，进行载荷求解； D、 对曲轴应力计算及安全系数求解； E、 根据求解结果，对曲轴进行评价。
2. 根据权利要求1所述的曲轴动力学分析方法，其特征在于：所述刚度计算包括扭转、 共面弯曲和异面弯曲刚度计算。
3. 根据权利要求1所述的曲轴动力学分析方法，其特征在于：所述步骤C包括以下分 步骤： C1、先进行静定求解； C2、再进行静不定求解。
4. 根据权利要求1所述的曲轴动力学分析方法，其特征在于：所述应力计算使用的是 准静态方法。
5. 根据权利要求1所述的曲轴动力学分析方法，其特征在于：所述安全系数求解使用 Goodman图进行求解。
6. 根据权利要求1所述的曲轴动力学分析方法，其特征在于：所述步骤D中包括以下 分步骤： D1、先进行单位载荷下的曲拐应力计算，所述曲拐包括1/2主轴颈、1/2连杆颈、曲柄 臂、连杆轴颈圆角、主轴颈圆角、油孔； D2、再进行各工况载荷下曲轴应力计算。
7. 根据权利要求1所述的曲轴动力学分析方法，其特征在于：所述求解结果包括曲拐 应力计算结果、材料属性。
8. 根据权利要求1所述的曲轴动力学分析方法，其特征在于：所述步骤E之后还有步 骤F :评价为不满足曲轴材料强度及疲劳安全系数要求，需对曲轴进行结构更改，再重新进 行计算。
【文档编号】G06F17/50GK104102778SQ201410338434
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】王磊, 穆建华, 叶年业, 唐海娇, 黄勇和 申请人:上汽通用五菱汽车股份有限公司
【专利摘要】本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种曲轴动力学分析方法。本发明提供一种曲轴动力学分析方法，包括以下步骤：A、建立发动机及曲轴系零部件的有限元模型，对曲轴进行分块，对分块曲轴直接进行3D实体有限元网格划分；B、将发动机结构及曲轴系零部件数据输入有限元模型中，分别对曲拐进行刚度计算；C、选择润滑油及爆发压力曲线，进行载荷求解；D、对曲轴应力计算及安全系数求解；E、根据求解结果，对曲轴进行评价。本发明提供一种速度快、效率高、可靠性高的曲轴动力学分析方法，大量减少时间；对曲轴进行3D网格划分快速高效，分析模型建立快速、响应快；计算求解时间短；该方法比一维方法更加精确，比完全三维方法更加快速。
【专利说明】一种曲轴动力学分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种曲轴动力学分析方法。
【背景技术】
[0002] 曲轴是发动机最重要的零部件之一，它的尺寸参数在很大程度上不仅影响着发动 机的整体尺寸和重量，而且在很大程度上影响着发动机的可靠和寿命。曲轴的破坏事故可 能引起其他零部件和发动机的严重损坏。在发动机设计开发之初，需要尽快对曲轴的结构 形式、尺寸参数、材料和工艺等进行评估。因此，在发动机概念设计阶段，对曲轴应力和安全 系数进行快速高效准确的动力学分析是非常重要的。
[0003] 传统的曲轴动力学分析中，有如下问题：
[0004] 1、使用一维分析方法对曲轴进行简化，不能详细反应曲轴结构信息；
[0005] 2、使用完整的三维分析方法，则需要建立发动机整机FEM有限元模型，复杂零件 如缸体、缸盖、曲轴等划分有限元网格和网格装配耗时长；网格数量大，有限元网格质量也 难以保证；在庞大的网格数量下，有限元分析耗时长；有限元计算难以收敛，分析易失败。
[0006] 3、在对曲轴进行网格划分时，先对曲轴进行2D网格划分，再生成3D网格，2D网格 划分耗时，3D网格质量有问题，还需对2D网格进行多次调整，消耗时间长。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种速 度快、效率高、可靠性高的曲轴动力学分析方法。
[0008] 本发明采取的技术方案为提供一种曲轴动力学分析方法，包括以下步骤：
