雷宣扬[1]2003年在《内燃机曲轴动态振动特性的模拟》文中提出曲轴是内燃机最为重要的部件，曲轴的模拟计算是一个非常有意义的研究领域。由于曲轴的几何形状、边界条件和作用载荷都非常复杂，要尽量精确地模拟曲轴的振动特性，选择合适的计算模型是其中关键环节之一。从以前研究的状况来看，空间实体有限元是最为合适的方法，但因为受到计算规模的限制，它目前只被应用于静力学分析或简单模态分析；其它一些建模方法因为过于简化或适用范围太窄，所计算的结果与实际相差较大。综合考虑计算规模与结果精度，结合曲轴的结构与运行特点，本文提出以考虑剪切变形与转动惯量的空间TImoshenko梁单元为基础为曲轴建立有限元模型。 本文首先叙述结构动力学中的有限元法原理；其次介绍Timoshenko梁的理论与特点，论述了剪切变形、转动惯量等因素对梁的振动特性的影响，揭示了Timoshenko梁与Euler梁或杆件的本质区别；在此基础上，详细地陈述了对曲轴系统整体结构建立有限元模型的方法与过程；应用此方法，以一单缸发动机的曲轴及一四缸发动机曲轴为实例，采用ANSYS软件对它们的振动特性进行分析。最后，为使本文的方法得以推广与应用，采用VC++6.0结合ANSYS与MatLAB编制了一个及模拟、计算和分析于一体的应用软件系统。 以单缸发动机曲轴为模拟对象，分别采用实体有限元与本文方法进行模态分析，通过比较发现两者的结果在数值上非常接近，形态上完全一致。同样采用本文的方法分析一四缸发动机曲轴，并与其它研究的结果与实验数据进行对比，其结果表明，本文方法模拟的结果更为接近实验数据。紧跟其后，本文对此四缸发动机曲轴进行了谐响应分析与动力学时程分析，分析的结果前后互相吻合。 通过多个方面比较后表明：本文所提出的方法在结果精度上与实体有限元法相差不大，与实验结果非常接近；计算规模上远远小于实体有限元法。总之，本文提出的方法建模过程简洁、直观，非常适用于曲轴的动态振动特性分析。
雷宣扬[2]2003年在《内燃机曲轴动态振动特性模拟及其裂纹故障分析》文中认为曲轴是内燃机最为重要的部件之一，曲轴裂纹甚至断裂是发生频率较高故障，为了提高内燃机的维修性、避免重大事故的发生及减小事故的危害性，开展关于曲轴裂纹故障诊断的研究非常必要，这是一个有着实用意义的课题。大量的研究已经证明振动分析法对于内燃机故障而言是非常有效的途径，于是我们利用此方法分析裂纹出现后以及随着裂纹加深时曲轴动态振动特性的变化特点，探索并从中提取能够表征裂纹故障的特征参数。经过参考目前的研究现状并考虑到实验研究的局限性，本研究主要立足于理论，目的是为实验研究提供参考与指导，为最终实现曲轴裂纹在线监测与诊断奠定基础。 采用振动分析法进行故障诊断首先要检测振动信号，在这里我们获取曲轴振动信号的途径是通过模拟计算。但由于曲轴的几何形状、边界条件和作用载荷都非常复杂，要得到精度足够的结果并保证运算规模适当，建立合理的计算模型是问题关键所在。从以前研究的状况来看，空间实体有限元法能得到精度较高的结果，但因为受到运算规模的限制，它目前多被应用于静力学分析或简单的模态分析；以Euler梁理论为基础建立的某些模型取得了一定的成果，但曲轴的各部分的细长比明显超出Euler梁理论的允许范围，因而其精度有限；其它的某些建模方法因为过于简化或适用范围太窄，所计算的结果与实际相差较大。