发动机曲轴多体动力学仿真分析

张 影,于 波,于惠力,王俊发

(1.黑龙江交通职业技术学院,哈尔滨 150000; 2.哈尔滨石油学院,哈尔滨 150000)

曲轴系统振动是引发内燃机振动的重要因素。运动过程中,曲轴上有作用大小、方向周期性变化的切向及法向作用力,使曲轴同时发生弯曲振动与扭转振动,造成振动及磨损,这也是内燃机的主要噪声来源,直接影响内燃机的可靠性及寿命,是设计过程中必须考虑的因素[1]。

将有限元分析法与多体动力学法相结合,对曲轴系进行动态特性仿真,应用ABAQUS与AVL Excite软件,对某发动机曲轴系进行自由模态分析,了解曲轴的振动特性,并进行曲轴柔性多体动力学分析,求得各零部件的动力学响应,使用瞬态法恢复出曲轴的动态应力并进行强度评价。

1 曲轴系振动特性分析

1.1 有限元模型

有限元建模是有限元分析的重要环节,模型正确与否及质量对有限元分析结果有很大影响[2]。曲轴系有限元模型包括曲轴、皮带轮及飞轮,各部件间节点耦合。为保证计算精度与网格规模,采用四面体二阶单元,模型如图1所示。

图1 曲轴系有限元模型

轴系各部件材料参数见表1。

表1 曲轴系材料参数

1.2 模态分析结果

自由模态考虑结构本身的一些特性,前6阶为刚体的平动及转动,即前6阶固有频率为零,所以分析结构自振频率及模态从非零模态开始[3]。由于高频振动模态对结构运动的贡献很小,可以忽略不计,低阶模态对结构振动响应贡献最大[4],因此分析前6阶非零模态。

曲轴系前6阶固有频率及振型见表2和图2。曲轴轴线定义为X轴,将第一曲拐朝上定义为Z轴。

表2 曲轴系统前6阶固有频率及振型

图2 曲轴系统前6阶振型

三缸发动机点火激励频率在21.25～152.5 Hz,该曲轴系统一阶扭转频率为326.5 Hz,因此曲轴系与发动机不会发生共振。

2 曲轴系统多体动力学分析

2.1 EXCITE PU仿真模型

将建立的曲轴系模型在有限元前处理软件HyperMesh中定义材料特性、边界条件等。应用软件将模型压缩至定义的主自由度节点上,获得子结构模型,供EXCITE PU模型使用。主轴承壁不是主要关注对象,为减少模型规模,将其简化成带孔方块,划分网格,设置主自由度节点等预处理,同样进行模型压缩,供EXCITE PU模型使用。

曲轴系EXCITE PU模型如图3所示。

图3 曲轴系EXCITE PU仿真模型

各转速全负荷气缸压力数据见图4。

图4 各转速全负荷气缸压力曲线

2.2 结果分析

利用AVL EXCITE PU可以获得时域内每个体的各个压缩自由度在相对坐标系与绝对坐标系下的位移、速度等参数,针对发动机10个工作转速(1500～6000 rpm)进行动态计算及分析。

2.2.1 扭振分析

在曲轴系旋转过程中,曲轴系与轴承座是弹性部件,部件间会产生瞬时速度变化,形成沿旋转方向的扭转振动,扭振分析是保证发动机NVH性能的重要手段。图5、图6为曲轴皮带轮端在各转速下水平方向与垂直方向的扭转振动曲线。对于一般用途的三缸四冲程发动机,自由端扭振振幅应小于0.07 rad,由结果可知,各转速下扭振振幅均在0.002 rad以下,在合格范围内。

图5 自由端水平方向扭转振动

图6 自由端垂直方向扭转振动

2.2.2 曲轴系动应力分析

曲轴系动应力分析包括一个完整的发动机循环的应力计算,应用EXCITE PU对曲轴进行动态应力恢复,得到每个转速下瞬态应力。瞬态图7为曲轴在一个循环中同一时刻各个转速的最大等效应力云图。

图7 曲轴最大等效应力云图

由图7可知,各转速下应力极值出现的位置依次为123连杆轴颈圆角,与发火顺序相符。曲轴最大等效应力值在327.1～422.9 MPa,4000 rpm时等效应力最大,出现在第四拐的曲柄销轴颈圆角处。最大等效应力小于材料屈服极限850 MPa,结构安全。

3 结论

曲轴系自由模态分析能够确定固有频率与振型,判断是否与发动机点火频率发生共振,结合试验或其他模拟仿真综合判断发动机NVH特性。对各转速下的扭振、动态应力进行计算,分析扭转振动及曲轴可靠性是否合理,若不合理可对曲轴的参数、尺寸、减震器等展开优化。通过动力学模拟可快速识别危险工况及危险位置,对曲轴系结构设计及改进提供支持。