曲軸連桿機(jī)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計說明書

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著車輛保有量的增長，車輛噪聲已成為城市噪聲的最主要來源。發(fā)動機(jī)的振動噪聲，是車輛噪聲的最大來源，所以積極開展針對發(fā)動機(jī)噪聲的分析和控制方面的研究工作，對于改進(jìn)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，提高舒適性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 </p><p>　　發(fā)動機(jī)工作時 ，由于沖擊、摩擦、旋轉(zhuǎn)不均勻和不平衡力作用等原因，激

2、起零部件的機(jī)械振動而產(chǎn)生噪聲。 特別是當(dāng)激振力頻率與零部件的固有頻率相一致時，會引起激烈的共振和噪聲。本文以常用的四缸發(fā)動機(jī)（BJ-130輕型載重汽車）為例，應(yīng)用UG6.0軟件建立發(fā)動機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)各組成零件的幾何模型，并裝配形成機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型。然后轉(zhuǎn)換成.stp文件導(dǎo)入ANSY WORKBENCH 13.0進(jìn)行模型簡化并進(jìn)行模態(tài)分析，得到機(jī)構(gòu)的振型及固有頻率，輸出結(jié)果之后將曲軸連桿機(jī)構(gòu)的有限元模型寫成.dat格式，通過導(dǎo)入到ANS

3、YS13.0轉(zhuǎn)化成.cdb格式。最后，將模型文件導(dǎo)入Virtual Lab進(jìn)行振動噪聲分析并得出結(jié)論。</p><p>　　關(guān)鍵詞：曲軸連桿機(jī)構(gòu)，模態(tài)分析，有限元模型，振動噪聲分析 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Along with the growth of the vehicle possess

4、ion,the noise of vehicles has become the main source of urban noise.The vibration noise of the engine is the biggest contributor to the vehicle noise.So carrying out actively the analysis and control work of engine has t

5、he important and practical significance for improving the comfort of engine。</p><p>　　As the engine works,the engine may generate the mechanical vibration and parts noise because of the shock,friction,roting

6、 unevenness,unbalanced force and other reasons.Especially when the frequency of exciting force and the natural frequency of the parts is consistent,it can cause the fierce resonance and noise.In this paper,as the commonl

7、y used four-cylinder engine(BJ-130 light truck)for example,establishing the geometric model of the constituent parts of the crankshaft and connecting rod mecha</p><p>　　Key Words: the crankshaft and connecti

8、ng rod mechanism，modal analysis，finite element model，vibration and noise analysis</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p>&

9、lt;p><b>　　目錄III</b></p><p>　　第一章 引 言- 1 -</p><p>　　1.1課題的背景和意義- 1 -</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀- 2 -</p><p>　　1.3 發(fā)動機(jī)振動噪聲的研究方法- 3 -</p><p>　　1

10、.4本課題研究內(nèi)容- 4 -</p><p>　　第二章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)三維幾何模型的建立- 6 -</p><p>　　2.1 UG軟件簡介- 6 -</p><p>　　2.2建立曲軸連桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件- 6 -</p><p>　　2.3各構(gòu)件的裝配- 11 -</p><p>　　2.4 本章小結(jié)- 1

11、2 -</p><p>　　第三章 有限元動力學(xué)分析理論- 13 -</p><p>　　3.1有限元的理論基礎(chǔ)- 13 -</p><p>　　3.2 模態(tài)分析的理論基礎(chǔ)- 14 -</p><p>　　3.3 模態(tài)分析的一般步驟- 16 -</p><p>　　3.4 諧響應(yīng)理論- 17 -</p

12、><p>　　3.5 本章小結(jié)- 18 -</p><p>　　第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動力學(xué)分析- 19 -</p><p>　　4.1 Ansys與WorkBench簡介- 19 -</p><p>　　4.1.1 Ansys軟件簡介- 19 -</p><p>　　4.1.2 Ansys Work

13、Bench簡介- 20 -</p><p>　　4.2 曲軸連桿機(jī)構(gòu)模態(tài)分析過程- 21 -</p><p>　　4.3 曲軸零件的模態(tài)分析- 25 -</p><p>　　4.4 曲軸連桿機(jī)構(gòu)的諧響應(yīng)分析- 28 -</p><p>　　4.5 曲軸諧響應(yīng)分析- 30 -</p><p>　　4.6

14、本章小結(jié)- 31 -</p><p>　　第五章 曲軸結(jié)構(gòu)的振動噪聲分析- 32 -</p><p>　　5.1 聲學(xué)基礎(chǔ)- 32 -</p><p>　　5.1.1與聲學(xué)有關(guān)的概念- 32 -</p><p>　　5.1.2 聲學(xué)邊界元理論- 32 -</p><p>　　5.2 Virtual.Lab A

15、coustics簡介- 33 -</p><p>　　5.3 曲軸結(jié)構(gòu)噪聲分析過程- 34 -</p><p>　　5.3.1 曲軸結(jié)構(gòu)模型聲場分析的前期準(zhǔn)備- 34 -</p><p>　　5.3.2 曲軸聲學(xué)分析步驟- 34 -</p><p>　　5.4 本章小結(jié)- 38 -</p><p>　　第六章

16、 結(jié)論與展望- 39 -</p><p>　　6.1 結(jié)論- 39 -</p><p>　　6.2 展望- 39 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 41 -</p><p><b>　　致謝- 43 -</b></p><p><b>　　第一章 引 言</b>

17、</p><p>　　1.1課題的背景和意義</p><p>　　隨著社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，在注重汽車駕駛性能的同時，乘駕舒適性問題日益為人們所關(guān)注。汽車NVH（噪聲、振動與舒適性）性能作為衡量乘駕舒適性的一個重要指標(biāo)，已逐漸被客戶與汽車廠商所重視。目前，城市汽車噪聲污染呈現(xiàn)愈趨嚴(yán)重的發(fā)展趨勢。汽車噪聲的大小是衡量汽車質(zhì)量水平的重要指標(biāo)，因此，汽車噪聲的防治也是世界汽車工

18、業(yè)的一個重要課題。汽車噪聲尤其是發(fā)動機(jī)振動噪聲，作為一種環(huán)境污染源越來越受到重視，它不僅對機(jī)器本身帶來損害，而且會通過其振動表面向外界環(huán)境輻射出強(qiáng)烈的噪聲，危害人類健康。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，噪聲污染控制已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)工業(yè)發(fā)展的最具有挑戰(zhàn)性的問題之一。</p><p>　　因此開展降低發(fā)動機(jī)噪聲試驗研究并分析其影響因素具有十分重要的意義。1、通過噪聲分析以期找出降噪措施，可以提高汽車的舒適性和平順性，滿足人們更高的

19、乘坐要求。 2、提出切實(shí)可行的方案，優(yōu)化小汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)，降低其振動，并減小其帶來的輻射噪聲，解決企業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際問題，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。3、識別噪聲源，從而對發(fā)動機(jī)有關(guān)零件進(jìn)行改造，減輕汽車零部件的磨損。在日益激烈的汽車市場中，提高自己汽車品牌的競爭力。4.從此課題的實(shí)用意義上來看，由于汽車噪聲占城市噪聲的比重很大，世界各國都制定了限噪的法規(guī)，我國也制定了車輛噪聲標(biāo)準(zhǔn)，并對新研制生產(chǎn)的車提出了更為嚴(yán)格的噪聲控制要求。所以，對

