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基于多体动力学与油膜动力润滑耦合的机体强度分析研究
| 论文题名： | 基于多体动力学与油膜动力润滑耦合的机体强度分析研究 |
| 关键词： | 多体动力学;油膜动力润滑;完整机体模型;疲劳强度;汽车发动机 |
| 摘要： | 机体是发动机的骨架，其结构和承受载荷十分复杂，随着发动机的强化与轻量化程度的不断提高，国内外主要基于特殊工况点并采用经验加载方式和局部模型的研究方法已不能满足现代发动机设计研发要求。近年来基于多体动力学与油膜动力润滑耦合的曲轴瞬态强度研究逐渐兴起，但在发动机的正向设计开发过程中，将主轴承油膜压力映射至有限元模型具有一定的工程难度，而且对完整模型的建立方法和复杂动载荷加载方法缺少系统性研究，所以目前该方法在机体强度研究中鲜有应用。 本文以满足国五排放法规的某四缸柴油机为研究对象，基于多体动力学与油膜动力润滑的耦合方法对整体模型的机体强度及可靠性计算方法进行了系统研究。首先，根据一般形式的雷诺方程对考虑轴颈倾斜的径向滑动轴承的雷诺方程进行了推导，获得了轴承动力学与润滑耦合作用的控制方程，对应用有限差分法求解雷诺方程进行了详细推导，同时推导出了油膜反力、油膜反力矩的数值积分计算方法。其次，在润滑理论与多体动力学理论基础上，应用模态缩减技术建立了发动机的多体动力学分析模型，采用 EHD（Elasto-hydrodynamics）轴承单元实现多体动力学与油膜动力润滑耦合，获取了主轴承油膜压力与活塞侧向力等载荷边界。然后，基于完整机体模型的主轴承壁强度与疲劳安全系数计算分析，应用载荷壳单元实现了油膜压力映射，并与主轴承集中加载荷方法进行了对比。之后，建立起包括缸盖、机体的完整有限元模型，基于多体动力学与油膜动力润滑耦合计算结果，深入研究了装配载荷、热载荷和各危险工况动载荷的计算及加载方法，实现了包括完整载荷边界的完整机体组模型的强度计算和疲劳计算，得到了整个机体应力应变分布与安全系数分布情况。最后，对采用本文研究方法设计的第一代样机进行了性能测试及400小时交变负荷可靠性试验。 综合数值计算与试验分析得出：采用柔性薄壳体可以高效准确实现油膜压力映射，相比节点耦合集中加载，油膜压力映射能够全面反映主轴承实际受力情况；基于多体动力学与油膜动力润滑耦合的完整机体组强度分析模型能够全面直观反映机体可靠性，热载荷、侧向力和燃气压力对机体顶部缸盖螺栓搭子与缸壁连接过渡区应力有较大影响，而对曲轴箱及其下部结构应力影响不大，可以采用简化模型进行主轴承壁分析，但应考虑适当增大安全阈值；试验中发动机动力性与经济性各项指标均达到了设计要求，可靠性试验后机体及相关部件未出现裂纹、断裂等强度和疲劳问题，验证了本文分析方法的可行性和可靠性。 |
| 作者： | 唐瑞东 |
| 专业： | 动力机械及工程 |
| 导师： | 徐玉梁 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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