综合考虑运算规模与结果精度，结合曲轴的结构与运行特点，提出以一种基于Timoshenko梁理论(考虑了剪切变形与转动惯量)的空间梁单元(以后简称为Timoshenko梁单元)基础建立曲轴有限元模型，并详细演示建立曲轴—飞轮—支撑为一体的系统模型的全部过程。 为了证明计算模型的合理性与有效性，首先以一单缸发动机曲轴为研究对象，分别采用上述方法与实体有限元法进行模态计算，对比结果后表明二者在精度上非常接近。随后采用该方法给一四缸发动机曲轴建立模型并对其进行振动模态分析，将所计算得到的结果与其它研究结果及实验数据进行对比，比较的结果明确显示该方法计算的结果更为接近实验数据。其间，考虑到飞轮的结构通常为薄体，且其质量在曲轴系统中占有的比例较大，于是采用实体单元对其进行网格剖分，采用合理的方法连接实体单元与梁单元而构成轴系细分模型。针对具体实例分析后的结果显示细分模型使结果精度得到丁更大的改善，并找出了部分误差产生的原因，从而进一步在另一个侧面证明了采用Timoshenko梁单元模拟曲轴体的合理性。紧接着，利用该方法为此四缸发动机曲轴建立谐响应分析与动力响应分析模型，模拟计算的结果取得了前后一致。 在确立了曲轴系统计算模型的基础上，我们提出采用含有45°角斜向裂纹的矩形截面梁单元模拟在内接合圆角处出现裂纹的曲柄臂；采用含有45°角斜向裂纹的圆形截面梁单元来模拟油孔边缘出现裂纹的曲柄销，并建立裂纹曲轴模型。裂纹梁单元的刚度矩阵是综合运用材料力学、断裂力学及固体力学方面的基础知识，经推导、演绎而得到，其准确度经过了对比验证。运用所建立的裂纹模型，首先分析了裂纹深度、位置及数量对曲轴振动模态的影响。其结果表明：随着裂纹的深度加深、裂纹数量的增多，系统的各阶固有频率会降低，但是各阶之间降低的幅度不一样，振型的变化也会越来越明显；当裂纹的位置变动时，各阶频率的变化幅度会随之改变；虽然裂纹深度、位置及数量与振动模态有着密切的联系，大连理工大学博士学位论文但是其规律却难于统计特别是裂纹较小时，其变化的幅度很小。其次分析了裂纹对系统频响特性的影响，并得出结论:各点的振动响应峰值以及峰值所对应的频率值都随着裂纹的加深而出现不同程度的变化，但除了自由端扭振的各峰值随着裂纹的加深而增大外，其它各峰值的变化并没有特定的规律:在裂纹较小时，各点各向的振动峰值对裂纹并不是特别敏感(变化幅度较小)，尤其是自由端的扭振与纵振更不明显。这些现象说明仅通过模态分析或频响特性分析是很难达到诊断裂纹故障的目的。鉴于此，最后建立了基于呼吸裂纹的非线性动力学运动方程，模拟计算裂纹曲轴的非线性振动响应，以获取各点各方向的振动信号。 故障特征的提取是机械故障诊断中极为重要的一步，利用振动分析法中常用的时域分析、频域分析、时频分析以及分维计算等手段，仍然以同一四缸发动曲轴为例，以曲轴自由端所对应的节点的扭转振动加速度、纵向振动加速度，以及轴承支撑所对应的节点在水平方向和垂直方向的振动加速度为分析对象，经过对存在不同深度、不同位置裂纹的各种情况进行大量的分析、比较及统计后得出结论:在时域中，除扭振的幅域参数因不同深度裂纹引起的变化比较有规律外，其它几项参数的振动变化在裂纹较小时没有明显特征;扭振、纵振的幅域参数对裂纹有感应但变化幅度很小，相对而言轴承支撑点处振动的幅域参数变化的幅度较大。在频域中，各项参数的振动变化除了有其自身特点外，它们都在裂纹出现后会产生高频成份，并随着裂纹的加深呈现出高频成份幅值增大的规律;但增大的幅度各不相同，比较后发现:离裂纹最近的支撑点在水平方向的振动对裂纹最为敏感:基于小波变换的时频分?
