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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
設(shè)計(jì)（論文）題目: 4G63發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸設(shè)計(jì)及有限元分析
院 系 名 稱: 汽車(chē)與交通工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級(jí): BW車(chē)輛07-5班
學(xué) 生 姓 名: 王 勐
導(dǎo) 師 姓 名: 朱榮福
開(kāi) 題 時(shí) 間: 2011年2月28日
指導(dǎo)委員會(huì)審查意見(jiàn)：
簽字： 年 月 日
開(kāi)題報(bào)告撰寫(xiě)要求
一、“開(kāi)題報(bào)告”參考提綱
1. 課題研究目的和意義；
2. 文獻(xiàn)綜述（課題研究現(xiàn)狀及分析）；
3. 基本內(nèi)容、擬解決的主要問(wèn)題；
4. 技術(shù)路線或研究方法；
5. 進(jìn)度安排；
6. 主要參考文獻(xiàn)。
二、“開(kāi)題報(bào)告”撰寫(xiě)規(guī)范
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
學(xué)生姓名
王勐
系部
汽車(chē)與交通工程學(xué)院
專業(yè)、班級(jí)
車(chē)輛工程07-5
指導(dǎo)教師姓名
朱榮福
職稱
講師
從事
專業(yè)
車(chē)輛工程
是否外聘
□是■否
題目名稱
4G63發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸設(shè)計(jì)及有限元分析
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷強(qiáng)化，曲軸的工作條件愈加苛刻，保證曲軸的工作可靠性至關(guān)重要，其設(shè)計(jì)是否可靠，對(duì)柴油機(jī)的使用壽命有很大影響，因此在研制過(guò)程中需要給予高度重視。由于曲軸的形狀及其載荷比較復(fù)雜，對(duì)其采用經(jīng)典力學(xué)的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析往往有局限性。有限元法是根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的一種數(shù)值計(jì)算方法，是分析各種結(jié)構(gòu)問(wèn)題的強(qiáng)有力的工具，使用有限元法可以方便地進(jìn)行分析并為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
基于幾何模型的網(wǎng)格生成，可以通過(guò)制定不同區(qū)域的單元大小，是網(wǎng)格密度合理?；谌S實(shí)體模型建立有限元網(wǎng)格符合現(xiàn)代CAD并行工程的要求?，F(xiàn)代CAD并行工程要求分析模型能充分利用設(shè)計(jì)主模型，并與設(shè)計(jì)主模型相關(guān)一致。顯然這樣極大地提高了分析結(jié)果的可信度，同時(shí)也大大提高了有限元網(wǎng)絡(luò)模型的生成速度和分析效率，節(jié)約了大量的時(shí)間和人力。這對(duì)于有限元實(shí)際運(yùn)用具有重要意義，目前通過(guò)許多大型CAD軟件，人們可以不加簡(jiǎn)化的建立汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的許多復(fù)雜零部件的有限元網(wǎng)絡(luò)模型。盡管有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，出現(xiàn)了大量的不同的實(shí)現(xiàn)方法，如應(yīng)設(shè)法、布點(diǎn)及三角化法、拓?fù)浞纸夥?、幾何分解法、基于柵格法等等，但是所有的這些方法在大規(guī)模復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用上仍然具有許多困難。突出的表現(xiàn)在兩方面：一是幾何元素過(guò)多，是的現(xiàn)有算法一次自動(dòng)生成其有限元網(wǎng)格需要高性能、高配置的硬件，現(xiàn)在算法難以實(shí)現(xiàn)；二是有些幾何元素太復(fù)雜或者幾何元素尺寸的大小相差懸殊，導(dǎo)致現(xiàn)有算法失效或者生成網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量欠佳。
在現(xiàn)有條件下，解決上述問(wèn)題的一個(gè)有效途徑就是引入非流形幾何建模技術(shù)，將原有幾何模型在拓?fù)渖贤ㄟ^(guò)內(nèi)部邊界分解為多幾個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的拓?fù)渥佑?，由于非流形模型可以?shí)現(xiàn)內(nèi)部邊界的直接查詢，故在利用現(xiàn)有算法對(duì)分解后的各個(gè)子域進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)相鄰邊界的劃分錯(cuò)誤。由此可以實(shí)現(xiàn)子域的各個(gè)擊破，并最終完成大規(guī)模復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。因此實(shí)際上增強(qiáng)了各種有限元網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)生成技術(shù)的功能，拓寬了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中可分析零件的范圍。