20、汽車噪聲貢獻(xiàn)量最大的發(fā)動機(jī)噪聲控制已為各大汽車公司充分重視。象美國通用汽車公司和德國大眾汽車公司這樣的大公司，在新車型的開發(fā)中將車內(nèi)噪聲特性的設(shè)計、優(yōu)化和控制作為整個車型開發(fā)中的一個重要步驟和環(huán)節(jié)。目前汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢頭蒸蒸日上，產(chǎn)品規(guī)格與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌的趨勢不可避免，而有關(guān)噪聲控制的問題也就越來越受到各方面的重視。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　發(fā)動機(jī)是汽

21、車的動力源，發(fā)動機(jī)噪聲占汽車噪聲的二分之一以上,包括進(jìn)氣噪聲和本體噪聲(如發(fā)動機(jī)振動,配氣軸的轉(zhuǎn)動,進(jìn)、排氣門開關(guān)等引起的噪聲)，因此發(fā)動機(jī)的減振、降噪成為汽車噪聲控制的關(guān)鍵。</p><p><b>　　(1)國外研究狀況</b></p><p>　　國外在發(fā)動機(jī)噪聲研究方面起步比較早，在六十年代初英國南安普敦大學(xué)的T.Priede在機(jī)械工程會議上發(fā)表了柴油機(jī)氣缸壓

22、力譜形式和噪聲之間的關(guān)系的文章；1973年英國的南安普敦的另一位學(xué)者N.Lalor發(fā)表了關(guān)于低噪聲柴油機(jī)設(shè)計綜述的文章，文中闡述了發(fā)動機(jī)機(jī)體的整體模態(tài)和局部平板模態(tài)對發(fā)動機(jī)噪聲的影響，這方面內(nèi)容在國內(nèi)的發(fā)動機(jī)噪聲專著中得到廣泛的引用；1982年，M.F.Russell在文章中對柴油機(jī)噪聲控制技術(shù)進(jìn)行了論述。國外由于對發(fā)動機(jī)的振動噪聲問題認(rèn)識較早，已開展了長期系統(tǒng)的研究，無論是在發(fā)動機(jī)振動噪聲試驗設(shè)備，還是在試驗數(shù)據(jù)積累方面，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在前

23、面。</p><p>　　近十幾年來，為了滿足更為嚴(yán)格的噪聲法規(guī)，國外的許多研究機(jī)構(gòu)和發(fā)動機(jī)廠家紛紛加快了開展低噪聲發(fā)動機(jī)的研究開發(fā)工作的步伐，除了試驗方面的研究以外，模擬分析技術(shù)也是一個重要而且非常活躍的方面，其中采用有限元和邊界元相結(jié)合方法進(jìn)行發(fā)動機(jī)噪聲模擬分析方面已經(jīng)取得了眾多的研究成果。</p><p>　　(2)國內(nèi)發(fā)動機(jī)研究狀況</p><p>　　由于

24、我國在發(fā)動機(jī)噪聲研究方面起步比較晚，而且我國執(zhí)行的車輛和發(fā)動機(jī)的噪聲法規(guī)要求比國外低，噪聲控制的行政管理制度比國外寬松，從而導(dǎo)致國產(chǎn)車輛和發(fā)動機(jī)降低噪聲的研究工作的開展不如國外活躍，研究隊伍和研究條件薄弱，尤其是創(chuàng)造性的關(guān)鍵技術(shù)的研究不夠，僅滿足于跟蹤和達(dá)標(biāo)的治，所以我國發(fā)動機(jī)噪聲控制水平和低噪聲技術(shù)、設(shè)計方面等與國外相比還存在一定差距。但國內(nèi)無論是企業(yè)還是科研單位都己經(jīng)認(rèn)識到了和國外先進(jìn)水平的差距，許多高校如吉林工業(yè)大學(xué)、合肥工大、天

25、津大學(xué)、清華大學(xué)等和一些科研單位、企業(yè)如上海內(nèi)燃機(jī)研究所、一汽、七零所等都投巨資建設(shè)了內(nèi)燃機(jī)消聲實(shí)驗室，許多新的實(shí)驗手段和技術(shù)都被應(yīng)用于噪聲的分析研究。我國應(yīng)逐步縮短與國外噪聲限值的差距，爭取盡快與國外先進(jìn)的噪聲水平同步。</p><p>　　(3)國內(nèi)外對發(fā)動機(jī)振動噪聲研究主要有以下幾個方面：</p><p>　　1、發(fā)動機(jī)噪聲機(jī)理研究。2、內(nèi)燃機(jī)噪聲的識別技術(shù)，包括噪聲識別的方法、 噪

26、聲測量與數(shù)據(jù)處理。 3、內(nèi)燃機(jī)噪聲預(yù)測 。 內(nèi)燃機(jī)噪聲的控制研究工作者從1980年起參與新型內(nèi)燃機(jī)的變形設(shè)計過程，在內(nèi)燃機(jī)圖紙設(shè)計階段就對結(jié)構(gòu)進(jìn)行噪聲預(yù)測，作出噪聲評價，對發(fā)動機(jī)零部件實(shí)施優(yōu)化設(shè)計。4、內(nèi)燃機(jī)噪聲降低與控制技術(shù)。5、發(fā)動機(jī)噪聲品質(zhì)研究。奧地利AVL LIST公司與德國FEV發(fā)動機(jī)技術(shù)公司利用客觀特征與主觀判定相結(jié)合對發(fā)動機(jī)噪聲品質(zhì)進(jìn)行完整評價。</p><p>　　1.3 發(fā)動機(jī)振動噪聲的研究方法

27、</p><p>　　國內(nèi)對發(fā)動機(jī)振動噪聲的研究從未間斷，對其振動的研究方法也是多種多樣。主要有有限元方法、邊界元方法、統(tǒng)計能量分析法、傳遞路徑分析方法、模態(tài)綜合方法等。國內(nèi)的一些研究單位或高校就進(jìn)行了發(fā)動機(jī)振動噪聲方面的研究工作，為實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的降振減噪做出了貢獻(xiàn)。</p><p>　　岳東鵬，石傳龍在《基于EXCITE的曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動分析》中提出，以扭轉(zhuǎn)振動作為優(yōu)化目標(biāo)，建立了EXCI

28、TE模型，仿真分析了不同飛輪慣量下的軸系扭振的變化規(guī)律，然后進(jìn)行了不同的皮帶輪慣量和扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)對軸系扭振影響的理論研究，通過運(yùn)用合理的扭振減振器參數(shù)對軸系扭振的影響做了進(jìn)一步的分析。仿真結(jié)果為認(rèn)識內(nèi)燃機(jī)軸系扭振提供了較全面的參考信息，對實(shí)際工程分析具有一定的指導(dǎo)意義。</p><p>　　段秀兵等將有限元方法多體系統(tǒng)仿真結(jié)合進(jìn)行曲軸系統(tǒng)的多體動力學(xué)分析，得出氣缸體的主要激勵。并采用有限元方法進(jìn)行氣缸體振動特性的

