基于VC++和ANSYS接口的高效率曲轴有限元分析系统

?28?

重型机械

2004No.5

?试验研究与应用?

基于VC++和ANSYS接口的高效率曲轴有限元分析系统

薛隆泉1,王玉秋1,刘荣昌2,张红军1,王慧武1

(1.西安理工大学机械与精密仪器学院,陕西西安710048;2.河北科技师范学院机械电子系,河北秦皇岛066600)

摘要:利用VisualC++6.0及ANSYS提供的二次开发工具APDL,开发了界面友好的高效率曲轴有限元分析系统。借助VC++前台开发友好、方便、易用的人机交互界面,对复杂、难于理解和掌握的ANSYS命令流进行后台封装,能够大大减少曲轴研究与设计的工作量。

关键词:VC++;A骶、YS;高效率;曲轴;有限元分析中圈分类号:TB422

文献标识码:A

文章编号:1001—196X(2004)05~0028—04

HighefficiencycrankshaftFAEsystembased

on

VC++andANSYSinterface

XUE

Long-quanl,WANG

Yu-qiul,LIURong-chan92,ZHANG

Hong-junl,WNAG

Hui—wul

(1.Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China;

2.HebeiNormalUniversityofScience

andTechnology,Qinhuangdao066600,China)

Abstract:Ahi幽dfidencycrankshafttEAsystemis

d州cved

byusingV'rsualC++6.0

andAPDLwhichis

se旺舯∈Iary

develolxnmttoolprovidedby

ANSYS.The

friendly

omvenientandflexiblen璩n—nlacKneeonvefsationin—

ter[aeeisdevdopedbyV'Lsmlc+十6.0f(茁e∈9哪mdandtheo:rnpkted

andindigestibleANSYSomamand

Stn狮is

encapsulatedin

bacMround.Sothesystmacan

reduceoxnkshaftstudyanddesign

w呵蝴largely.

Keywords:VC++:ANSYS;high

efficiency;crankshaft;FEA

引言

曲轴是汽车拖拉机发动机中最重要而且承载

最复杂的零部件,被称为发动机的心脏,其结构参数和加工工艺水平不仅影响着整机的尺寸和重量,而且在很大程度上影响着发动机的可靠性与寿命,因此,曲轴的强度研究是内燃机设计、制造中必不可少的。由于曲轴结构复杂,建立在精度较高的曲轴实体模型基础上的强度研究一般要借助大型通用有限元软件。以往的曲轴强度研究往往是针对某一具体型号的曲轴[1,2J,在设计新产品或对发动机进行增压、扩缸等机型改造时,校核曲轴的强度或改进曲轴的设计需要对曲轴进

收稿日期:2004—07—10

作者筒介:薛隆泉(1948一),男,西安理工大学机械与精密

仪器工程学院教授。博士,学科带头人。

行重新建模、重新加载和计算。这不仅延长了产品设计周期,也使其可靠性大打折扣。本文在对曲轴有限元模型进行研究论证的基础上,开发了基于VC++和ANSYS接口的高效率曲轴有限元分析系统,工程技术人员只需具有一定的曲轴设计经验,就可使用该系统进行曲轴的参数化设计与有限元分析,从而能够大大减少曲轴研究与设计的工作量,提高产品的质量。本系统在进行发动机增压、扩缸等机型改造,需要小范围改进曲轴的设计尺寸并校核曲轴的强度时尤为高效。

2系统目标、原则和功能介绍

2.1系统设计目标

APDL语言是ANSYS软件提供的参数化设计语言[3】3。使用APDL语言可以更加有效地进行分析计算,较轻松地进行自动化工作(循环、

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分支、宏等结构),是一种高效的参数化建模手段。使用APD乙语言进行封装的系统只要求操作人员输入前处理参数,然厨自动运行ANSYS进行求解。但完全用APDL编写的宏存在以下不足:①用APDL语言较难控制程序的进程。虽然它提供了循环语句和条件判断语句,但总的来说还是难以用来编写结构清晰的程窿;②剩孀PDL虽然熊够进行简单的界面设计,但其功能不够强大,交互性不够流畅。

考虑到嗵轴结构受力的复杂性,结构、载荷、材料参数类型和数量较多,本文利用VC十+6.0对ANSYS进行封装,即用VC++6。0对ANSYS进行二次开发。用户只需选择曲轴类型襁埝入诸鲡凿柄臂、主辘颈、连轷辘颈参数等,系统就能自动调用ANSYS计算程序,进行网格

图1系统工作流程和原理划分、加载以及求解。借助VC++前台开发友好、方便、易用的入槐交互界面,对复杂、难予理解和掌握的ANSYS命令流进行后台封装,用户只需在前臼界面的引导下输入必需的尺寸、材料性熊和载胬参数,即霹调用悬台的ANSyS命令进行计算,分析计算后把计算结果返回给用户,进行后处理。系统具有较强的处理实际阖题能力,即使从未认真学习过ANSYS软件的工程设计入员也髓很好地借助本系统进行睦轴结构有限元玲析。系统工作流程和原理参见图1。

2.2系统设计原则

系统设计以方便、易用、可靠为原则。暴露导航部分利用VC十+开发基于对话框的应用程序,提供标准鹃Windows图形用户爨露(GUI),引导用户输入各种类型的参数;核心计算部分在对逮辘有限元模銎进行研究论证的基础上,归纳、总结,借鉴稳定、可靠、精度较高的曲轴有限元建模方法和分析经验,并迸行分模块的封装;整个系统具有良好的容错和纠错能力,避免用户操作不当造成损失。