岳东鹏[3]2005年在《轻度HEV混合动力系统轴系机电耦合动力学特性的研究》文中认为本文根据轻度混合动力电动汽车(HEV)混合动力系统结构的特性,探讨了混合动力系统轴系在发动机系统和电气系统耦合作用下的振动问题。分析了其轴系扭转等振动产生的原因和特点。增进了对其轴系耦合动力特性和振动规律的全面了解,为设计和故障诊断及振动噪声控制提供详细的理论依据。采用有限元的方法研究了TJ376QE汽油机曲轴及其轴系、混合动力系统轴系的动态特性。建立了包括曲轴和转子等部件的有限元模型,对不同曲轴系统进行了模态分析,得到了混合动力系统轴系在自由状态和约束状态下的固有频率和模态振型,并与TJ376QE汽油机轴系进行了对比。建立了包括曲轴柔性体部件模型、活塞连杆组及转子在内的刚性体部件模型以及构件间约束和作用力模型,并将它们综合建立了混合动力系统轴系的多体动力学分析模型;仿真得出混合动力系统轴系在发动机模式下的叁维振动情况,并通过实验测量验证了仿真分析结果。在分析研究影响混合动力轴系振动的主要电机特性参数的基础上,对混合动力系统轴系处于机电耦合作用下的动力学特性进行了全面的分析。分别从电机发电和助推两种不同模式下系统轴系动力学特性进行了探讨,并和发动机模式对比得出一些有益的结论。还就电磁参数对轴系振动影响的机理进行了分析。同时还进行了转子与曲轴联结的可靠性分析计算。根据理论研究的结果及实际运行当中的有关振动和噪声问题进行了一系列的实验研究。通过实验和理论结果的对比两者可以定性的一致。同时还进行了电磁作用对机体表面振动噪声影响的实验研究以及电机瞬态工况对系统性能影响的实验研究。以扭振作为优化目标,仿真分析了不同转子惯量下轴系扭振的变化规律,进行不同的皮带轮对轴系扭振影响的理论研究,通过选用合理的扭振减振器参数做进一步的优化组合,还就电机的结构设计提出了一些有益的改进建议。
孙连科[4]2006年在《内燃机曲轴性能分析及裂纹研究》文中认为曲轴是内燃机中最重要的部件之一，也是受力最复杂的部件。它的尺寸参数很大程度上影响着内燃机的整体尺寸和重量，同时也影响内燃机的可靠性与寿命。随着内燃机技术的不断进步和完善，使得曲轴的工作条件也愈加苛刻，对曲轴的刚度和强度也提出了更高的要求。因此，在设计曲轴时必须正确选择曲轴的尺寸参数和结构型式等。此外，曲轴的破坏，如裂纹的出现乃至发生断裂，对内燃机的性能有着致命的影响，为了避免重大事故的发生及减小事故的危害性，对曲轴实现裂纹故障诊断也有着重要的意义。 本文以6110柴油机曲轴系为主要研究对象，用ANSYS软件对整体曲轴建立了符合实际情况的叁维模型，采用有限元法对其进行了叁维有限元分析，研究了整体曲轴的应力状态和变形情况，并对曲轴在交变载荷下的疲劳强度进行了校核。同时还探讨了曲轴的部分结构参数对其应力集中部位的影响，如轴颈过渡圆角半径、曲柄销长度和曲柄臂厚度等。为了研究曲轴出现裂纹时的情况，本文对整体曲轴进行了振动模态分析，分析了带皮带轮和飞轮的曲轴和单独曲轴两种情况。同时研究了不同形式的裂纹出现后，曲轴的动态振动特性随着裂纹深度和位置的变化特点。结果表明随着裂纹深度的加深，曲轴各阶固有频率值都有所降低，但降低幅度不同，同时各节点振动峰值也发生变化。在上述模拟计算的研究基础上，得出一些有用的结论，可为实现曲轴裂纹的动态检测和诊断提供参考。