29、預(yù)測并和實(shí)驗測量結(jié)果對比，結(jié)果吻合得較好。而且馬萬福在《基于有限元法的內(nèi)燃機(jī)機(jī)體振動分析與噪聲預(yù)測研究》中也應(yīng)用該方法進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)振聲分析。段秀兵等人在《基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的車用柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)動態(tài)特性研究》中提到，以計算機(jī)建模和計算機(jī)仿真分析為核心的虛擬樣機(jī)技術(shù)，通過將有限元方法（FEM）與多體系統(tǒng)仿真（MSS）結(jié)合在一起來解決內(nèi)燃機(jī)曲軸和機(jī)體的動力學(xué)問題，將使研究更加完善。</p><p>　　在噪聲分析方面，主要

30、有以下技術(shù)：</p><p>　?。?）林建生等在《內(nèi)燃機(jī)噪聲源的傳播及其識別技術(shù)》中提到了噪聲源識別及分離技術(shù) ，該技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)噪聲研究的一個重要領(lǐng)域，它是進(jìn)行噪聲控制及噪聲預(yù)測的基礎(chǔ)。目前的研究趨勢：一是基于噪聲測試的噪聲識別技術(shù)，主要是通過噪聲測試，識別內(nèi)燃機(jī)某部件的噪聲大小及頻譜特性；其次是基于試驗及現(xiàn)代信號處理方法進(jìn)行噪聲分離技術(shù)，如活塞敲擊噪聲與燃燒噪聲的分離問題。</p><p&

31、gt;　　(2) 徐紅梅在《內(nèi)燃機(jī)振聲信號時頻特性分析及源信號盲分離技術(shù)》中提出，時頻分析方法是一種時頻局域化分析方法,能在時間和頻率上同時描述信號的能量密度或強(qiáng)度,揭示信號中所包含的頻率分量及其隨時間變化的特性。主要的時頻分析方法有短時傅里葉變換，小波變換、S變換以及Hilbert一Huang變換等。</p><p>　　1.4本課題研究內(nèi)容</p><p>　?。?）廣泛搜集資料，了解

32、發(fā)動機(jī)振動噪聲分析的相關(guān)信息。熟悉并深入了解發(fā)動機(jī)振動噪聲分析的方法，及常用軟件。</p><p>　?。?）應(yīng)用UG軟件建立曲軸連桿機(jī)構(gòu)各零件的幾何模型，并利用該軟件的裝配功能裝配成曲軸連桿機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型。</p><p>　?。?）在ANSYS WORKBENCH和ANSYS經(jīng)典界面中建立曲軸連桿機(jī)構(gòu)和單個曲軸零件的有限元模型，進(jìn)行動力學(xué)分析，包括模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。有限元模型的建

33、立要根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮計算精度與速度等因素，確定單元類型及尺寸。</p><p>　?。?）應(yīng)用Virtual.Lab軟件對曲軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲場分析，得到曲軸結(jié)構(gòu)的聲壓級云圖，可為以后的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。</p><p>　　第二章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)三維幾何模型的建立</p><p>　　2.1 UG軟件簡介</p><p>　　計算機(jī)輔助

34、設(shè)計（CAD）技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)領(lǐng)域中設(shè)計技術(shù)之一，也是使用最廣泛的技術(shù)之一。Unigraphics Solutions公司的Unigraphics作為中高端三維CAD軟件，具有功能強(qiáng)大、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是具有統(tǒng)一力的中高端設(shè)計解決方案。UG NX5.0在特征和自由建模方面提供了更加強(qiáng)大的功能，使得用戶可以更快、更高效、更高質(zhì)量地設(shè)計產(chǎn)品。在制圖方面也做了重要的改進(jìn)，使得制圖更加直觀、快速和精確、貼近工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它集成了美國航

35、空航天、汽車工業(yè)的經(jīng)驗，成為機(jī)械集成化CAD/CAE/CAM主流軟件之一，是知識驅(qū)動自動化技術(shù)領(lǐng)域中的領(lǐng)先者，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計優(yōu)化技術(shù)與基于產(chǎn)品和過程的知識工程的結(jié)合，在航空航天、汽車、通用機(jī)械、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械，以及其他高科技應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)計和模具加工自動化領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，顯著地提高了工業(yè)生產(chǎn)率。UG NX 6.0不僅具有UG以前版本的強(qiáng)大功能，而且還在工業(yè)設(shè)計、裝配設(shè)計、鈑金設(shè)計、工程圖設(shè)計等方面增加了很多強(qiáng)大的新功能。目前國內(nèi)

36、的大部分院校、研發(fā)部門都在使用該軟件，如上海汽車工業(yè)集團(tuán)總公司、上海大眾汽車公司、上海通用汽車公司、泛亞汽車技</p><p>　　2.2建立曲軸連桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件</p><p>　　研究選用應(yīng)用比較廣泛、功能強(qiáng)大的三維UG6.0軟件首先建立曲軸連桿機(jī)構(gòu)各組成構(gòu)件的幾何模型，構(gòu)件件包括曲軸、飛輪、連桿體、連桿蓋、連桿襯套、連桿軸瓦、活塞、活塞銷以及螺栓、螺母。以曲軸和連桿體建模為例：<

37、/p><p><b>　　（1）曲軸建模過程</b></p><p>　　曲軸共有4個連桿軸頸和5個主軸頸，由于曲軸第一、二缸與第三、四缸為對稱結(jié)構(gòu)，因此在建立幾何模型時可以只建一半，再利用鏡像得到另一半。其主要尺寸參數(shù)如下：主軸頸直徑為64mm，曲柄銷直徑為58mm，曲柄臂厚度為17.5mm，曲柄寬度為71mm。</p><p>　　1.選擇“插

38、入”命令構(gòu)建圓柱體，參數(shù)為直徑38mm、高度49mm。</p><p>　　之后在圓柱體上依次插入3個凸臺，如圖2-1所示： </p><p><b>　　圖2-1 凸臺</b></p><p>　　2.創(chuàng)建第一單元曲拐。以最后一個凸臺的端面為“草圖平面”繪制草圖（圖2-2），應(yīng)用“拉伸”命令拉伸至13mm，形成曲柄臂，如圖2-3。并在圖2-3

39、所示位置拉伸出凸臺，在凸臺端面上創(chuàng)建圓柱體（曲柄銷），參數(shù)為直徑58mm、高度36mm。以曲柄銷端面為草圖平面，繪制草圖并拉伸13mm，形成第二個曲柄臂。之后，在其端面上依次創(chuàng)建出凸臺、圓柱體（主軸頸），主軸頸參數(shù)為直徑64mm、高度40mm。最終形成第一單元曲拐。</p><p>　　圖2-2 草圖 圖2-3曲柄臂</p><p>　　3、如步驟2，

40、創(chuàng)建出第二單元曲拐，至此曲軸模型的1/2已完成，如圖2-5所示。應(yīng)用“鏡像”創(chuàng)建出另一半，并求和。</p><p>　　圖2-5 1/2曲軸模型</p><p>　　有參考文獻(xiàn)知，在進(jìn)行曲軸體及其它構(gòu)件建模時，為使有限元網(wǎng)格化與實(shí)體結(jié)構(gòu)一致，保證計算結(jié)果的模態(tài)特性，在不影響結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的原則下，對曲軸體及其它構(gòu)件進(jìn)行了簡化處理，省略了小尺寸結(jié)構(gòu)，如不必要的倒角、小孔等。最后保存為.part

