一种发动机曲轴优化设计方法

本发明属于发动机曲轴设计领域，具体涉及一种发动机曲轴优化设计方法。

背景技术：

1、活塞式发动机利用气缸内高温气体做功进行对外动力输出。气缸向上运动时，空气被压缩成很小的体积，根据能量守恒，空气温度会升高。此时，在气缸内喷入燃油，在电火花发生器作用下，燃油会进行剧烈燃烧。燃烧后缸内气体温度急剧升高，体积迅速膨胀，推动活塞带动曲轴转动做功。曲轴外连飞轮，飞轮开始转动后，会在惯性作用下继续推动活塞向气缸内运动，对缸内气体进行压缩，如此反复从而不断对外做功。

2、发动机中最为重要的部件之一便是曲轴，作为受冲击最大的柔性体之一，在工作时曲轴需要承受来自气缸燃气压力产生的周期性交变载荷，如果外部激励如发动机转速的频率数值与曲轴的固有频率相接近或趋于一致时，由振动原理可知，曲轴在其工作转速内极易发生共振现象，造成附加的动应力增大进而导致异常形变的发生，使得曲轴轴系出现过早的疲劳损坏。

3、然而现有技术不能针根据特定工况对曲轴的结构进行优化设计。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种发动机曲轴优化设计方法。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种发动机曲轴优化设计方法，包括：

4、建立发动机系统数字模型；

5、对曲轴进行网格划分后，在自由状态下对发动机数字模型中的曲轴进行模态分析，导出包含应力应变状态的曲轴柔性体描述文件；

6、构建除曲轴外与曲轴有关的刚性体系统，将曲轴柔性体描述文件导入刚性体系统中，构建曲轴刚性体柔性体耦合模型系统；

7、设置不同的发动机转速，对曲轴刚性体柔性体耦合模型系统进行运动学与动力学分析，得到曲轴在不同发动机转速下结构的应力与应变参数；

8、根据曲轴的应力与应变参数，对曲轴结构进行优化设计以确保在不同的发动机转速下曲轴不发生共振且弯扭变形程度在安全范围内。

9、进一步，还包括：对曲轴进行网格划分后，对曲轴网格进行独立性检验。

10、进一步，所述对曲轴进行网格划分包括：

11、基于前处理膨胀层算法系统，采用自适应尺寸调整，设置7级分辨率；

12、对边缘进行高平滑处理，将高平滑处理设置为缓慢过渡模式；其中过渡比率设为0.272，膨胀层设为5层；

13、从表面边缘开始划分网格；

14、在曲率较大处细化边缘网格；

15、产生面网格和体网格。

16、进一步，所述对曲轴网格进行独立性检验包括：

17、以节点数、单元数、网格质量为参数进行网格独立性检验；

18、分析不同精度下的网格质量，选择最佳节点数和单元数进行网格划分。

19、进一步，所述建立发动机系统数字模型包括：对包含曲轴在内的发动机零部件进行单独建模，并按零部件关系装配成发动机系统。

20、进一步，所述发动机零部件包括：飞轮、连杆、活塞、曲轴、活塞销。

21、进一步，所述对发动机系统数字模型中，设定曲轴的材料属性为45号钢，连杆的材料属性为45mn锰钢，活塞的材料属性为共晶铝合金，活塞销的材料属性为15cr钢，飞轮的材料属性为球墨铸铁。

22、进一步，所述对除曲轴外与曲轴有关的刚性体系统进行搭建包括：根据工况合理设置零部件之间的连接方式和约束条件，所述约束条件的设置包括：

23、利用曲轴两端滚针轴承对曲轴施加回转约束；

24、利用飞轮螺栓对飞轮和曲轴施加刚性体-柔性体固定约束；

25、对发动机活塞与曲轴曲拐施加回转约束；

26、对发动机活塞连杆大小端施加固定约束；

27、对发动机活塞销与连杆施加固定约束；

28、对发动机活塞与活塞销施加回转约束；

29、对发动机活塞施加平移约束；

30、对需要进行受力分析的位置施加接触；

31、对曲轴施加不同转速。

32、本发明提供的一种发动机曲轴优化设计方法具有以下有益效果：

33、本发明采用自由状态下的模态分析，使得非线性约束能够合理的施加在模型中，以此来得到包含应力应变状态的曲轴柔性体描述文件，将曲轴柔性体描述文件导入发动机刚性体系统中，经过分析获得曲轴在不同发动机转速下结构的应力与应变参数，进而利用这些参数针对性的对曲轴结构进行优化设计。本发明解决了在不同转速下发动机曲轴由于共振而造成结构强度低和疲劳失效的问题，利用仿真数据进行针对性的设计可以节约实验成本，提升优化效率。

技术特征：

1.一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，还包括：对曲轴进行网格划分后，对曲轴网格进行独立性检验。

3.根据权利要求2所述的一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，所述对曲轴进行网格划分包括：

4.根据权利要求2所述的一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，所述对曲轴网格进行独立性检验包括：

5.根据权利要求1所述的一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，所述建立发动机系统数字模型包括：对包含曲轴在内的发动机零部件进行单独建模，并按零部件关系装配成发动机系统。

6.根据权利要求5所述的一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，所述发动机零部件包括：飞轮、连杆、活塞、曲轴、活塞销。

7.根据权利要求5所述的一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，所述对发动机系统数字模型中，设定曲轴的材料属性为45号钢，连杆的材料属性为45mn锰钢，活塞的材料属性为共晶铝合金，活塞销的材料属性为15cr钢，飞轮的材料属性为球墨铸铁。

8.根据权利要求1所述的一种发动机曲轴优化设计方法，其特征在于，所述对除曲轴外与曲轴有关的刚性体系统进行搭建包括：根据工况合理设置零部件之间的连接方式和约束条件，所述约束条件的设置包括：

技术总结
本发明提供了一种发动机曲轴优化设计方法，属于发动机曲轴设计领域，包括：建立发动机系统数字模型；在自由状态下对发动机数字模型中的曲轴进行模态分析，导出包含应力应变状态的曲轴柔性体描述文件；构建除曲轴外与曲轴有关的刚性体系统，将曲轴柔性体描述文件导入刚性体系统中，构建曲轴刚性体柔性体耦合模型系统；设置不同的发动机转速，对曲轴刚性体柔性体耦合模型系统进行运动学与动力学分析，得到曲轴在不同发动机转速下结构的应力与应变参数；根据曲轴的应力与应变参数，对曲轴结构进行优化设计以确保在不同的发动机转速下曲轴不发生共振且弯扭变形程度在安全范围内。该方法能够利用仿真数据对发动机曲轴进行优化设计。

技术研发人员：郑路,张啸,郭珊睿
受保护的技术使用者：中国农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13