毕业设计（论文）开题报告

学生姓名

系部

汽车与交通工程学院

专业、班级

车辆工程

指导教师姓名

职称

讲师

从事

专业

车辆工程

是否外聘

□是■否

题目名称

发动机曲轴及曲柄连杆机构受力有限元分析

一、课题研究现状、选题目的和意义

随着发动机的不断强化，曲轴的工作条件愈加苛刻，保证曲轴的工作可靠性至关重要，其设计是否可靠，对柴油机的使用寿命有很大影响，因此在研制过程中需要给予高度重视。由于曲轴的形状及其载荷比较复杂，对其采用经典力学的方法进行结构分析往往有局限性。有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，是分析各种结构问题的强有力的工具，使用有限元法可以方便地进行分析并为设计提供理论依据。

基于几何模型的网格生成，可以通过制定不同区域的单元大小，是网格密度合理。基于三维实体模型建立有限元网格符合现代CAD并行工程的要求。现代CAD并行工程要求分析模型能充分利用设计主模型，并与设计主模型相关一致。显然这样极大地提高了分析结果的可信度，同时也大大提高了有限元网络模型的生成速度和分析效率，节约了大量的时间和人力。这对于有限元实际运用具有重要意义，目前通过许多大型CAD软件，人们可以不加简化的建立汽车发动机的许多复杂零部件的有限元网络模型。尽管有限元网格自动生成技术发展到现在，出现了大量的不同的实现方法，如应设法、布点及三角化法、拓扑分解法、几何分解法、基于栅格法等等，但是所有的这些方法在大规模复杂结构中的运用上仍然具有许多困难。突出的表现在两方面：一是几何元素过多，是的现有算法一次自动生成其有限元网格需要高性能、高配置的硬件，现在算法难以实现；二是有些几何元素太复杂或者几何元素尺寸的大小相差悬殊，导致现有算法失效或者生成网络的质量欠佳。

在现有条件下，解决上述问题的一个有效途径就是引入非流形几何建模技术，将原有几何模型在拓扑上通过内部边界分解为多几个相对简单的拓扑子域，由于非流形模型可以实现内部边界的直接查询，故在利用现有算法对分解后的各个子域进行网格自动划分时，不会出现相邻边界的划分错误。由此可以实现子域的各个击破，并最终完成大规模复杂结构的有限元网络划分。因此实际上增强了各种有限元网络自动生成技术的功能，拓宽了汽车发动机中可分析零件的范围。

解决上述问题的另一条有效途径是，现将结构划分成某些区域节点并不连续的有限元网格，再通过施加节点间位移约束消除模型变形的不协调。另外部分大型软件不仅可以实现单个零件基于几何模型的有限元网格自动生成，对装配模型的有限元网格的建立或多零件的有限元网格的模型装配也可以方便的实现。

而目前汽车发动机中最复杂的零部件包括曲轴，可根据CAD实体模型直接建立非常精确的有有限元网络模型，为这些先前几乎无法进行可靠计算的零部件，提供了一条可行的设计途径。

曲轴是发动机中最重要、载荷最大的零件之一。曲轴承受着气缸内的气体压力及往复和旋转质量惯性力引起的周期性变化的杂合，并对外输出扭矩，理论和实践表明，发动机的曲轴的破坏形式主要是弯曲破坏。因此在曲轴内产生交变的弯曲应力，可以引起曲轴疲劳失效，而一旦曲轴失效，就可能引起其他零件随之破坏。所以对于整体式多缸曲轴，如何比较准确地得到应力、变形的大小及分布，对用于指导曲轴的设计和改进，具有重要意义。

根据名义应力和应力集中系数计算曲轴应力的传统方法尽管在理论和方法上得到了一定的发展，但随着计算机技术的发展，有限元技术在曲轴的强度研究中得到了越来越广泛的应用，已有许多文献利用有限元方法的出了较为有效的结果。但总体来看，已有的曲轴有限元分析的研究对象都是针对某种具体型号曲轴，而且从模型和边界条件的处理上存在较大的差别：在模型方面，二维平面模型和三维的单拐、1/4和1/2拐乃至整体模型都有采用，在和处理上一般只考虑了单一受载情况，而忽略了扭矩和惯性力的作用，连杆轴径表面作用力和主轴颈约束采用不同的简化处理方法。