[0009] A、建立发动机及曲轴系零部件的有限元模型，对曲轴进行分块，对分块曲轴直接 进行3D实体有限元网格划分；
[0010] B、将发动机结构及曲轴系零部件数据输入有限元模型中，分别对曲拐进行刚度计 算；
[0011] C、选择润滑油及爆发压力曲线，进行载荷求解；
[0012] D、对曲轴应力计算及安全系数求解；
[0013] E、根据求解结果，对曲轴进行评价。
[0014] 作为本发明的进一步改进，所述刚度计算包括扭转、共面弯曲和异面弯曲刚度计 算。
[0015] 作为本发明的进一步改进，所述步骤C包括以下分步骤：
[0016] C1、先进行静定求解；
[0017] C2、再进行静不定求解。
[0018] 作为本发明的进一步改进，所述应力计算使用的是准静态方法。
[0019] 作为本发明的进一步改进，所述安全系数求解使用Goodman图进行求解。
[0020] 作为本发明的进一步改进，所述步骤D中包括以下分步骤：
[0021] D1、先进行单位载荷下的曲拐应力计算，所述曲拐包括1/2主轴颈、1/2连杆颈、曲 柄臂、连杆轴颈圆角、主轴颈圆角、油孔；
[0022] D2、再进行各工况载荷下曲轴应力计算。
[0023] 作为本发明的进一步改进，所述求解结果包括曲拐应力计算结果、材料属性。
[0024] 作为本发明的进一步改进，所述步骤E之后还有步骤F:评价为不满足曲轴材料强 度及疲劳安全系数要求，需对曲轴进行结构更改，再重新进行计算。
[0025] 本发明的有益效果是：在采用了本发明的技术方案后，取得了以下的有益效果： 1、不需要对缸体、缸盖等复杂零件进行网格划分，大量减少时间；2、对曲轴进行3D网格划 分快速高效，避免了传统方法中需先进行2D网格划分，再进行3D网格划分的方法的繁琐、 效率低等弊端；3、分析模型建立快速、响应快；4、计算求解时间短；5、该方法比一维方法更 加精确，比完全三维方法更加快速。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1是本发明曲轴动力学分析方法的流程图；
[0027] 图2是本发明曲轴动力学分析方法曲轴切割分块结构示意图；
[0028] 图3是本发明曲轴动力学分析方法扭转刚度示意图；
[0029] 图4是本发明曲轴动力学分析方法共面弯曲刚度示意图；
[0030] 图5是本发明曲轴动力学分析方法异面弯曲刚度示意图；
[0031] 图6是本发明曲轴动力学分析方法曲拐结构图；
[0032] 图7是本发明曲轴动力学分析方法Goodman图。
[0033] 图中数字表示：1、连杆颈中心线；2、主轴颈中心线；3、曲拐。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合【专利附图】
【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0035] 如图1所示，本发明提供一种曲轴动力学分析方法，包括以下步骤：
[0036] A、建立发动机及曲轴系零部件的有限元模型，对曲轴进行分块，对分块曲轴直接 进行3D实体有限元网格划分；为了保证应力计算精度，网格划分需要在圆角区域更细更 密；所述网格划分包括：1、将曲轴模型导入Hypermesh中，取主轴颈和连杆轴颈的中心平 面，如图2所示，将曲轴分块。
[0037] 2、选择3D中的tetramesh，选择Volume Tetra直接对曲轴分块进行3D实体网格 划分，从而避免了传统的先进行2D网格的划分，再进行3D网格的划分，3D网格质量不合格， 还需在2D网格和3D网格之间反复调整的繁琐方法。为保证后续曲轴应力计算精度，圆角 Fillet区域网格要精细。
[0038] 如图3至图6所示，B、将发动机结构及曲轴系零部件数据输入有限元模型Engdyn 中，分别对曲拐2进行扭转、共面弯曲和异面弯曲刚度计算，计算曲轴刚度，如图3所示，不 需搭建分析模型，不用划分网格，节省了大量时间，使得分析周期大大缩短。
