| 专利名称： | 一种高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法 | ||
| 专利名称(英文)： | Crankshaft three-dimensional kinetic analysis method efficient and quick in optimization | ||
| 专利号： | CN201410351554.6 | 申请时间： | 20140723 |
| 公开号： | CN104102786A | 公开时间： | 20141015 |
| 申请人： | 上汽通用五菱汽车股份有限公司 | ||
| 申请地址： | 545007 广西壮族自治区柳州市柳南区河西路18号 | ||
| 发明人： | 王磊; 黄忠文; 唐海娇; 王丹; 黄勇和 | ||
| 分类号： | G06F17/50 | 主分类号： | G06F17/50 |
| 代理机构： | 深圳市科吉华烽知识产权事务所(普通合伙) 44248 | 代理人： | 孙伟 |
| 摘要： | 本发明涉及发动机设计领域，尤其涉及一种高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法。本发明提供一种高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法，包括以下步骤：A、收集发动机及曲轴系零部件相关数据；B、使用ExicitePowerUnit模块搭建曲轴分析模型；C、对主轴承座进行网格划分，并进行模型缩减；D、对曲轴进行自动网格划分，并进行模型缩减；E、计算载荷边界条件；F、使用Abaqus进行曲柄臂应力计算；G、对曲轴连杆颈和主轴颈圆角进行网格划分；H、使用Abaqus进行曲轴连杆颈和主轴颈圆角应力计算；I、分析计算结果。本发明能减少大量时间和人力；保证网格质量，同时减少大量时间消耗；分析模型建立快速；计算所耗时间缩短，计算结果收敛，效率高。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention relates to the field of engine design, in particular to a crankshaft three-dimensional kinetic analysis method efficient and quick in optimization. The crankshaft three-dimensional kinetic analysis method efficient and quick in optimization includes the steps : A, collecting relevant data of an engine and parts of a crankshaft system; B, using an Exicite Power Unit module to set up a crankshaft analysis model; C, subjecting a main bearing seat to meshing and model reduction; D, subjecting a crankshaft to automatic meshing and model reduction; E, calculating load boundary conditions; F, using Abaqus for stress calculation of a crankshaft arm; G, subjecting a crankshaft connecting rod neck and a main journal circular bead to meshing; H, using Abaqus for stress calculation of the crankshaft connecting rod neck and the main journal circular bead; I, analyzing calculation results. The crankshaft three-dimensional kinetic analysis method efficient and quick in optimization has the advantages that plenty of time and manpower can be saved; mesh quality is guaranteed while time consumption can be greatly reduced; quickness in construction of the analysis model is achieved; time consumed for calculation is shortened, and convergence of the calculation results and high efficiency are achieved. | ||
1.一种高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法，其特征在于：包括以下步骤： A、收集发动机及曲轴系零部件相关数据； B、使用Exicite Power Unit模块搭建曲轴分析模型； C、对主轴承座进行网格划分，并进行模型缩减； D、对曲轴进行自动网格划分，并进行模型缩减； E、计算载荷边界条件； F、使用Abaqus进行曲柄臂应力计算； G、对曲轴连杆颈和主轴颈圆角进行网格划分； H、使用Abaqus进行曲轴连杆颈和主轴颈圆角应力计算； I、分析计算结果。
