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某型船用柴油机曲轴概要设计及优化
| 论文题名： | 某型船用柴油机曲轴概要设计及优化 |
| 关键词： | 柴油机;曲轴;概要设计;结构优化;结合算法 |
| 摘要： | 曲轴是船用柴油机的重要零部件，其工作性能极大程度上决定了整个柴油机的工作性能。同时，也间接影响着整艘船舶的基本工作性能，可喻为船舶的“心脏”部件。所以，船用柴油机曲轴系的优化设计成为人们重点研究和关注的目标。在优化设计中，曲轴系的力学性能表征着整个机器工作的性能。因而对其进行有效的分析计算倍受关注，成为船用柴油机研制阶段的重要内容。 本文将某船用柴油机曲轴作为研究对象，进行概要设计及优化。 首先，针对概念设计阶段的曲轴设计参数进行常规计算，整体分析其动力学，疲劳强度，扭转振动特性。利用Visual Basic Applicant设计编译概要设计软件。同时，利用Creo，ANSYS Workbench软件对其进行建模及应力计算结果的校验，基于理论公式的计算结果虽较为保守但能够满足概要设计需求。 第二，先介绍了各类主流优化算法中所具有代表性的几种具体方法。并利用iSIGHT软件的优化算法平台与概要设计软件相结合。在概要设计阶段对曲轴系的尺寸参数进行优化，依据实际生产制造中各类曲轴的特点，分析制定尺寸参数的变化幅度作为边界条件，并对参数定义域离散化取值。以iSIGHT软件的各类优化算法为依托，实现曲轴概要设计的快速优化，相对有限元的长时间反复计算节省了时间。 第三，基于iSIGHT优化结果，本文利用PTC Creo建立的参数化模型。使用ANSYS Workbench有限元工具对其优化前后的结构进行分析比较。着重查看其弯曲状态，扭转状态下的结构强度，疲劳寿命及安全系数。并由此评价iSIGHT的优化计算方法与曲轴概要设计的结合对结构的实际改善效果。 最后，基于均匀化方法的拓扑优化数学理论，利用ANSYS Workbench软件对曲轴单位曲拐模型进行拓扑优化设计。编译APDL程序剥离相对密度值低的单元格，从而获取分析所得的拓扑形状。并对其进一步作有限元分析，查看在不同减重优化目标值下，所得到的拓扑优化模型在弯曲，扭转载荷下的应力状态及安全系数。由此大致预测该机型曲轴结构在拓扑优化下的变化趋势，并结合导出的实体模型，为此后进一步作曲轴概要设计创新提供参考。同时，另一方面，探索性地计算了在初始优化时，结构形状非特定的情况中，随着载荷的自主驱动，曲轴结构的拓扑优化趋势，结果可见其变化与多类经典曲轴结构相近，一定程度上反映了曲轴结构设计随材料，强度发展的演化趋势。对概要设计阶段，进行曲轴结构创新提供了参考。 本文通过对船用柴油机曲轴的概要设计及过程中的优化计算。探讨了结合算法的快速概要设计计算以及利用曲轴基本结构尺寸的拓扑优化方法的有效性。为发动机曲轴概要设计优化提供参考方向及思路。 |
| 作者： | 莫静 |
| 专业： | 动力工程 |
| 导师： | 崔毅;陈志忠 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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