随着计算技术的飞速发展，出现了开发对象的自动离线及有限元分析结果可视化显示的热潮，使有限元分析的“瓶颈”得以逐步解决。对象的离散从手工到全自动，从简单对象的一维单一网络到复杂对象的多维多种网络单元，从单材料到多种材料，从单纯的离散到自适应离散，从对象的性能校核到自动适应动态设计、分析。这些重大的发展使有限元分析拜托了仅为性能校核的工具的原始阶段计算结果的可视化显示从简单的应力、位移和温度场等的静动态显示、色彩色调显示，一跃变成对模型可能出现缺陷的位置、形状、大小以及可能波及区域的显示。这种从抽象数据到计算机形象化现实的飞跃，是现在甚至将来计算程序设计、分析的重要组成部分。

有限元法随着计算机科学的发展，在包括汽车发动机在内的几乎所有工程领域得到愈来愈广泛的运用。有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具，经过迄今约办半个世纪的发展，它已日趋成熟使用，在近乎所有的工程设计领域发挥着越来越重要的作用。而汽车发动机零部件的设计是有限元技术最早的应用领域之一。有限元技术的应用提高了汽车发动机零部件设计的可靠性，缩短了设计周期，大大推动了汽车发动机工业的发展。

现今，高性能的产品需要有高水品的设计，设计技术是决定产品性能的关进因素之一。随着科技的进步和使用要求的不断提高，设计方法和设计手段也不断改善，以经验和试制、实验为典型特征的传统设计方法已远不能满足现代产品对性能的需求，取而代之的是以计算机为基本工具，以数值仿真分析为主要手段的现代设计理论和方法的广泛应用。汽车发动机设计是典型的机械系统设计，针对汽车发动机的现代设计技术研究具有代表性意义。曲轴是汽车发动机至今为止关键的部件之一，其性能优劣直接影响着汽车发动机的可靠性和寿命，所以利用计算机仿真技术对曲轴设计及生产有着积极的指导作用。实现了曲轴建模和分析计算的自动化、智能化。

二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题

1.基本内容

1）确定发动机的参数

2）运动学与动力学计算

3）曲轴零件的结构设计

4）应用软件实体建模

5）对模型进行有限元分析

2.拟解决的主要问题

1）发动机最大功率的数据获得、计算。

2）为满足应力应对曲轴的结构进行设计。

3）利用有限元分析需要进行实体模型的创建，用以参数化，模型的网格划分以及边界条件的施加。

三、技术路线（研究方法）

四、进度安排

1.第1-2周（3月1～3月14）      调研、收集资料、撰写开题报告。

2.第3-4周（3月15 ～3月28）    确定曲轴设计及分析方案。

3.第5-8周（3月29 ～4月25）    曲轴参数设计及CAD绘图

4.第9-10周（4月26～5月9）     对曲轴参数进行实体建模。

5.第11-12周（5月10～5月16）   结合ANSYS对模型进行有限元分析。

6.第13-14周（5月17～5月30）   撰写设计说明书，完善图纸设计提交指导老师审核。

7.第15-16周（5月31～6月13）   毕业设计修改。

8.第17周（6月14～20）          毕业设计答辩。

五、参考文献

[1]徐兀.汽车发动机现代设计[M].北京：人民交通出版社.1995

[2]杨连生.内燃机设计[M].北京：中国农业机械出版社.1981

[3]陆际青.汽车发动机设计[M].北京：清华大学出版社.1990

[4]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社.2005

[5]苏铁雄,张儒华,蔡坪等.利用有限元法研究曲轴弯曲应力的变化规律[J].1995

[6]吴兆汉.内燃机设计[M].北京:北京理工大学出版社.1990

[7]张小虞.汽车工程手册[M].北京：人民交通出版社.2007

[8]丁培杰,吴昌华.柴油机曲轴计算方法发展的回顾、现状与展望[J].汽车发动机工程.2003

[9]张保成,张先林,苏铁雄.汽车发动机曲轴动态设计技术研究[J].现代车用动力.2001

[10]尤小梅,马星国.发动机曲轴动力学仿真研究[J].沈阳工业学院学报.2004

[11]龚曙光，谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程[M].北京：中国农业机械出版社.2001

[12]刘必荣.基于ANSYS的R175A柴油机曲轴应力分析[J].盐城工学院报.2002

[13]徐波,陈国华,王晓瑜.一种对整体曲轴有限元分析模型的改进[J].小型汽车发动机与摩托车.2003

[14]Athavale,Swati.Sajanpawar,P.R.Finite element model generator for assessment and optimization of crankshaft design,Proceedings of the 6th Intermational Pacific Conference on Automotive Engingeering.1991

[15]Green,John Source,Going into analysis,Automotive Engineer(London).v 24,n 1,Jan.1999