程晓鸣[5]2006年在《基于虚拟技术的曲轴系统多体动力学研究》文中研究指明内燃机设计正朝着高性能,轻量化、低油耗的方向不断发展。随着人们对高性能、轻量化、低成本及高市场适应能力发动机的不断追求,对发动机减振、降噪、可靠性等方面的研究变得越来越重要。本文以发动机轴系扭振控制为出发点,指出了应用虚拟技术开展发动机轴系动力学研究的重要意义,以X6170ZC型柴油机为例,探讨了内燃机轴系虚拟开发设计的主要研究步骤和方法。本文主要内容如下:首先阐述了虚拟技术在内燃机领域的应用,指出了虚拟设计将是内燃机现代设计的方向。以有限元动态特性分析为基本手段,对X6170ZC型柴油机的曲轴进行了有限元模态分析,掌握了该机曲轴的固有频率和振型,为曲轴运动件系统动力学分析奠定了基础。为了校验曲轴有限元模型的准确性,从实验研究的角度出发,对曲轴进行了振动模态实验研究。实验结果和有限元分析结果对比表明,本文建立的有限元模型能够满足工程设计和分析的要求。对于复杂系统而言,如何建立一个有效、恰当的虚拟样机模型是进行虚拟试验考核的关键,指出针对不同的分析目标需要建立不同分析层次的虚拟样机模型,减少工作量,节省时间,增加研发速度。针对本文的研究目的建立了一个有效的曲轴系统动力学分析的虚拟样机。通过对运动件系统进行柔性多体动力学计算,分析了曲轴的扭转振动、动态应力和疲劳安全系数等问题,通过计算得到的扭振数据与实验数据吻合较好。针对该轴系扭振振幅较大的问题,进行扭振器匹配的虚拟试验研究,提出了改进方案。并对改进后的轴系进行了扭振特性的研究,取得了一定的减振效果。
周玮[6]2016年在《高速大功率柴油机曲轴动态特性及轴承润滑性能仿真分析研究》文中研究表明随着人们对高速大功率柴油机强化要求的不断提高,在柴油机设计与研究过程中需要考虑的因素也越来越多。曲轴作为关键部件,其强度、刚度、摩擦副上的摩擦润滑性能及它们之间的耦合行为都对整机可靠性起到不可忽略的影响。本文旨在从多学科的角度对高速大功率柴油机曲轴进行全面综合的分析研究,主要运用仿真分析手段,结合试验验证,探讨包含非线性连接单元的多体系统动力学仿真模型的建模方法和精度,并研究曲轴工作过程中存在的各种非线性因素对曲轴动态特性、变形协调和轴承润滑性能的影响规律。主要研究内容如下:基于动态子结构模态缩聚理论和模态迭加法,对曲轴进行瞬时动力学分析,将模态贡献因子作为建立曲轴动态子结构缩聚模型时的模态评价准则,探讨了模态选择策略,并进行了模态截断收敛性分析。建立了包含零部件动态子结构缩聚模型以及非线性连接单元的曲轴轴系多体系统动力学仿真模型。研究了弹流润滑的基本理论,以及温度和形状误差对轴承润滑性能的影响机理。通过曲轴系扭振试验对仿真模型的精度进行验证,分别研究了主轴承处计及油膜压力和刚性轴颈假设时,曲轴自由端扭振、轴振、弯振,和各轴颈轴心轨迹的变化规律。研究了轴颈弹性变形对轴承润滑性能的影响规律。对实际曲轴工作过程中存在的非线性影响因素导致曲轴动态特性和轴承润滑性能的变化规律进行研究。主要研究的影响因素有供油压力、油槽的结构和尺寸、不同油品、表面粗糙度、单缸熄火、温度和形状误差,主要研究的曲轴动态特性包括自由端的扭振、轴振、弯振特性,以及影响曲轴与机体连接副处变形协调的轴心轨迹、轴颈倾斜角度和轴承间隙等,主要研究的轴承润滑性能有最大油膜压力、最小油膜厚度、粗糙接触的压力与比例、摩擦功损失和润滑油的充油率、进油量、泄油量等。最后对曲轴多学科仿真分析方法进行了提炼和归纳,以算例说明了学科间耦合分析对数值仿真计算的意义。
