发动机曲轴及曲柄连杆机构受力有限元分析
发动机曲轴及曲柄连杆机构受力有限元分析
发动机曲轴及曲柄连杆机构的受力分析是内燃机设计中的关键环节。本文将从运动学和动力学的角度，深入探讨曲柄连杆机构的受力情况，并结合有限元分析方法，为曲轴的设计提供理论依据和技术支持。
第1章 绪论
1.1 选题的目的和意义
内燃机作为现代工业的重要动力来源，其性能和可靠性在很大程度上取决于曲轴及曲柄连杆机构的设计。通过对曲柄连杆机构进行受力分析，可以优化曲轴结构，提高发动机的输出效率和使用寿命。
1.2 国内外的研究现状
目前，国内外学者在曲轴及曲柄连杆机构的受力分析方面已经取得了一定的研究成果。研究方法主要包括理论分析、实验测试和数值模拟等。随着计算机技术的发展，有限元分析方法已成为研究曲轴受力情况的重要手段。
1.3 设计研究的主要内容
本研究的主要内容包括：
- 对曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析，分析各种力的作用情况，并对主要零部件进行强度、刚度等方面的计算和校核。
- 分析曲轴等主要零部件的工作条件和设计要求，进行合理选材和尺寸设计。
- 应用Pro/E软件建立曲柄连杆机构的实体模型。
- 应用ANSYS软件进行有限元分析。
第2章 曲柄连杆机构受力分析
2.1 曲柄连杆机构的类型及方案选择
内燃机中采用的曲柄连杆机构主要有三种类型：
- 中心曲柄连杆机构：气缸中心线通过曲轴的旋转中心，这种型式应用最为广泛。
- 偏心曲柄连杆机构：气缸中心线垂直于曲轴的回转中心线但不通过回转中心，可以减小活塞侧压力。
- 主副连杆式曲柄连杆机构：通过主副连杆实现多列气缸的驱动，结构紧凑，适用于大功率发动机。
本设计选择中心曲柄连杆机构。
2.2 曲柄连杆机构运动学
中心曲柄连杆机构简图如图2.1所示。当曲柄按等角速度旋转时，活塞A点沿气缸中心线做往复运动，连杆AB则做复合的平面运动。
2.3 曲柄连杆机构中的作用力
- 气缸内工质的作用力：主要影响活塞的运动。
- 机构的惯性力：包括曲柄、连杆和活塞的惯性力。
第3章 曲轴的设计
3.1 曲轴的结构型式和材料的选择
曲轴的工作条件复杂，需要承受交变应力和冲击载荷。常用的材料有合金钢和球墨铸铁。
3.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计
曲轴的主要尺寸包括曲柄销直径、主轴颈直径、平衡重等。设计时需要考虑强度、刚度和加工工艺等因素。
3.3 曲轴的疲劳强度校核
通过计算名义应力，对曲轴进行疲劳强度校核，确保其满足设计要求。
第4章 曲轴的有限元分析
4.1 对Pro/E软件基本功能的介绍
Pro/E软件用于建立曲轴的三维实体模型，为后续的有限元分析提供几何模型。
4.2 曲轴的创建
通过Pro/E软件创建曲轴的三维模型，需要考虑曲轴的结构特点和尺寸要求。
4.3 对ANSYS软件的介绍
ANSYS软件用于进行有限元分析，可以模拟曲轴在实际工作条件下的受力情况。
4.4 曲轴的有限元分析
通过ANSYS软件对曲轴进行静力学分析，评估其强度和刚度性能。
结论
通过对曲轴及曲柄连杆机构的受力分析和有限元模拟，可以优化曲轴设计，提高发动机的性能和可靠性。本研究为内燃机设计提供了理论依据和技术支持。
参考文献
[1] 陈家瑞. 汽车构造（下册）. 机械工业出版社.
[2] 李明. 内燃机原理. 清华大学出版社.
[3] 王伟. 有限元分析基础. 北京航空航天大学出版社.
[4] 张强. Pro/E与ANSYS在机械设计中的应用. 电子工业出版社.