柴油机曲轴的设计及模态分析开题报告

全文总字数：3693字

1. 研究目的与意义（文献综述）

曲轴是内燃机中传递动力的重要部件，也是在内燃机中最难以保证加工品质的零件。曲轴在工作时会承受内燃机其他部件所带来的冲击、振动，当振动频率接近曲轴固有频率时，会引发曲轴共振，导致曲轴过早发生扭转疲劳破坏和弯曲疲劳破坏，甚至断裂。因此，应对曲轴进行动态响应及响应分析的研究，优化曲轴结构，避免共振发生^[1]。

对曲轴的模态分析即为振动特性分析，可以确定曲轴的固有频率和振型,获得后可以在设计阶段预测曲轴产生共振的可能性并且能够获得曲轴在工作中可能会出现变形破坏的部位，方便进行曲轴的结构优化设计。一般来说，引起内燃机共振的，主要是较低的阶次频率，关注前8阶的固有频率已经足够^[2]。曲轴模态分析常用方法有两种，一是康桂东^[3]、李德水^[4]、mohd shahrir mohd sani ^[5]等人采用的试验模态分析法：试验模态分析法需要已制造完成的曲轴，设置试验仪器及制定试验方案。通常试验模态法使用单点或多点力锤激励法产生脉冲信号，并测量曲轴的动态响应信号，最终将数据进行收集处理得到结果。试验模态法易受环境干扰，但经改善措施修正后能真实反应曲轴的振型及固有频率，对曲轴设计优化有实际作用；二是rajesh m.metkar^[6]、v. c. shahane^[7]、付泽民^[8]、basavaraj talikoti^[9]等人采用的有限元模态分析技术，有限元模态分析需要对所研究的曲轴进行三维建模，设置约束、边界条件及载荷，最终进行理论求解，获得振型及固有频率。有限元模态分析相较于试验模态分析有方便、快捷、高效的优势，但有限元模型对实际结构进行了简化，忽略了部分材料参数的变化，导致有限元模态分析结果与实际有一定出入^[10]。基于此，lucjan witek^[11]、陈晓章^[12]、李小华^[13]、田晶^[14]等人采用试验模态分析与有限元模态分析相结合的方法，用试验模态分析的数据对有限元模型进行修正，使其振型及固有频率更贴近实际曲轴的动态响应,并验证了有限元模态分析的可行性及精确度,在文献[11]-[14]中有限元模态分析与试验模态分析的各阶固有频率相对误差绝对值均小于10%,经过修正可以满足设计要求。

可以看出利用有限元技术对曲轴进行模态分析有着积极的指导作用，它在汽车零部件设计上缩短了设计周期，降低了设计成本，提高了设计精度，同时推动了内燃机工业发展^[15]。虽然现在有限元技术受限于计算机运算速度，但随着计算机运算速度的不断提升，有限元技术一定能够具体指导曲轴等内燃机部件的设计、优化改进，量化结构参数,进一步促进整个工程设计领域的发展。

2. 研究的基本内容与方案

(1)基本内容：由于曲轴自身有固有频率，当振动频率接近固有频率时，会引发曲轴共振，大幅降低曲轴的使用寿命及可靠性。因此该课题希望通过查阅资料，自主设计一款符合市场需求的柴油机曲轴，并进行曲轴的三维建模，将建模导入有限元软件进行有限元模态分析，得到曲轴的固有频率和振型，对现有设计进行优化改进，避免共振的可能。

(2)目标:了解并掌握曲轴设计的流程，学习建模及有限元模态分析的软件，并学习模态分析的概念。

(3)技术方案及措施: 通过查阅内燃机曲轴设计相关书籍资料，自主设计柴油机曲轴，并使用creo软件进行曲轴的三维建模，再将建模导入有限元软件ansys中，进行模态分析，改进优化现有设计，防止共振出现，提高曲轴寿命和整机可靠性。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1]商海昆，支亚辉，冯国胜等.基于workbench的某v6柴油机曲轴有限元分析[j].农业装备与车辆工程,2017,55(10):25-30

[2]陈然,曹咏弘,孙华东.基于ansys的内燃机曲轴的模态分析[j].煤炭工程，2015,47(4):108-109,113

[3]康桂东,黄映云,刘鹏.tbd234v6型柴油机曲轴的试验模态研究[j].小型内燃机与摩托车,2011,40(4):31-34