41、文件，建成的曲軸三維實(shí)體模型見圖2-6：</p><p>　　圖2-6曲軸三維實(shí)體模型</p><p><b>　?。?）連桿建模過程</b></p><p>　　繪制如下草圖并拉伸7.5mm，在圖示2-7位置創(chuàng)建兩個凸臺，參數(shù)分別為直徑31mm、高度7.5mm；直徑72mm、高度10.5mm。在兩個凸臺底面上進(jìn)行平面偏置，偏置距離為7.5mm

42、。在連桿體上創(chuàng)建矩形墊塊，參數(shù)為長10mm、寬5mm、高10.5mm。在連桿體中部創(chuàng)建草圖并拉伸5mm，并進(jìn)行修剪，得到連桿體的1/4。利用鏡像對稱，得到整個連桿體并求和。在連桿體前后兩端，插入常規(guī)孔。最后進(jìn)行邊倒圓、倒斜角等細(xì)節(jié)操作，形成的連桿體三維實(shí)體模型如圖2-8。</p><p>　　圖2-7 連桿凸臺 圖2-8 連桿體實(shí)體模型</p><p>

43、　　曲軸連桿機(jī)構(gòu)的其它零件如圖2-9至2-19。</p><p>　　圖2-9 飛輪 圖2-10 飛輪螺栓 圖2-11 活塞</p><p>　　圖2-12連桿襯套 圖2-13 飛輪螺母 圖2-14鎖環(huán)</p><p>　　圖2-15 活塞銷 圖2-16 連桿蓋 圖2

44、-17 連桿軸瓦</p><p>　　圖2-18連桿螺母 圖2-19 連桿螺栓</p><p><b>　　2.3各構(gòu)件的裝配</b></p><p>　　應(yīng)用UG的裝配功能將所有構(gòu)件進(jìn)行裝配，具體裝配步驟如下：</p><p>　?。?）新建一個裝配文件.assembly1,先進(jìn)行活塞連桿組的裝配。打開U

45、G中的裝配模塊，利用“添加組件”命令添加連桿體與連桿襯套，選擇“裝配約束”中的“中心”命令，完成兩者的裝配。用同樣方法將活塞銷、活塞和連桿蓋、連桿軸瓦添加并裝配，形成活塞連桿組。如下圖2-20：</p><p>　　圖2-20 活塞連桿組</p><p>　?。?）重新打開一個.assembly2文件，進(jìn)行曲軸飛輪組的裝配。添加曲軸和飛輪后，選擇“裝配約束“中的“距離”及“同心”命令，完成

46、裝配</p><p><b>　　圖2-21。</b></p><p>　　圖2-21 曲軸飛輪組</p><p>　?。?）然后在.assembly2文件中添加.assembly1中的活塞連桿組件，選擇“裝配約束”中的“中心”命令，在四個曲柄銷上分別進(jìn)行活塞連桿組與曲軸飛輪組的裝配，最后形成了曲軸連桿機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型如圖2-22。</

47、p><p>　　圖2-22 曲軸連桿機(jī)構(gòu)</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章簡單的介紹了UG軟件的特點(diǎn)及功能，并且利用UG 6.0建立了曲軸連桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件圖，之后利用UG的裝配功能進(jìn)行零件裝配，形成曲軸連桿機(jī)構(gòu)的三維幾何模型。</p><p>　　第三章 有限元動力學(xué)分析理論&l

48、t;/p><p>　　3.1有限元的理論基礎(chǔ)</p><p>　　有限元的概念：把一個原來是連續(xù)的物體劃分為有限個單元，這些單元通過有限個節(jié)點(diǎn)相互連接，承受與實(shí)際載荷等效的節(jié)點(diǎn)載荷，并根據(jù)力的平衡條件進(jìn)行分析，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件把這些單元重新組合成能夠整體進(jìn)行綜合求解。</p><p>　　有限元法：是指用有限單元將結(jié)構(gòu)彈性域或空氣域離散化，根據(jù)力學(xué)方程或聲學(xué)波動方程

49、，得到聯(lián)立代數(shù)方程式，通過求解代數(shù)方程式得到振動或聲學(xué)特性的方法。有限元法的基本思想—離散化。</p><p>　　有限元法實(shí)質(zhì)上是把具有無限自由度的連續(xù)系統(tǒng)，近似等效為只有有限自由度的離散系統(tǒng)，使問題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的數(shù)學(xué)問題。</p><p>　　首先，把連續(xù)系統(tǒng)離散為數(shù)目有限的單元，單元之間僅在數(shù)目有限地指定點(diǎn)（稱為節(jié)點(diǎn)）處相互連接，構(gòu)成一個單元集合體以代替原來連續(xù)系統(tǒng)。把實(shí)際作

50、用于結(jié)構(gòu)上的載荷或邊界條件向節(jié)點(diǎn)上移植，以和原載荷或邊界條件等效。</p><p>　　然后，對每個單元采用分塊近似的思想，選擇一個插值函數(shù)建立待求節(jié)點(diǎn)位置與單元內(nèi)部的關(guān)系，引入幾何方程、物理方程等對每個單元的特性進(jìn)行分析。</p><p>　　把所有單元的這種特性關(guān)系按一定的條件（連續(xù)條件、變分原理或能量原理）集合起來，引入邊界條件，構(gòu)成一組以節(jié)點(diǎn)變量（位移、溫度、電壓等）為未知量的代數(shù)

51、方程組，求解方程組即可得到有限個節(jié)點(diǎn)處的待求變量。</p><p>　　有限元的基本求解步驟：（1）結(jié)構(gòu)的離散化。（2）選擇插值函數(shù)。（3）建立控制方程。（4）求解節(jié)點(diǎn)變量。（5）計算單元中的其他導(dǎo)出量</p><p>　　由于有限元法在解決工程技術(shù)問題時的靈活、快速及有效性，再加上它有成熟的大型軟件系統(tǒng)支持，所以發(fā)展非常迅速。最初有限元法被用來研究飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力問題，目前，其解題范圍己

52、經(jīng)包括了各個領(lǐng)域(固體力學(xué)、生物力學(xué)、流體場、電磁場、溫度場、聲場)的數(shù)理方程；已經(jīng)成為解數(shù)理方程的一種非常受歡迎的，應(yīng)用極廣的數(shù)值計算方法。</p><p>　　3.2 模態(tài)分析的理論基礎(chǔ)</p><p>　　模態(tài)：模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。</p><p>　　模態(tài)分析：將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標(biāo)變換

53、為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。 </p><p>　　模態(tài)分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。模態(tài)分析是其它振動分析的基礎(chǔ)，例如瞬態(tài)動力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析，也是進(jìn)行譜分析或模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)動力學(xué)分析所必需的前期分析過

54、程。模態(tài)分析的作用：識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。通過結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析可以有效地選擇合理的設(shè)計方案，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的驗證。模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計的核心，是進(jìn)行振動和噪聲預(yù)測的基礎(chǔ)。</p><p>　　根據(jù)振動理論，多自由度系統(tǒng)以某個固有頻率振動時所呈現(xiàn)出的振動形態(tài)為模態(tài),此時系統(tǒng)各點(diǎn)位移存在一定的比例關(guān)系,稱固有振型。模態(tài)分析的核心內(nèi)容就是確

