發(fā)動機曲軸多體動力學(xué)仿真分析

張 影,于 波,于惠力,王俊發(fā)

(1.黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,哈爾濱 150000; 2.哈爾濱石油學(xué)院,哈爾濱 150000)

曲軸系統(tǒng)振動是引發(fā)內(nèi)燃機振動的重要因素。運動過程中,曲軸上有作用大小、方向周期性變化的切向及法向作用力,使曲軸同時發(fā)生彎曲振動與扭轉(zhuǎn)振動,造成振動及磨損,這也是內(nèi)燃機的主要噪聲來源,直接影響內(nèi)燃機的可靠性及壽命,是設(shè)計過程中必須考慮的因素[1]。

將有限元分析法與多體動力學(xué)法相結(jié)合,對曲軸系進行動態(tài)特性仿真,應(yīng)用ABAQUS與AVL Excite軟件,對某發(fā)動機曲軸系進行自由模態(tài)分析,了解曲軸的振動特性,并進行曲軸柔性多體動力學(xué)分析,求得各零部件的動力學(xué)響應(yīng),使用瞬態(tài)法恢復(fù)出曲軸的動態(tài)應(yīng)力并進行強度評價。

1 曲軸系振動特性分析

1.1 有限元模型

有限元建模是有限元分析的重要環(huán)節(jié),模型正確與否及質(zhì)量對有限元分析結(jié)果有很大影響[2]。曲軸系有限元模型包括曲軸、皮帶輪及飛輪,各部件間節(jié)點耦合。為保證計算精度與網(wǎng)格規(guī)模,采用四面體二階單元,模型如圖1所示。

圖1 曲軸系有限元模型

軸系各部件材料參數(shù)見表1。

表1 曲軸系材料參數(shù)

1.2 模態(tài)分析結(jié)果

自由模態(tài)考慮結(jié)構(gòu)本身的一些特性,前6階為剛體的平動及轉(zhuǎn)動,即前6階固有頻率為零,所以分析結(jié)構(gòu)自振頻率及模態(tài)從非零模態(tài)開始[3]。由于高頻振動模態(tài)對結(jié)構(gòu)運動的貢獻很小,可以忽略不計,低階模態(tài)對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)貢獻最大[4],因此分析前6階非零模態(tài)。

曲軸系前6階固有頻率及振型見表2和圖2。曲軸軸線定義為X軸,將第一曲拐朝上定義為Z軸。

表2 曲軸系統(tǒng)前6階固有頻率及振型

圖2 曲軸系統(tǒng)前6階振型

三缸發(fā)動機點火激勵頻率在21.25～152.5 Hz,該曲軸系統(tǒng)一階扭轉(zhuǎn)頻率為326.5 Hz,因此曲軸系與發(fā)動機不會發(fā)生共振。

2 曲軸系統(tǒng)多體動力學(xué)分析

2.1 EXCITE PU仿真模型

將建立的曲軸系模型在有限元前處理軟件HyperMesh中定義材料特性、邊界條件等。應(yīng)用軟件將模型壓縮至定義的主自由度節(jié)點上,獲得子結(jié)構(gòu)模型,供EXCITE PU模型使用。主軸承壁不是主要關(guān)注對象,為減少模型規(guī)模,將其簡化成帶孔方塊,劃分網(wǎng)格,設(shè)置主自由度節(jié)點等預(yù)處理,同樣進行模型壓縮,供EXCITE PU模型使用。

曲軸系EXCITE PU模型如圖3所示。

圖3 曲軸系EXCITE PU仿真模型

各轉(zhuǎn)速全負荷氣缸壓力數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 各轉(zhuǎn)速全負荷氣缸壓力曲線

2.2 結(jié)果分析

利用AVL EXCITE PU可以獲得時域內(nèi)每個體的各個壓縮自由度在相對坐標系與絕對坐標系下的位移、速度等參數(shù),針對發(fā)動機10個工作轉(zhuǎn)速(1500～6000 rpm)進行動態(tài)計算及分析。

2.2.1 扭振分析

在曲軸系旋轉(zhuǎn)過程中,曲軸系與軸承座是彈性部件,部件間會產(chǎn)生瞬時速度變化,形成沿旋轉(zhuǎn)方向的扭轉(zhuǎn)振動,扭振分析是保證發(fā)動機NVH性能的重要手段。圖5、圖6為曲軸皮帶輪端在各轉(zhuǎn)速下水平方向與垂直方向的扭轉(zhuǎn)振動曲線。對于一般用途的三缸四沖程發(fā)動機,自由端扭振振幅應(yīng)小于0.07 rad,由結(jié)果可知,各轉(zhuǎn)速下扭振振幅均在0.002 rad以下,在合格范圍內(nèi)。

圖5 自由端水平方向扭轉(zhuǎn)振動

圖6 自由端垂直方向扭轉(zhuǎn)振動

2.2.2 曲軸系動應(yīng)力分析

曲軸系動應(yīng)力分析包括一個完整的發(fā)動機循環(huán)的應(yīng)力計算,應(yīng)用EXCITE PU對曲軸進行動態(tài)應(yīng)力恢復(fù),得到每個轉(zhuǎn)速下瞬態(tài)應(yīng)力。瞬態(tài)圖7為曲軸在一個循環(huán)中同一時刻各個轉(zhuǎn)速的最大等效應(yīng)力云圖。

圖7 曲軸最大等效應(yīng)力云圖

由圖7可知,各轉(zhuǎn)速下應(yīng)力極值出現(xiàn)的位置依次為123連桿軸頸圓角,與發(fā)火順序相符。曲軸最大等效應(yīng)力值在327.1～422.9 MPa,4000 rpm時等效應(yīng)力最大,出現(xiàn)在第四拐的曲柄銷軸頸圓角處。最大等效應(yīng)力小于材料屈服極限850 MPa,結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié)論

曲軸系自由模態(tài)分析能夠確定固有頻率與振型,判斷是否與發(fā)動機點火頻率發(fā)生共振,結(jié)合試驗或其他模擬仿真綜合判斷發(fā)動機NVH特性。對各轉(zhuǎn)速下的扭振、動態(tài)應(yīng)力進行計算,分析扭轉(zhuǎn)振動及曲軸可靠性是否合理,若不合理可對曲軸的參數(shù)、尺寸、減震器等展開優(yōu)化。通過動力學(xué)模擬可快速識別危險工況及危險位置,對曲軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計及改進提供支持。