解決上述問(wèn)題的另一條有效途徑是，現(xiàn)將結(jié)構(gòu)劃分成某些區(qū)域節(jié)點(diǎn)并不連續(xù)的有限元網(wǎng)格，再通過(guò)施加節(jié)點(diǎn)間位移約束消除模型變形的不協(xié)調(diào)。另外部分大型軟件不僅可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)零件基于幾何模型的有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成，對(duì)裝配模型的有限元網(wǎng)格的建立或多零件的有限元網(wǎng)格的模型裝配也可以方便的實(shí)現(xiàn)。
而目前汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中最復(fù)雜的零部件包括曲軸，可根據(jù)CAD實(shí)體模型直接建立非常精確的有有限元網(wǎng)絡(luò)模型，為這些先前幾乎無(wú)法進(jìn)行可靠計(jì)算的零部件，提供了一條可行的設(shè)計(jì)途徑。
曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要、載荷最大的零件之一。曲軸承受著氣缸內(nèi)的氣體壓力及往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力引起的周期性變化的雜合，并對(duì)外輸出扭矩，理論和實(shí)踐表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸的破壞形式主要是彎曲破壞。因此在曲軸內(nèi)產(chǎn)生交變的彎曲應(yīng)力，可以引起曲軸疲勞失效，而一旦曲軸失效，就可能引起其他零件隨之破壞。所以對(duì)于整體式多缸曲軸，如何比較準(zhǔn)確地得到應(yīng)力、變形的大小及分布，對(duì)用于指導(dǎo)曲軸的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，具有重要意義。
根據(jù)名義應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算曲軸應(yīng)力的傳統(tǒng)方法盡管在理論和方法上得到了一定的發(fā)展，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元技術(shù)在曲軸的強(qiáng)度研究中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，已有許多文獻(xiàn)利用有限元方法的出了較為有效的結(jié)果。但總體來(lái)看，已有的曲軸有限元分析的研究對(duì)象都是針對(duì)某種具體型號(hào)曲軸，而且從模型和邊界條件的處理上存在較大的差別：在模型方面，二維平面模型和三維的單拐、1/4和1/2拐乃至整體模型都有采用，在和處理上一般只考慮了單一受載情況，而忽略了扭矩和慣性力的作用，連桿軸徑表面作用力和主軸頸約束采用不同的簡(jiǎn)化處理方法。
隨著計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了開(kāi)發(fā)對(duì)象的自動(dòng)離線及有限元分析結(jié)果可視化顯示的熱潮，使有限元分析的“瓶頸”得以逐步解決。對(duì)象的離散從手工到全自動(dòng)，從簡(jiǎn)單對(duì)象的一維單一網(wǎng)絡(luò)到復(fù)雜對(duì)象的多維多種網(wǎng)絡(luò)單元，從單材料到多種材料，從單純的離散到自適應(yīng)離散，從對(duì)象的性能校核到自動(dòng)適應(yīng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、分析。這些重大的發(fā)展使有限元分析拜托了僅為性能校核的工具的原始階段計(jì)算結(jié)果的可視化顯示從簡(jiǎn)單的應(yīng)力、位移和溫度場(chǎng)等的靜動(dòng)態(tài)顯示、色彩色調(diào)顯示，一躍變成對(duì)模型可能出現(xiàn)缺陷的位置、形狀、大小以及可能波及區(qū)域的顯示。這種從抽象數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)形象化現(xiàn)實(shí)的飛躍，是現(xiàn)在甚至將來(lái)計(jì)算程序設(shè)計(jì)、分析的重要組成部分。
有限元法隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，在包括汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的幾乎所有工程領(lǐng)域得到愈來(lái)愈廣泛的運(yùn)用。有限元技術(shù)的出現(xiàn)，為工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了一個(gè)強(qiáng)有力的計(jì)算工具，經(jīng)過(guò)迄今約辦半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，它已日趨成熟使用，在近乎所有的工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。而汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)是有限元技術(shù)最早的應(yīng)用領(lǐng)域之一。有限元技術(shù)的應(yīng)用提高了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)的可靠性，縮短了設(shè)計(jì)周期，大大推動(dòng)了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)的發(fā)展。