2.根据权利要求1所述的高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法，其特征在于：所述步骤B中使用Exicite PU模块的Bearing Wall和Generic Body单元。
3.根据权利要求1所述的高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法，其特征在于：所述步骤B中将活塞的质量特性增加到连杆小头端。
4.根据权利要求1所述的高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法，其特征在于：所述步骤B中，引入Bearing Wall单元来表示主轴承座，通过轴承连接副将曲轴与主轴承座连接起来。
5.根据权利要求1所述的高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法，其特征在于：所述步骤E的载荷边界条件是在输入各工况下的爆发压力曲线后取得的。
6.根据权利要求1所述的高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法，其特征在于：所述步骤I分析计算结果，根据结果分析是否满足设计要求，如不满足，还需要进行适当的结构优化。
1.一种高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法，其特征在于：包括以下步骤： A、收集发动机及曲轴系零部件相关数据； B、使用Exicite Power Unit模块搭建曲轴分析模型； C、对主轴承座进行网格划分，并进行模型缩减； D、对曲轴进行自动网格划分，并进行模型缩减； E、计算载荷边界条件； F、使用Abaqus进行曲柄臂应力计算； G、对曲轴连杆颈和主轴颈圆角进行网格划分； H、使用Abaqus进行曲轴连杆颈和主轴颈圆角应力计算； I、分析计算结果。
2.根据权利要求1所述的高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法，其特征在于：所述步骤B中使用Exicite PU模块的Bearing Wall和Generic Body单元。
3.根据权利要求1所述的高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法，其特征在于：所述步骤B中将活塞的质量特性增加到连杆小头端。
4.根据权利要求1所述的高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法，其特征在于：所述步骤B中，引入Bearing Wall单元来表示主轴承座，通过轴承连接副将曲轴与主轴承座连接起来。
5.根据权利要求1所述的高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法，其特征在于：所述步骤E的载荷边界条件是在输入各工况下的爆发压力曲线后取得的。
6.根据权利要求1所述的高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法，其特征在于：所述步骤I分析计算结果，根据结果分析是否满足设计要求，如不满足，还需要进行适当的结构优化。
翻译：技术领域
本发明涉及发动机设计领域，尤其涉及一种高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法。
背景技术
曲轴是发动机最重要的零部件之一，它的尺寸参数在很大程度上不仅影响着发动机的整体尺寸和重量，而且在很大程度上影响着发动机的可靠和寿命。曲轴的破坏事故可能引起其他零部件和发动机的严重损坏。在发动机的改进中，曲轴的改进也占有重要地位。随着内燃机的发展与强化，曲轴的工作条件愈加苛刻。因此，曲轴的强度和刚度问题就变得更加严重，在设计曲轴时必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构形式、材料和工艺，以求获得最经济最合理的效果。
曲轴是在不断周期变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩（转矩和弯矩）共同作用下工作的，曲轴既弯曲又扭转。曲轴形状复杂，应力集中现象严重，特别是在曲轴轴颈与曲柄的圆角过渡区域应力集中现象更为突出。因此,在发动机设计过程中,对该区域将进行高效快速的动力学计算是非常有必要的。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种耗时短、效率高、可靠性高的高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法。
本发明采取的技术方案为提供一种高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法，包括以下步骤：
A、收集发动机及曲轴系零部件相关数据；
B、使用Exicite Power Unit模块搭建曲轴分析模型；
C、对主轴承座进行网格划分，并进行模型缩减；
D、对曲轴进行自动网格划分，并进行模型缩减；
E、计算载荷边界条件；
F、使用Abaqus进行曲柄臂应力计算；
G、对曲轴连杆颈和主轴颈圆角进行网格划分；