[0039] 扭转刚度：在垂直于连杆颈中心线1和主轴颈中心线3的平面上，施加扭矩，计 算出来的刚度。
[0040] 共面弯曲刚度：在通过连杆颈中心线1和主轴颈中心线3的平面上，施加扭矩， 计算出来的刚度。
[0041] 异面弯曲刚度：在垂直于通过连杆颈和主轴颈中心线所形成的平面，且通过主轴 颈中心线的平面上，施加扭矩，计算出来的刚度。
[0042] C、选择润滑油及爆发压力曲线，进行载荷求解；
[0043] 所述步骤C包括以下分步骤：
[0044] C1、先进行静定求解；
[0045] C2、再进行静不定求解。
[0046] 载荷求解：从Engdyn的润滑油数据库中选择合适的润滑油牌号。将各工况下的爆 发压力曲线输入模型中。选择Indeterminate静不定求解计算，这时会先进行Determinate 静定求解，求解静力平衡方程，将其结果作为Indeterminate静不定求解的初始条件，加入 保证结构连续性所应满足的变形几何关系的变形协调条件，得出各工况下的曲轴载荷。
[0047] 如图7所示，D、对曲轴应力计算及安全系数求解；使用有限元准静态
[0048] FE Quasi-Static方法，进行单位载荷Unit Loads的计算。基于单位载荷Unit Load的计算结果，对曲柄臂、连杆轴颈圆角、主轴颈圆角、油孔等进行应力计算。使用 Goodman图进行安全系数计算。
[0049] 该应力耦合弯曲和扭转应力。
[0050] 定义σ y。为材料压缩屈服强度，
[0051] 〇yt为材料拉伸屈服强度，
[0052] 〇 ut为材料的极限抗拉强度，
[0053] 〇 fl为材料的疲劳极限强度。
[0054] 根据上述参数，可绘制出如图4所示的Goodman Safety Factor曲线图。根据 Goodman曲线图，可以计算出各个工况下的安全系数。
[0055] 其中〇m为平均应力，计算方法为： _
【权利要求】
1. 一种曲轴动力学分析方法，其特征在于：包括以下步骤： A、 建立发动机及曲轴系零部件的有限元模型，对曲轴进行分块，对分块曲轴直接进行 3D实体有限元网格划分； B、 将发动机结构及曲轴系零部件数据输入有限元模型中，分别对曲拐进行刚度计算； C、 选择润滑油及爆发压力曲线，进行载荷求解； D、 对曲轴应力计算及安全系数求解； E、 根据求解结果，对曲轴进行评价。
2. 根据权利要求1所述的曲轴动力学分析方法，其特征在于：所述刚度计算包括扭转、 共面弯曲和异面弯曲刚度计算。
3. 根据权利要求1所述的曲轴动力学分析方法，其特征在于：所述步骤C包括以下分 步骤： C1、先进行静定求解； C2、再进行静不定求解。
4. 根据权利要求1所述的曲轴动力学分析方法，其特征在于：所述应力计算使用的是 准静态方法。
5. 根据权利要求1所述的曲轴动力学分析方法，其特征在于：所述安全系数求解使用 Goodman图进行求解。
6. 根据权利要求1所述的曲轴动力学分析方法，其特征在于：所述步骤D中包括以下 分步骤： D1、先进行单位载荷下的曲拐应力计算，所述曲拐包括1/2主轴颈、1/2连杆颈、曲柄 臂、连杆轴颈圆角、主轴颈圆角、油孔； D2、再进行各工况载荷下曲轴应力计算。
7. 根据权利要求1所述的曲轴动力学分析方法，其特征在于：所述求解结果包括曲拐 应力计算结果、材料属性。
8. 根据权利要求1所述的曲轴动力学分析方法，其特征在于：所述步骤E之后还有步 骤F :评价为不满足曲轴材料强度及疲劳安全系数要求，需对曲轴进行结构更改，再重新进 行计算。
【文档编号】G06F17/50GK104102778SQ201410338434
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】王磊, 穆建华, 叶年业, 唐海娇, 黄勇和 申请人:上汽通用五菱汽车股份有限公司
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