2.3系统功蘸贫鳃

(1)能够适应大多数类型曲轴的有限元计算,蔫户可以根据实际情况,选择隧轴类型。馥轴有按支撑方式、按气缸排列和按气缸数分类等。最后按发动机点火顺序分为若干个计算模块。依靠类型导航界面引导用户进人相应的计算模块进行曲轴的参数化建模与分析。

(2)用户选择好具体凿轴类型惑进入曲辘的参数输入界面(图2)输入各种参数,如大曲臂、

鼹2参数输入界藤

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连杆等。进行计算之前可以对输入的数据进行修改、添加和删除操作,以保证输入正确的参数。

(3)由类型导航界面所选择的核心计算模块,根据用户在参数输入界面输入的各种参数,自动在后台进行曲轴的建模和分析计算(批处理方式运行),最后得到计算结果文件,供用户进行后处理和结果分析。

(4)系统具有良好的可移植性,不依赖于特定的硬件设备,能安装ANSYS和VC++6.0的硬件环境都能使用本系统,保证程序使用的广泛性。

3直列四缸曲轴(发火次序1—3—4—2)分析示例

3.1模型的自动建立

在各个分析计算模块内部,利用ANSYS的二次开发语言APDL完成了参数化建模。针对不同类型的曲轴建立了曲轴实体特征库。采用参数化控制,设计人员只需根据不同的特征键人相应的参数,程序内部自动通过布尔操作,就可以快速实现曲轴的参数化建模。图3为根据480Q曲轴(直列四缸,发火次序1—3—4—2)的主轴颈、曲柄臂、连杆轴颈、连杆中心距、油孔等用户输入的基本参数所创建的曲轴整体三维模型。

图3480Q曲轴整体三维模型(已分网)

3.2载荷计算方法和约束边界的处理3.2.1载荷的计算方法

(1)活塞组件惯性力的计算[4|。由图4,活塞组件的往复惯性力沿连杆方向的分力(以向上为正方向)为

F活塞:圣型望些垡当型(1)

啦塞2—■万iA焉瑟_u’

V工一一&n二口式中,口为曲轴转角;A为曲柄半径与连杆长度之比;mj为在活塞销中点做往复运动的质量(包括活塞、活塞环、活塞销和活塞销卡环)。

图4曲柄连杆简图

(2)气体作用力。气缸内气体在0。~720。转角范围内的变化非常复杂,受很多因素的影响,气体作用力沿连杆方向的分力为

F气体=(以一Po)?署D2佃卢(2)式中卢为连杆摆角;D为缸径;Pg为缸内气体的绝对压强;Po为曲轴箱气体的绝对压强。

(3)曲柄受力。如图5示,F活塞和F气体沿曲柄方向的作用力R及垂直于曲柄方向作用力F下分别为:

R=F惯性力+(一F气体+F活塞)?COS(口+p)

(3a)FT=(一F气体+F活塞)?sin(口+p)(3b)

吩¨

一才一

弋、

图5曲柄受力简图

(4)曲轴旋转所产生的离心力作为危速度载荷,曲轴自重作为重力加速度载荷加到其有限

元模型中。命令如下:

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OMEGA,200,0,0

ACEL,0,9800,0

3.2.2约束边界条件的处理

对于主轴颈支撑表面一定角度范围内的节

点,限制其沿y向运动的自由度;曲轴与飞轮

相连端节点限制其转动自由度;自由端止推面处

节点限制其轴向自由度。

3.3运行结果

以第一缸爆发为计算工况,即按参数输入界

面输人图2所示的参数,得到480Q曲轴的变形

与应力分布情况分析如下。图8圆角部位的Mises等效应力云图3.3.1变形分析

曲轴各部分在轴向方向(x方向)的位移

量在0.00929~0.01525FfUTt范围内,在左边平

衡块下端有最大的轴向位移,其值为0.01525

Inln(见图6)。

图6480Q曲轴x方向的位移

3.3.2应力分析

图7为整个曲轴的等效应力云图,由图可见,等效应力主要分布在连杆轴颈、主轴颈及其过渡圆角等局部区域,最大等效应力盯一=72.739SPa,发生在第一主轴颈与下部曲柄的过渡圆角处(图8)。第一缸连杆轴颈与连杆轴瓦接触处受力较大,因而该部位压应力数值较大(见图9),其值在24.339~67.322MPa之间。应力分析结果表明:曲轴圆角处所受应力最大,是整个曲轴最危险的部位,应采取一定的表面处理手段进行强化。

图74800.等效应力云图4小结

图9最大压应力处

经过二次开发的参数化曲轴强度分析系统具有效率高、可靠性好的优点。同时,利用实体造型技术不仅能够使曲轴自动建模,并且还可以对其体积、重心、惯性矩和惯性积等物性参数实施计算和分析,为进行强度、动平衡计算、有限元分析等提供了依据,减轻了工作量,使得工程技术人员经过简单的培训就可运用该系统完成曲轴的强度分析。

参考文献:

[1]尹建民,王德海,袁银南等。X6135柴油机曲轴强度的三维有限元研究[J].内燃机工程,1997,

19(2):71~86.

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清华大学出版社,1989.

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