H、使用Abaqus进行曲轴连杆颈和主轴颈圆角应力计算；
I、分析计算结果。
作为本发明的进一步改进，所述步骤B中使用Exicite PU模块的Bearing Wall和Generic Body单元。
作为本发明的进一步改进，所述步骤B中将活塞的质量特性增加到连杆小头端。
作为本发明的进一步改进，所述步骤B中，引入Bearing Wall单元来表示主轴承座，通过轴承连接副将曲轴与主轴承座连接起来。
作为本发明的进一步改进，所述步骤E的载荷边界条件是在输入各工况下的爆发压力曲线后取得的。
作为本发明的进一步改进，所述步骤I分析计算结果，根据结果分析是否满足设计要求，如不满足，还需要进行适当的结构优化。
本发明的有益效果是：采用了本发明的分析方法后，不需要对复杂零部件进行网格划分，减少大量时间和人力； 可以对曲轴进行自动网格划分，保证网格质量，同时减少大量时间消耗； 分析模型建立快速；计算所耗时间缩短，计算结果收敛，效率高。
附图说明
图1是本发明高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法的流程图；
图2是本发明高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法的分析模型示意图；
图3是本发明高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法主轴承座有限元模型图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示， 本发明提供一种高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法，包括以下步骤：
A、收集发动机及曲轴系零部件相关数据；发动机结构信息如缸数、冲程、点火顺序等，以及曲轴系零件活塞、连杆、轴承、曲轴等零件的相关信息；
B、使用Exicite Power Unit模块搭建曲轴分析模型；不使用Engine/Power Unit和Piston单元，使用Bearing Wall单元，引入Generic Body单元。在Excite Power Unit模块中，按照图2所示的示意图搭建分析模型。在分析模型中，不使用发动机Engine或动力总成Power Unit单元，这样就不用对缸体、缸盖、油底壳、前端盖和变速箱等复杂零件划分网格，以及进行网格文件缩减计算。众所周知，CAE分析中，网格划分占据大量时间和精力，尤其是复杂零件。不划分网格，节省了大量时间，使得分析周期大大缩短。
在模型中，不使用活塞Piston单元，而将活塞的质量特性增加到连杆小头端。活塞在曲轴的动力学分析过程中主要考虑其往复惯性作用的影响，而在分析过程中连杆有往复惯性作用及旋转惯性作用，因此，在本发明专利中将活塞的往复惯性作用与连杆的往复惯性作用合并考虑，减少模型中单元数量，缩短计算求解时间。
在分析模型中，引入Bearing Wall单元来表示主轴承座，通过轴承连接副将曲轴与主轴承座连接起来。对主轴承座进行网格划分，主轴承座结构比较简单，容易划分网格，如图3所示。使用Abaqus对网格文件进行缩减计算。几个主轴承座共用同一个主轴承座网格缩减文件，节约不少时间。
将发动机结构信息及曲轴系零件信息输入模型。
C、对主轴承座进行网格划分，并进行模型缩减；使用Excite PU生成子系统网格缩减计算输入文件；
D、对曲轴进行自动网格划分，并进行模型缩减；使用Excite Power Unit模块中的Autoshaft功能，将曲轴进行自动网格划分和缩减计算。
E、计算载荷边界条件；
F、使用Abaqus进行曲柄臂应力计算；输入各工况下的爆发压力曲线，得到各工况下的载荷信息。使用Excite Power Unit的FE Analysis功能，得到曲柄臂应力计算的.inp输入文件。
G、对曲轴连杆颈和主轴颈圆角进行网格划分；
H、使用Abaqus进行曲轴连杆颈和主轴颈圆角应力计算；用Excite Power Unit模块中的Fillet Modeler功能，对曲轴连杆颈和主轴颈圆角进行自动精细网格划分。在FE Analysis中将精细圆角网格文件与曲柄臂网格文件融合，使用Abaqus对轴颈圆角进行应力计算。
I、分析计算结果。根据计算结果对曲轴系进行评价，如不满足设计要求，还需要进行优化，重新进行计算。满足，则完成分析。
所述步骤B中使用Exicite PU模块的Bearing Wall和Generic Body单元。
所述步骤B中将活塞的质量特性增加到连杆小头端。
所述步骤B中，引入Bearing Wall单元来表示主轴承座，通过轴承连接副将曲轴与主轴承座连接起来。
所述步骤E的载荷边界条件是在输入各工况下的爆发压力曲线后取得的。
所述步骤I分析计算结果，根据结果分析是否满足设计要求，如不满足，还需要进行适当的结构优化。
本发明在模型中不使用Engine/Power Unit单元，不用对缸体、缸盖、油底壳、前端盖、变速箱等零件进行网格划分，大量减少时间；模型中不使用Piston单元，将其质量属性赋予连杆小头上，减少单元数量。模型中使用Bearing Wall单元，将主轴承座进行网格划分，使用Abaqus对网格文件进行缩减计算，主轴承座可以共用1个网格缩减文件，节省时间。
该方法基于Excite Power Unit软件，使用Hypermesh、Abaqus软件对发动机曲轴动力学进行分析计算，得到关注区域的应力分布。实践表明，该方法对于评价和优化发动机曲轴设计是快速有效的。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