杨礌[7]2005年在《汽车发动机曲轴扭转振动分析及控制》文中提出随着汽车相关法律法规愈来愈严格,以及人们对汽车乘座的舒适性要求越来越高,有关汽车发动机的噪声、振动和行驶平顺性(NVH)的研究愈来愈受到人们的重视。发动机曲轴系的扭转振动是汽车发动机NVH 分析的重要组成部分。传统的曲轴扭转振动设计方法和设计手段需要耗费大量的时间和多次的重复试验才能获得满意的结果。本文借助现代CAE 技术,将有限元法(FEM)、多体系统仿真(MSS)技术融于一体的发动机曲轴振动分析技术应运而生。该方法将发动机设计设计过程从昂贵的试验(TEST CELL)研究转变为更有效率、更经济的数值仿真。本文对曲轴系多体动力学仿真建模进行了深入研究,利用计算机仿真技术,研究了飞轮的不同处理方式对计算结果的影响,通过建立弹簧—阻尼单元来模拟曲轴与主轴承座之间的油膜效应,最终建立了包括柔性曲轴、柔性缸体以及柔性连杆在内的精确的曲轴系扭转振动分析多体动力学仿真模型。利用该模型,对曲轴系进行了详细的振动动态特性的研究,获得了系统的动态特性,结果表明曲轴系的第一阶扭转振动固有频率较低,需要予以重视。在此基础上,对曲轴系在不同转速下进行强迫扭转振动响应分析,发现在发动机输出扭矩最大的5000 转/分的工况,曲轴发生了较为明显的一阶扭转共振,主要原因是干扰力矩的6 次谐波分量引起了曲轴的一阶扭转振动,需要对其进行控制。通过设计扭转减振器和对曲轴系各部件结构参数进行优化设计,对扭振进行了有效的控制并对其控制效果进行评价,探讨了结构修改对系统扭振的影响规律。同时还分析了调整飞轮惯量和更改发火顺序等措施对系统扭振特性的影响。
金运涛[8]2006年在《KM385BZL曲轴动态特性模拟》文中认为曲轴是发动机上重要的部件,曲轴运行情况的好坏直接影响了发动机的性能。本文旨在利用计算机的仿真技术建立KM385BZL曲轴模型,分析该型曲轴正常工况下的动态特性。首先建立了该曲轴的二分之一曲柄模型,分别模拟了在气缸发火时刻和进气冲程上止点时刻该曲柄模型受到连杆作用力的情况,得到了二分之一曲柄模型的位移图与应力图,分析了它的静态特性。建立了简化的曲轴实体模型,运用模态分析法求取了自由约束条件下曲轴2000Hz以内的固有频率和对应的振型,分析了曲轴的固有振动特性。最后利用Timoshenko梁理论建立了曲轴的梁单元模型,将此梁单元模型与体单元模型进行了比较,结果表明梁单元模型能够满足精确度和计算效率的要求;利用该梁单元模型,模拟了实际条件下的载荷作用时曲轴的响应,得到了曲轴各主轴颈和皮带轮端的位移、速度、加速度曲线以及皮带轮端的扭转振动曲线,分析了曲轴的动态特性,结论表明该型曲轴具有良好的动态特性。
李德水[9]2010年在《小型柴油机轴系模态分析及仿真计算研究》文中研究说明曲轴是柴油机中的重要组成部分,其振动是引发内燃机振动的重要因素,它的性能直接影响着柴油机的可靠性和寿命。近年来,随着各种新技术的应用,对内燃机的可靠性和动力性要求越来越高,已有的曲轴轴系振动分析方法越来越难以完全满足内燃机设计的要求。因此,对曲轴轴系振动问题的更精确、更全面的研究显得非常重要。本文以某一小型柴油机曲轴系为研究对象,模态分析理论为基础,分别对曲轴系在自由状态和约束状态下的多种情况进行试验模态分析。结合试验模态分析的结果,探讨曲轴系各种动态特性仿真建模方法的优缺点。并在发动机运转状态下,对联轴器的扭转刚度、负载的转动惯量和活塞连杆与曲柄销等接触处的润滑情况等因素对曲轴系扭转振动的影响进行了研究。本论文的主要工作如下：首先,对某一小型柴油机的曲轴轴系在自由状态和约束状态下的多种情形进行模态敲击试验,并对其进行模态参数识别。