55、定描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的參數(shù)。</p><p>　　在結(jié)構(gòu)模態(tài)分析中，機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看成多自由度的振動系統(tǒng)，具有多個固有頻率，在阻抗試驗中表現(xiàn)為多個共振區(qū)。一個N自由度線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其運(yùn)動微分方程為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中：—質(zhì)量矩陣；—阻尼矩陣；—剛度矩陣；</p><p>

56、;　　—加速度向量；—速度向量；—位移向量。</p><p>　　由于模態(tài)時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)由結(jié)構(gòu)本身的特性所決定，與外載荷無關(guān)，即=0；而結(jié)構(gòu)阻尼對固有頻率的影響很小，可以忽略。因而可以將式(1)簡化為無阻尼自由振動方程：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　由于彈性體的自由振動總可以分解為一系列簡諧振動的疊加，

57、為了決定彈性自由振動的固有頻率及相應(yīng)的振型，假設(shè)簡諧振動的方程為：</p><p><b>　　（3）</b></p><p>　　因此無阻尼模態(tài)分析的運(yùn)動方程為：</p><p><b>　　（4） </b></p><p>　　自由振動時結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的振幅不全為零，如果有非零解，則有其系數(shù)行列式

58、的值等于0，即</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中：—第i階模態(tài)的振型向量；—第i階模態(tài)的固有頻率。</p><p>　　式(5 ) 是關(guān)于 的 次方程，解方程可得到結(jié)構(gòu)的個固有頻率，每個固有頻率都有一個相應(yīng)的振型向量。</p><p>　　將(5)式求解，得到個特征值，將按從小到大順序

59、排列，可稱為第階固有頻率。</p><p>　　此時的振動系統(tǒng)一般存在個固有頻率和 個主振型，每一對頻率和振型代表一個單自由度系統(tǒng)的自由振動，這種在自由振動時結(jié)構(gòu)所具有的基本振動特性稱為結(jié)構(gòu)的模態(tài)。</p><p>　　3.3 模態(tài)分析的一般步驟</p><p>　　ANSYS的模態(tài)分析是一種線性分析，任何非線性特性（如塑性和接觸單元）即使是定義了也將忽略?？蛇M(jìn)行有

60、預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析、大變形靜力分析后有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析、循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析、有預(yù)應(yīng)力的循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，無阻尼和有阻尼結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。</p><p>　　模態(tài)分析中模態(tài)的提取方法有七種，即分塊蘭索斯法、子空間迭代法、縮減法或凝聚法、PowerDynamics法、非對稱法、阻尼法、QR阻尼法，缺省時采用分塊蘭索斯法。</p><p>　　模態(tài)分析的過程由四個主要步驟組成：建模、加載及求解

61、、擴(kuò)展模態(tài)、觀察結(jié)果。</p><p><b>　?。?）建模</b></p><p>　　建模與靜力分析相同，主要有：定義單元類型、單元實(shí)參數(shù)、材料性質(zhì)、幾何模型、有限元模型等。這里需要注意兩個問題：</p><p>　　a、在模態(tài)分析中只有線性行為是有效的。如果指定了非線性單元，它們將被當(dāng)作是線性的。如分析中包含了接觸單元，則系統(tǒng)取其初始狀

62、態(tài)的剛度并且不再改變此剛度值。</p><p>　　b、材料性質(zhì)可以是線性、各項同性或正交各項異性、恒定或溫度相關(guān)。在模態(tài)分析中必須定義彈性模量EX（或某種形式的剛度）和密度DENS（或某種形式的質(zhì)量）。而非線性將被忽略。</p><p><b>　　（2）加載及求解</b></p><p>　　首先定義分析類型、定義載荷和邊界條件、定義加載過

63、程和定義求解選項，然后進(jìn)行固有頻率的求解。</p><p>　　在一般的模態(tài)分析（預(yù)應(yīng)力效應(yīng)除外的模態(tài)分析）中，位移有效的“載荷”是零位移約束。如果在某個自由度上指定了一個非零位移約束，程序?qū)⒁粤阄灰萍s束替代?？梢允┘映灰萍s束之外的其他載荷，但在提取時將被忽略，程序會計算出與所加載荷相應(yīng)的載荷向量，并將這些向量寫到振型文件中以便在模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)分析中使用。</p><p>&

64、lt;b>　?。?）模態(tài)擴(kuò)展</b></p><p>　　擴(kuò)展模態(tài)是指將振型寫入結(jié)果文件，如果要在后處理器中察看振型，就必須先進(jìn)行擴(kuò)展。模態(tài)擴(kuò)展如果在求解時已經(jīng)用MXPAND命令定義，則不需要單獨(dú)執(zhí)行該步。</p><p>　　模態(tài)擴(kuò)展的過程是在求解后完成后，再次進(jìn)入求解層，用MXPAND命令定義響應(yīng)的參數(shù)，然后再次求解即可。</p><p>&l

65、t;b>　?。?）觀察結(jié)果</b></p><p>　　模態(tài)分析的結(jié)果被寫入結(jié)果文件Jobname.RST中，包括：固有頻率、振型、相對應(yīng)力分布。可察看各載荷步（對應(yīng)模態(tài)數(shù)目）的結(jié)果，可用SET設(shè)置載荷步，用PLDISP觀察振型，用MLIST列出主自由度，定義單元觀察應(yīng)力分布，用PLNSOL或PLESOL顯示節(jié)點(diǎn)或單元結(jié)果等。許多其他的后處理功能如將結(jié)果映象到一個路徑上和載荷工況組合等，在POS

66、T1中均可使用。</p><p><b>　　3.4 諧響應(yīng)理論</b></p><p>　　任何持續(xù)的周期載荷將在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生持續(xù)的周期響應(yīng)，該周期響應(yīng)稱為諧響應(yīng)。諧響應(yīng)分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時間按正弦規(guī)律變化的載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，其目的是計算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)，并得到一些響應(yīng)值（通常是位移）對頻率的曲線，從這些曲線上可以找到“峰值”響應(yīng)，并進(jìn)一步觀察

67、峰值對應(yīng)的應(yīng)力。諧響應(yīng)分析只計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動，而不考慮在激勵開始時的瞬態(tài)振動。諧響應(yīng)分析能預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性，從而克服共振、疲勞及其他受迫振動引起的不良影響。</p><p>　　通過諧響應(yīng)分析可以計算出外界載荷激勵下曲軸的響應(yīng)?？梢杂^察感興趣點(diǎn)的位移和應(yīng)力，如果在外界某一頻率對應(yīng)處位移比較大，出現(xiàn)峰值，說明該點(diǎn)在該頻率下可能發(fā)生共振，振動幅度較大；如果在外界某一頻率對應(yīng)處應(yīng)力較大，說明該點(diǎn)在該激勵頻率

68、下可能出現(xiàn)共振，應(yīng)力較大，應(yīng)該注意是否會發(fā)生破壞。</p><p>　　進(jìn)行諧響應(yīng)分析的結(jié)構(gòu)，理想狀態(tài)是沒有出現(xiàn)幅值很大的峰值，如果出現(xiàn)也應(yīng)該是應(yīng)力與應(yīng)變的峰值對應(yīng)的激勵頻率基本相同，而該頻率最好是正常工作可能激起的頻率之外。</p><p>　　諧響應(yīng)分析假定施加的所有載荷是隨時間按簡諧（正弦）規(guī)律變化的。</p><p>　　指定一個完整的簡諧載荷需要輸入3個數(shù)

