基于ANSYS的柴油机曲轴疲劳与谐波分析外文翻译资料

 2022-08-02 12:24:31

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基于ANSYS的柴油机曲轴疲劳与谐波分析。

阿以莎·默罕默德1,2，穆罕默德·阿里

易卜拉欣·哈鲁纳·沙诺诺3,4

1机械与制造工程学院，

马来西亚彭亨大学，甘榜，马来西亚

ayshermuhd@gmail.com

2Bayero大学卡诺机电工程系，卡诺，尼日利亚

3电气与电子工程学院，马来西亚彭亨大学，

甘榜，马来西亚

4Bayero大学卡诺电气工程系，卡诺，尼日利亚

摘要 内燃机曲轴是内燃机的重要运动部件之一，内燃机的性能和可靠性取决于曲轴的鲁棒性。内燃机受曲轴振动活动的影响。由于曲轴的复杂性，这种振动性能很难确定。为了避免发动机曲轴的失效，曲轴强度的计算成为重要的组成部分。摘要采用有限元分析软件ANSYS workbench对某内燃机进行了疲劳、失效及谐波响应分析。在ANSYS有限元分析软件中对一种结构钢材料进行了静力分析、力学求解。瞬态分析结果表明，曲柄销轴颈处存在应力，曲柄前缘处存在变形。格伯理论作为一种结构钢材，其失效分析的安全系数较高。

关键词：曲轴；有限元；ANSYS；谐波；应力；变形；疲劳

· · · · · ·

1 简介

曲轴是用来提供旋转运动时，承受一系列的连续负荷和应力。曲轴原理的思想是将设备（泵，压缩机，发电机）的输入从突然位移改变为旋转形式[1]。每当发动机运行时，曲轴都会受到动力脉冲的冲击，从而产生扭转振动。过去，曲轴的应力是使用梁和框架模型的方法来计算的。这些方法的局限性在于它们的节点数有限。近来，计算机技术的进步提供了使用有限元方法（FEM）的方法来计算和分析曲轴中的应力的方法。通过对结构进行谐波分析，可以确定结构受简谐变化载荷所产生的应力所改变的部分。可用于进行谐波分析的三种不同方法包括:完全法、约简法和模态叠加法(常用方法)[2-5]。

copy;Springer Nature Singapore Pte Ltd.2020

M. N. Osman Zahid等。 （编辑）：IMEC-APCOMS 2019，LNME，第pp。 371-376，2020年。https：//doi.org/10.1007/978-981-15-0950-6_56

大多数材料都有疲劳极限，也叫耐久极限。那些压力水平低于这个极限的人被称为有无限的疲劳寿命。用于疲劳分析评估平均应力对疲劳寿命影响的理论主要有三种:索德伯格理论、古德曼理论和格伯失效理论 [2]。许多研究人员使用ANSYS workbench对曲轴进行了分析。为了计算应力或其他部件（如飞轮）对曲轴的影响，使用谐波分析 [6]。在[7]中，动态谐波力矩是通过谐波分析确定的。在另一项研究中，进行了瞬态分析以确定扭转变形的谐波响应。采用模态叠加谐波法，对板的变形、应力和刚度的稳态值进行了瞬态动力分析，并在[8]中提出。本文对曲轴进行了瞬态、疲劳和谐响应分析，确定了曲轴的应力、变形和模态分析。在ANSYS有限元分析软件中对一种结构钢材料进行了静力分析、力学求解。

方法

结构设计采用Solid-Works软件完成，并导出到ANSYS workbench中进行进一步分析。下面的图1显示了带有尺寸的草图结构。

图1.（a）配重和飞轮（b）主要轴颈

工程结构的失效使结构的整体或部分失效，导致生命和经济损失的高风险，因此对结构进行分析，对确定结构的安全性具有十分重要的意义 [9，10]。为了对材料进行有效和定性的分析，需要正确和仔细地输入材料特性 [11]。根据分析的目的，可以选择一些机械性能，如密度、强度和热膨胀系数定义 [12]。了解并声明材料属性的正确值对于设计分析非常有用[13,14]。

分析所用的材料是结构钢。在150rmp的转速下，对曲轴结构进行100 Nm的疲劳分析。

在应力水平低于材料屈服强度的动态载荷下，通常会发生疲劳。图2显示了失效分析的约束条件。

图2.（a）转速（b）力矩

谐波响应分析基本上是模态分析。通过谐波分析确定了曲轴的频率工作范围和对谐波载荷的响应。模态分析是以图3所示的边界条件开始谐波分析的主要步骤。

图3.（a）设置频率响应（b）施加力

结果与讨论

图4显示了三种经验平均应力理论（Soderberg，Goodman和Gerber）对于当量载荷比为0的情况，通过施加和去除载荷（零基载荷类型）得出的安全系数结果。结果表明，安全系数最高的是Gerber理论，其次是Goodman理论，最后是Soderberg理论。分析所用的材料是具有高强度、高韧性和高延展性的结构钢。这清楚地解释了为什么Gerber平均应力理论的安全系数更高。

图4.平均应力理论（a）Goodman（b）Soderberg（c）Gerber

曲轴低阶固有频率会产生较大的振动，因此对系统响应的影响很大。模态分析的4个一阶固有频率的总变形如图5所示。频率响应表示曲轴应正常工作的频率。对于线性频率间隔类型。分析的最小和最大频率范围分别为800和6800Hz，间隔为300。图6显示了单个完全反向载荷的疲劳寿命预测。

图5.（a）总变形（b）总变形2（c）总变形3（d）总变形4

图6.疲劳寿命

结论

在这项工作中，通过确定变形，应力，疲劳和谐波结果来分析曲轴的行为。从曲轴模型的瞬态分析结果来看，在曲轴销轴颈处应力集中的发生清晰明显。最大变形发生在曲轴的曲柄前端。弹性应变出现在曲轴的配重上。变形主要是在较低频率下发生的弯曲变形。谐波响应的频率（即临界频率）随着阶数的增加而增加。超出此范围进行进一步操作将导致曲轴损坏。本文为具有相似模型的工程系统提供了有限元方法的介绍，并为未来研究多缸发动机的动力分析和优化结构设计提供了方法。

参考文献

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Talikoti, B., Kurbet, S.N., Kuppast, V.V., Arvind, M.: Harmonic analysis of a two-cylinder crankshaft using ANSYS. In: 2016 International Conference on Inventive Computation Technologies (ICICT), Coimbatore, India (2016)

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    1. Talikoti，B.，Kurbet，S.N.，Kuppast，V.V.，Arvind，M.:使用ANSYS对2缸曲轴进行模态分析。 IJERA 5（12），26-30（2015年）

Talikoti, B., Kurbet, S.N., Kuppast, V.V., Arvind, M.: Modal analysis of a 2-cylinder crankshaft using ANSYS. IJERA 5(12), 26–30 (2015)

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Muhammad,

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