将自由状态和约束状态下各种情形的模态试验结果进行对比分析。通过对比分析得出飞轮对曲轴的模态影响较大；主轴承及其润滑油膜的约束支撑刚度对曲轴的弯曲和纵向振动影响较大,对曲轴的扭转振动影响较小。因此可通过对自由状态下带飞轮、皮带轮及活塞连杆曲轴的模态试验来获得运转状态下曲轴的扭转振动模态特性。其次,以柴油机曲轴系实物为原型,在叁维建模软件Pro／Engineer中建立曲轴系的叁维实体模型；同时,将曲轴系实体模型导入有限元软件ANSYS中建立其自由状态和约束状态下的多种动态特性仿真计算有限元模型,并对其进行计算模态分析。通过与模态试验结果的对比分析,探讨自由状态和约束状态下各种动态特性仿真建模方法的准确性、优缺点及适用情况。最后,在发动机运转状态下,对联轴器扭转刚度、负载转动惯量及活塞连杆与曲柄销接触处的润滑情况等因素对曲轴系扭转振动的影响进行了研究,得出了轴系扭转振动频率随联轴器扭转刚度、负载转动惯量及润滑变化的规律。
张弘钧[10]2007年在《大型工业压缩机曲轴动态特性分析》文中提出大型工业压缩机曲轴在高速运转过程中有着复杂的动态特性，其动态响应特性的优劣直接影响到压缩机整体的工作可靠性、寿命等性能，因此要求曲轴具有良好的动态特性，对曲轴的动态特性进行理论和实际的研究分析也就具有重要的意义。本文以K5206NM型压缩机的曲轴为对象，主要研究了以下内容：1)利用大型建模和有限元分析软件I-DEAS建立压缩机的整机叁维实体模型。2)进行大型二级迷宫式压缩机热力学分析，确定各级活塞气体压力变化情况。3)利用大型机械系统动力学仿真分析软件ADAMS对压缩机的曲柄连杆机构进行动力学建模和仿真，得到了曲轴的不同部位瞬态受力情况，为曲轴的进一步瞬态响应分析提供了边界条件。4)合理简化迷宫式压缩机曲轴模型，采用高精度单元建立有限元模型，进行了该曲轴的模态分析，获得了该曲轴的固有频率和振型，分析曲轴的结构参数对曲轴动态特性的影响。5)对曲轴进行了结构瞬态响应分析，并根据结构动力响应分析结果提出了结构修改建议。通过以上的研究，本文得出了一些有用的结论，能够为该型压缩机曲轴的进一步减重提供参考，具有一定的理论和实际意义。
参考文献：
[1]. 内燃机曲轴动态振动特性的模拟[D]. 雷宣扬. 大连理工大学. 2003
[2]. 内燃机曲轴动态振动特性模拟及其裂纹故障分析[D]. 雷宣扬. 大连理工大学. 2003
[3]. 轻度HEV混合动力系统轴系机电耦合动力学特性的研究[D]. 岳东鹏. 天津大学. 2005
[4]. 内燃机曲轴性能分析及裂纹研究[D]. 孙连科. 大连理工大学. 2006
[5]. 基于虚拟技术的曲轴系统多体动力学研究[D]. 程晓鸣. 天津大学. 2006
[6]. 高速大功率柴油机曲轴动态特性及轴承润滑性能仿真分析研究[D]. 周玮. 北京理工大学. 2016
[7]. 汽车发动机曲轴扭转振动分析及控制[D]. 杨礌. 重庆大学. 2005
[8]. KM385BZL曲轴动态特性模拟[D]. 金运涛. 哈尔滨工业大学. 2006
[9]. 小型柴油机轴系模态分析及仿真计算研究[D]. 李德水. 西南交通大学. 2010
[10]. 大型工业压缩机曲轴动态特性分析[D]. 张弘钧. 南京理工大学. 2007
标签：动力工程论文; 曲轴论文; 内燃机论文; 模态分析论文; 仿真软件论文; 单缸柴油机论文; 振动试验论文; 机械振动论文; 有限元分析论文; 振动频率论文; 发动机参数论文; 动态模型论文; 动力学论文;