69、據(jù)，即振幅，相位角和強(qiáng)制頻率范圍。 </p><p><b>　　3.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章概述了有限元分析的基本理論和方法，并詳細(xì)的介紹了有限元動力學(xué)分析的理論基礎(chǔ)和一般的分析步驟。為下一章完成曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸結(jié)構(gòu)有限元模型的建立，利用有限元對曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動分析奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　第四

70、章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動力學(xué)分析</p><p>　　4.1 Ansys與WorkBench簡介</p><p>　　4.1.1 Ansys軟件簡介</p><p>　　Ansys是一個通用的有限元分析軟件，它具有多種多樣的分析能力，從簡單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非線性動態(tài)分析。Ansys 分析過程分為前處理、求解及后處理三個階段。</p><

71、;p><b>　　(1)前處理模塊</b></p><p>　　該模塊用于定義求解所需的數(shù)據(jù)，用戶可選擇坐標(biāo)系統(tǒng)、單元類型、定義實(shí)常數(shù)和材料特性、建立實(shí)體模型并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分、控制節(jié)點(diǎn)和單元，以及定義藕合和約束方程等。通過運(yùn)行一個統(tǒng)計模塊，用戶還可以預(yù)測求解過程所需的文件大小及內(nèi)存。</p><p><b>　　(2)求解模塊</b>&l

72、t;/p><p>　　在前處理階段完成建模后，用戶在求解階段通過求解器獲得分析結(jié)果。在該階段用戶可以定義分析類型、分析選項、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項，然后開始有限元求解。</p><p><b>　　(3)后處理模塊</b></p><p>　　該模塊可以通過友好的用戶界面獲得求解過程的計算結(jié)果并對這些結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，這些結(jié)果包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、

73、速度及熱流等，輸出形式有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。在交互式后處理過程中，圖形可聯(lián)機(jī)輸出到顯示設(shè)備上或脫機(jī)輸出到繪圖儀上。</p><p>　　與其他有限元分析軟件，如SAP或NASTRAN 等相比，ANSYS有以下特點(diǎn)：</p><p>　　( 1 ) ANSYS是完全的Windows程序，應(yīng)用更加方便。</p><p>　　( 2 ) ANSYS產(chǎn)品系列由一整套可擴(kuò)

74、展的、靈活集成的各模塊組成，能滿足各行各業(yè)的工程需要;</p><p>　　( 3 ) ANSYS不僅可以進(jìn)行線性分析，還可以進(jìn)行各類非線性分析;</p><p>　　( 4 ) ANSYS是一個綜合的多物理場禍合分析軟件，用戶不但可用其進(jìn)行諸如結(jié)構(gòu)、熱、流體流動等的單獨(dú)研究，還可以進(jìn)行這些分析的相互影響研究。</p><p>　　4.1.2 Ansys Work

75、Bench簡介</p><p>　　ANSYS WORKBENCH是ANSYS公司開發(fā)新一代的CAE應(yīng)用及開發(fā)平臺。ANSYS Workbench Environment(簡稱AWE)，與以前的經(jīng)典界面ANSYS Classical Environment(簡稱ACE)相比，不僅有著友好的Windows風(fēng)格界面，還可以滿足用戶好學(xué)好用的需求，更體現(xiàn)了新一代軟件易學(xué)易用的特征。AWE以其Windows風(fēng)格的友好界

76、面，與CAD的直接雙向驅(qū)動功能，成為新一代的參數(shù)化建模工具，它代表了CAE的發(fā)展方向，將CAE的易用性提高到一個新的高度。</p><p>　　ANSYS WORKBENCH主要包括三個模塊。</p><p>　?。?）參數(shù)化建模模塊（DesignModeler,DM）它具有CAD軟件的風(fēng)格，可以方便地建立結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型。</p><p>　?。?）分析工具模塊（

77、DesignSpace,DS）它可以處理靜力分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析等多種分析類型。</p><p>　　（3）優(yōu)化設(shè)計模塊（DesignXplorer，DX）它可以從DM、DS以及其它CAD系統(tǒng)中共享參數(shù)化的數(shù)據(jù)，從而在DX中改變各種設(shè)計方案，從而研究各種方案的響應(yīng)情況，以更好地改進(jìn)產(chǎn)品的可靠性。</p><p>　　總之，ANSYS WORKBENCH能夠執(zhí)行下列任務(wù)：</p&

78、gt;<p>　?。?）在DM中建立或輸入CAD幾何模型，建立起結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型。</p><p>　?。?）用DS執(zhí)行有限元分析。</p><p>　?。?）在DX中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并將選定的優(yōu)化方案返回DM更新幾何模型。</p><p>　　不同類型的文件在WORKBENCH中使用，以它們的擴(kuò)展名來區(qū)分：</p><p>　　

79、（1）*.agdb:DM模型數(shù)據(jù)庫，為DS模塊保存幾何數(shù)據(jù)。</p><p>　?。?）*.cmdb:網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫，為DS模塊保存有限元模型數(shù)據(jù)。</p><p>　?。?）*.dsdb:DS仿真數(shù)據(jù)庫，保存與結(jié)構(gòu)或熱分析有關(guān)的信息。</p><p>　?。?）*.fedb:FE Modeler數(shù)據(jù)庫，保存用于轉(zhuǎn)換到ANSYS的從NASTRAN或仿真模型來的網(wǎng)格信息。

80、</p><p>　　（5）*.wbdb:項目數(shù)據(jù)庫，保存“項目”中所有類型的Workbench數(shù)據(jù)庫。</p><p>　?。?）*.dxdb: DesignXplorer數(shù)據(jù)庫，研究輸入輸出參數(shù)間的關(guān)系。</p><p>　　4.2 曲軸連桿機(jī)構(gòu)模態(tài)分析過程</p><p>　　考慮到曲軸連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜、單元多、自由度數(shù)目大，因

81、此模態(tài)分析采用了子空間迭代法提取模態(tài)。其進(jìn)行模態(tài)分析過程如圖4-1所示： </p><p><b>　　具體操作步驟如下：</b></p><p>　　1、 將在UG中構(gòu)建的曲軸連桿機(jī)構(gòu)幾何模型導(dǎo)入到WORKBENCH13.0的Design Modeler模塊，進(jìn)行模型處理以簡化模型。采用“Merge”命令可以將一些小面整合成一個完整且光滑的大面，用以減少接觸對，方便

82、進(jìn)行接觸設(shè)置。將對有限元分析結(jié)果幾乎無影響的螺栓、螺母去掉，從而減少節(jié)點(diǎn)數(shù)和計算時間。簡化后的模型如圖4-2：</p><p>　　圖 4-2 曲軸連桿機(jī)構(gòu)幾何模型</p><p>　　2、 進(jìn)入Design Simulation模塊，在 “Model”分支下設(shè)置模型的材料屬性、接觸關(guān)系，并對模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格單元。</p><p><b>　?。?）材料

83、定義</b></p><p>　　在曲軸連桿機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析中，材料特性定義為線性。在“Geometry”分支下定義各個組件的材料，材料的卡片數(shù)據(jù)包括彈性模量、泊松比和密度。主要構(gòu)件的材料參數(shù)如下表4-1：</p><p>　　表4-1 各構(gòu)件材料參數(shù)</p><p><b>　?。?）接觸設(shè)置</b></p><