現(xiàn)今，高性能的產(chǎn)品需要有高水品的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)技術(shù)是決定產(chǎn)品性能的關(guān)進(jìn)因素之一。隨著科技的進(jìn)步和使用要求的不斷提高，設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段也不斷改善，以經(jīng)驗(yàn)和試制、實(shí)驗(yàn)為典型特征的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代產(chǎn)品對(duì)性能的需求，取而代之的是以計(jì)算機(jī)為基本工具，以數(shù)值仿真分析為主要手段的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法的廣泛應(yīng)用。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)是典型的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)研究具有代表性意義。曲軸是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)至今為止關(guān)鍵的部件之一，其性能優(yōu)劣直接影響著汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和壽命，所以利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)曲軸設(shè)計(jì)及生產(chǎn)有著積極的指導(dǎo)作用。實(shí)現(xiàn)了曲軸建模和分析計(jì)算的自動(dòng)化、智能化。
二、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問(wèn)題
1.基本內(nèi)容
1）確定發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)
2）運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算
3）曲軸零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4）應(yīng)用軟件實(shí)體建模
5）對(duì)模型進(jìn)行有限元分析
2.擬解決的主要問(wèn)題
1）發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的數(shù)據(jù)獲得、計(jì)算。
2）為滿足應(yīng)力應(yīng)對(duì)曲軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3）利用有限元分析需要進(jìn)行實(shí)體模型的創(chuàng)建，用以參數(shù)化，模型的網(wǎng)格劃分以及邊界條件的施加。
三、技術(shù)路線（研究方法）
完成設(shè)計(jì)圖紙，說(shuō)明書(shū)
對(duì)模型進(jìn)行分析獲得數(shù)據(jù)
對(duì)有限元模型施加邊界條件
對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分
確定曲軸參數(shù)設(shè)計(jì)及有限元分析方案
確定曲軸結(jié)構(gòu)形式
計(jì)算曲軸參數(shù)
確定曲軸參數(shù)設(shè)計(jì)方案
調(diào)研和查閱資料
利用曲軸參數(shù)應(yīng)用軟件進(jìn)行實(shí)體建模
四、進(jìn)度安排
1.第1-2周（3月1～3月14） 調(diào)研、收集資料、撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告。
2.第3-4周（3月15 ～3月28） 確定曲軸設(shè)計(jì)及分析方案。
3.第5-8周（3月29 ～4月25） 曲軸參數(shù)設(shè)計(jì)及CAD繪圖
4.第9-10周（4月26～5月9） 對(duì)曲軸參數(shù)進(jìn)行實(shí)體建模。
5.第11-12周（5月10～5月16） 結(jié)合ANSYS對(duì)模型進(jìn)行有限元分析。
6.第13-14周（5月17～5月30） 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，完善圖紙?jiān)O(shè)計(jì)提交指導(dǎo)老師審核。
7.第15-16周（5月31～6月13） 畢業(yè)設(shè)計(jì)修改。
8.第17周（6月14～20） 畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
五、參考文獻(xiàn)
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[9]張保成,張先林,蘇鐵雄.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].現(xiàn)代車(chē)用動(dòng)力.2001
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[15]Green,John Source,Going into analysis,Automotive Engineer(London).v 24,n 1,Jan.1999
六、備注
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
簽字： 年 月 日