84、p>　　WORKBENCH中提供了5種接觸類型：bonded（綁定或稱為固結(jié)）、no separation（不分離）、frictionless（無摩擦）、rough（粗糙的）、frictional（有摩擦的）。前兩種是線性的，后三種是非線性接觸。在“Connections”分支下定義接觸類型，連桿軸瓦與曲軸的圓柱面接觸采用no separation，活塞與活塞銷的圓柱面接觸也采用no separation，連桿蓋與曲軸凸臺端面的接

85、觸采用frictionless，其余接觸采用bonded。</p><p><b>　?。?）劃分網(wǎng)格</b></p><p><b>　　a.單元類型的選取</b></p><p>　　單元類型的選取在有限元模型建立的過程中是非常重要的，因為它直接關(guān)系到計算結(jié)果的精度以及所用的時間,通常對后者的影響尤為重要。針對一些較大

86、且復(fù)雜的模型，為了減少計算時間，單元類型通常選用低階單元。在本文中，由于進(jìn)行曲軸連桿機(jī)構(gòu)振動噪聲計算，對網(wǎng)格要求不是很高，所以采用自動劃分和手動劃分相結(jié)合，以四面體單元為主，兼之以六面體單元。</p><p><b>　　b.網(wǎng)格尺寸的選取</b></p><p>　　根據(jù)有限元的基本理論，網(wǎng)格劃分越細(xì)，越逼近真實(shí)結(jié)果，但是由于軟件對節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)目的局限性，以及實(shí)際的

87、計算機(jī)資源的限制，適當(dāng)控制節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)就顯的十分必要。因此劃分網(wǎng)格時定義單元大小為15mm，點(diǎn)擊“Mesh”命令進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分完之后的結(jié)果是節(jié)點(diǎn)數(shù)（Nodes）為164087個、單元數(shù)目(Elements)為74474個。曲軸連桿機(jī)構(gòu)的有限元模型如圖4-3：</p><p>　　圖4-3 曲軸連桿機(jī)構(gòu)有限元模型</p><p>　　3、 在Design Simulation模塊中選

88、擇Modal分析類型，設(shè)置邊界條件、求解參數(shù)，然后進(jìn)行求解并輸出最終結(jié)果。</p><p>　?。?）在“Modal”分支下進(jìn)行邊界條件的設(shè)置。在模態(tài)分析中, 邊界條件的施加非常重要,它不僅影響計算的準(zhǔn)確合理性,甚至能決定計算能否完成。在實(shí)際工作中，曲軸受到主軸承和縱向止推軸承的約束。本文針對曲軸的五個主軸頸的滑動軸承支撐，施加這五個主軸頸的表面徑向?qū)ΨQ約束，同時施加軸向位移約束，采用cylindrical

89、support。針對止推軸承，施加軸向位移約束，采用displacement。四個活塞在氣缸內(nèi)上下運(yùn)動，在活塞表面同樣施加cylindrical support。如圖4-4示：</p><p>　　圖 4-4 曲軸連桿機(jī)構(gòu)施加約束</p><p>　　（2）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時，一般不必求出全部固有頻率和振型，而應(yīng)著重考慮系統(tǒng)工作條件下所涉及的頻率，因為通常只有這些階次的固有頻率可能引起

90、系統(tǒng)共振。故在“Analysis Settings”下設(shè)置最大模態(tài)數(shù)為6階，頻率變化的范圍為默認(rèn)，后點(diǎn)擊“Solve”命令進(jìn)行求解。待求解完畢后，在“Solution”分支下設(shè)置要輸出的結(jié)果類型，本研究只需輸出Total Deformation(總變形),點(diǎn)擊“Evaluate All Results”可以查看每個階次所對應(yīng)的振型圖。</p><p><b>　　4、結(jié)果顯示與輸出</b>&

91、lt;/p><p>　　本研究通過計算求得曲軸連桿機(jī)構(gòu)的前6階固有頻率如下表4-2所示：</p><p>　　表4-2 曲軸連桿機(jī)構(gòu)模態(tài)結(jié)果</p><p>　　與其對應(yīng)的振型如圖4-5：</p><p>　　一階振型 二階振型</p><p>　　三階振型

92、 四階振型</p><p>　　五階振型 六階振型</p><p>　　圖4-5 各階振型圖</p><p>　　4.3 曲軸零件的模態(tài)分析</p><p>　　曲軸模態(tài)分析步驟與整個機(jī)構(gòu)模態(tài)分析步驟差別不大，只是不需要進(jìn)行接觸設(shè)置。曲軸材料為45#鋼，其

93、參數(shù)為：彈性模量209 GPa、泊松比0.25、密度為7.5×103Kg/m3 。步驟如圖4-6示：</p><p><b>　　曲軸幾何模型</b></p><p><b>　　↓</b></p><p><b>　　曲軸有限元模型</b></p><p><

94、b>　　↓</b></p><p><b>　　施加約束</b></p><p><b>　　↓ </b></p><p>　　求解計算得到結(jié)果 六階模態(tài)</p><p>　　圖 4-6 曲軸模態(tài)分析過程</p>

95、<p>　　計算求得曲軸的前6階固有頻率如下表4-3所示：</p><p>　　表4-3 曲軸模態(tài)結(jié)果</p><p>　　其對應(yīng)的振型如圖4-7至4-12：</p><p>　　圖4-7 一階振型</p><p>　　圖4-8 二階振型</p><p>　　圖4-9 三階振型</p>

96、<p>　　圖4-10 四階振型</p><p>　　圖4-11 五階振型</p><p>　　圖4-12 六階振型</p><p>　　4.4 曲軸連桿機(jī)構(gòu)的諧響應(yīng)分析</p><p>　　在Ansys經(jīng)典界面中對曲軸進(jìn)行諧響應(yīng)分析，具體步驟為:</p><p><b>　　1、定義分析類型

97、</b></p><p>　　在solution分支下的Analysis Type中定義分析類型為Harmonic。</p><p><b>　　2、施加約束 </b></p><p>　　為了使曲軸連桿機(jī)構(gòu)振動響應(yīng)分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，分析計算時位移邊界條件需要與曲軸連桿機(jī)構(gòu)實(shí)際工作位移約束條件保持一致。曲軸連桿機(jī)構(gòu)諧響應(yīng)分析時的約束

98、與其模態(tài)分析時相同。</p><p><b>　　3、載荷簡化及施加</b></p><p>　　在活塞上表面施加氣缸內(nèi)氣體對活塞的壓力，取=8.5MPa。而且載荷形式為隨時間變化的簡諧載荷，按發(fā)動機(jī)工作順序（1-2-4-3）先后在各缸活塞上進(jìn)行壓強(qiáng)施加，間隔相位為1800。本文選取1缸作功作為分析工況。旋轉(zhuǎn)慣性力在主軸頸處以慣性載荷的形式施加，取=157rad/s。

99、</p><p>　　4、設(shè)置求解頻率范圍及阻尼</p><p>　　本文中根據(jù)曲軸模態(tài)分析的結(jié)果可知其固有頻率在3000-9000HZ范圍內(nèi)，所以求解頻率也設(shè)置成該范圍。對曲軸連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力響應(yīng)分析過程中不能忽略阻尼的影響，根據(jù)經(jīng)驗取=0.02~0.05，這里取=0.03。</p><p><b>　　5、求解計算</b></p>

100、;<p>　　選擇“solve”命令求解計算完畢后，會出現(xiàn)曲軸連桿機(jī)構(gòu)1缸活塞上某個節(jié)點(diǎn)（23148）的位移-頻率圖，見圖4-13：其中UX代表X方向的位移；UY代表Y方向的位移；UZ代表Z方向的位移。圖4-14為頻率為3400HZ時的曲軸連桿機(jī)構(gòu)的變形圖。曲軸結(jié)構(gòu)某個節(jié)點(diǎn)（23148）的位移-頻率圖，見圖4-15。</p><p>　　圖4-13 位移-頻率曲線圖</p><p

101、>　　圖4-14 曲軸連桿機(jī)構(gòu)變形圖</p><p>　　從圖4-13中可以看出，該點(diǎn)在Y方向即該機(jī)構(gòu)上下振動位移比較大，應(yīng)是活塞連桿組的往復(fù)慣性力造成。因此，設(shè)法降低往復(fù)慣性力可以降低發(fā)動機(jī)的振動。</p><p>　　4.5 曲軸諧響應(yīng)分析</p><p>　　在Ansys經(jīng)典界面中對曲軸進(jìn)行諧響應(yīng)分析，與整個機(jī)構(gòu)諧響應(yīng)分析時操作基本相同，只是在載荷簡化

102、及施加時有所不同，具體表現(xiàn)為：</p><p>　　在曲軸上施加氣缸內(nèi)氣體對曲軸的壓力、往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力。其中，在四個曲柄銷上氣缸內(nèi)氣體的壓力和往復(fù)慣性力以壓力的形式施加，取=23.350MPa。而且載荷形式為隨時間變化的簡諧載荷，按發(fā)動機(jī)工作順序（1-2-4-3）先后在各缸曲柄銷上進(jìn)行壓強(qiáng)施加，間隔相位為1800。本文選取1缸作功作為分析工況。旋轉(zhuǎn)慣性力在主軸頸處以慣性載荷的形式施加，取=157rad/s

103、。</p><p>　　設(shè)置求解頻率為100-3000HZ， 選擇“solve”命令求解計算完畢后，會出現(xiàn)曲軸結(jié)構(gòu)某個節(jié)點(diǎn)（25600）的位移-頻率圖，見圖4-13：其中UX代表X方向的位移；UY代表Y方向的位移；UZ代表Z方向的位移。圖4-14為頻率為293.333HZ時的曲軸變形圖。</p><p>　　圖4-15 位移-頻率曲線圖</p><p>　　圖4-1

104、6 曲軸變形圖</p><p>　　根據(jù)圖4-15可知，曲軸上該點(diǎn)Z向即曲軸軸向振動位移較大，可知曲軸軸向竄動較嚴(yán)重，應(yīng)設(shè)法降低其軸向振動；曲軸上該點(diǎn)在830.67HZ以及2246.4HZ處出現(xiàn)了位移峰值。并且在830.67HZ處位移最大，說明在該頻率下可能發(fā)生共振，振動幅度較大。因此在接下來的聲學(xué)分析中主要看這種頻率的聲學(xué)響應(yīng)，以評價其結(jié)構(gòu)噪聲。</p><p><b>　　4

105、.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了ANSYS與 WORKBENCH的功能及應(yīng)用，并利用WORKBENCH13.0和ANSYS經(jīng)典界面分別對曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸進(jìn)行了動力學(xué)分析，為曲軸結(jié)構(gòu)的噪聲預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　第五章 曲軸結(jié)構(gòu)的振動噪聲分析</p><p><b>　　5.1 聲學(xué)基礎(chǔ)</b>

106、</p><p>　　5.1.1與聲學(xué)有關(guān)的概念</p><p>　　和聲音有關(guān)的參數(shù)主要有聲壓(p)、聲阻抗(Z)、聲強(qiáng)(I)、聲功率(W)、聲級。</p><p>　　（1）聲壓(p)：當(dāng)?shù)芈晧河诖髿鈮褐?。聲場中某一瞬間的聲壓值稱為瞬時聲壓，瞬時聲壓對時間取均方根稱為有效聲壓，一般聲學(xué)儀表測得的是有效聲壓。</p><p>　　（2）聲

107、強(qiáng)(I)：單位時間內(nèi)，通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲能稱為聲強(qiáng)。屬于矢量。</p><p>　?。?）聲功率(W)：聲源的強(qiáng)弱。</p><p>　　（4）聲阻抗(Z)：聲壓與體積速度的復(fù)數(shù)的比值，是表示介質(zhì)特性的重要參數(shù)。</p><p>　?。?）聲級：由于人耳能聽到的聲強(qiáng)的范圍非常大，用聲壓或聲強(qiáng)的絕對值來衡量聲音的強(qiáng)弱很不方便，并且人耳對聲音的感覺（聽

108、覺）與客觀物理量（聲強(qiáng)、聲壓）之間并不是線性關(guān)系，而近似于對數(shù)關(guān)系，即人的聽覺隨刺激量的增大而逐漸趨于遲鈍，所以，人們普遍采用對數(shù)標(biāo)度來度量聲壓、聲強(qiáng)和聲功率，分別稱為聲壓級、聲強(qiáng)級和聲功率級。</p><p>　　聲壓級定義為聲壓的有效值與基準(zhǔn)聲壓的有效值之比（取分貝），即</p><p>　　Lp=20lg (Pe／Pr)</p><p>　　式中：Pe為測量的

109、聲壓，Pr為參考聲壓，通常取Pr=2×10-5Pa,是人耳對1kHz空氣所能感覺到的最低聲音的聲壓。</p><p>　　5.1.2 聲學(xué)邊界元理論</p><p>　　聲學(xué)有限元法通常用于計算封閉空間中聲場，而邊界元法適用于內(nèi)聲場和外聲場的計算，如結(jié)構(gòu)表面或聲場中任意點(diǎn)在頻域或時域中的響應(yīng)以及聲傳播途經(jīng)分析和噪聲源的分析等。</p><p>　　邊界元法

110、分為直接邊界元法和間接邊界元法，邊界元所需要的網(wǎng)格是面網(wǎng)格，不是體網(wǎng)格。直接邊界元的網(wǎng)格要求必須是封閉的，它可以直接計算封閉網(wǎng)格內(nèi)部的聲場，或計算封閉網(wǎng)格外部的聲場，但是不能同時計算內(nèi)部聲場和外部聲場，即它適用于封閉結(jié)構(gòu)的內(nèi)聲場或外聲場的分析，略偏重于數(shù)學(xué)方法；間接邊界元的網(wǎng)格可以是封閉的，也可以不封閉，所以可以同時計算內(nèi)聲場和外聲場。由于曲軸連桿機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格是不封閉的，故按照理論知識，應(yīng)該選用間接邊界元法對其噪聲分析。</p>

111、;<p>　　5.2 Virtual.Lab Acoustics簡介</p><p>　　Virtual.Lab是由LMS公司開發(fā)的基于CATIA V5平臺的集成仿真CAE平臺，主要有Acoustics(聲學(xué))、Durability(耐久性)、Motion(多體動力學(xué))、Vibration(振動)、Structure(有限元前后處理)、Desktop(桌面)和Optimization(優(yōu)化)等模塊工