ENGDYN曲轴分析教程-(四)曲轴应力分析.doc

4 曲轴应力分析

4.1 介绍

目标:

• 应用ENGDYN 进行曲轴应力和可靠性分析
> 曲轴采用FEA模型
> 机体模型在本例中假设为刚体

涉及内容:

• 准备 Engdyn 模型
• 几何定义
• 定义材料属性
• 应力集中系数和疲劳缺口系数
• 经典的应力分析方法
• 有限单元法
• 显示结果

时间估计:

• 0.5 天 (准备模型)
• 1 天 (全部过程包括求解)

发动机:

• 直列4缸汽油机

要求的文件:

../Ricardo/3.0/examples/crank/IL4_CRANK.SFE
../Ricardo/3.0/examples/crank/il4*.PRES
../Ricardo/3.0/examples/crank/stress_crank.EDSF

有限元模型要求:

• 曲轴有限元模型应该划分为单独的曲柄臂部分，可以参考Engdyn手册2.4.5

4.2 准备Engdyn 模型
第一步 运行求解

本例使用预先准备的.EDSF文件. 该文件是‘Crankshaft Dynamic Analysis’ 例子中的模型的拷贝。建议读者复习前面的那个例子以熟悉过程。.

本例中我们将执行适合于曲轴应力分析的求解

• 打开 Engdyn
• 从教程目录中读入‘stress_crank’ .EDSF文件

> 打开文件后如下图所示

> 润滑油应该已经定义了，但最好再次点击Lubrication按钮以确定机油 SAE5W30.MAT被选择了。
> 如果没有更改润滑油种类，其显示将如下图所示

• 在润滑油定义界面（Lubrication Definitions）中点击 OK。

• 点击 Loading按钮 ，如下图所示

• 点击 OK
• 点击 Evaluate Solution 按钮
• 求解设置面板如下图所示。

> 我们将执行动态法（dynamic）求解方式,但也会保存静态不定计算结果，确定将 ‘Save Static Results’ 多选框选中

• 设置完的 Loadcases 面板如下所示 – 设置速度范围为 2500-5500 rev/min间隔为500rev/min。

> 机体cylinder block、曲轴crankshaft、止推轴承thrust bearing和联轴节coupling面板使用默认设置

• 点击Bearing Model面板，设置如下图所示

> 本例中，为了节约时间，我们将在每个轴承定义机油温度，使用Oil Temps机油温度按钮检查设置值。

• 点击 OK –将显示如下提示信息

• 点击 Direct，执行求解
> 当求解完成，检查是否每个载荷步都收敛

我们现在可以执行曲轴应力分析

第二步 经典的应力计算

为了获得曲轴上指定点的应力结果，我们必须更详细的定义这些地方的结构，点击Crank Analysis 按钮，可以打开曲轴应力分析（Crankshaft Stress Analysis）面板。.

• 点击 Crank Analysis 按钮，如下图显示
• 修改‘method’ 为 Classical ，修改 ‘output’ 为应力和安全系数（Stress and Safety Factors）

> 我们将计算曲轴端部的主轴承和曲柄销轴承倒角的应力
> 我们需要定义曲柄臂附近的几何结构
> 曲柄臂将不再认为是一致的，这样可以定义所有的曲柄臂结构。

• 选择 ‘Crankshaft webs’
• 点击 Select All
> 曲柄臂将显示为红色

• 点击 Edit Selected ，显示Crankshaft Webs 设置面板

• 填入白色可编辑框的内容
• 点击 Apply
> equivalent width 框中的内容将被更新

• 点击 OK

• 选择销轴颈倒角 ‘Pin journal fillets’
• 点击 Select All
• 点击 Edit Selected ，显示Pin journal Fillets 设置面板

• Set 半径Radius 为1.5

• 点击 Apply
> 设置面板将更新，如下图所示

• 点击 OK

• 选择 ‘Main journal fillets’

• 点击 Select All

• 点击 Edit Selected ，显示Pin journal Fillets 设置面板

• 设置半径 Radius 为 1.5

• 点击 Apply
> 面板将更新如下图所示

• 点击 OK

这个例子所要求的几何数据已经定义完毕，下一步就要定义曲轴的材料属性

第三步 定义材料属性

这个阶段我们不引用FEA模型，我们将从Engdyn数据库中选择材料属性

• 点击 Define Material 按钮，显示Crankshaft Material Properties 面板

• 选择 Base Properties 选项卡, 确定面板设置值如下所示

> 面板上半部的数据与动量有关，当材料属性定义完，面板下半部的数据将会自动更新

• 点击 Base Strengths 选项卡

> 从Engdyn数据库中选择材料Steel 38MnS6

• 点击 Select (circled) ，打开 Engdyn materials 数据库
• 选择STEEL38MnS6 ，点击OK

> Base Strengths中上半部的数据将被更新

• 现在点击 Elevated Strength 选项卡

•在Strengths框中选择Calculated

• 点击 Define ，接下来定义Size Factor显示如下所示

• 确认尺寸系数（size factor）为默认设置

• 点击Apply, 然后点击OK

• 返回 Crankshaft Material Properties 面板 在pin 和 main journal fillet 框中选择 冷轧（Cold Rolled）项

> 面板设置如下图所示

• 点击 OK

第四步 定义应力集中系数和疲劳缺口系数

Engdyn 能够考虑轴径倒角处的应力集中和疲劳缺口因素导致的应力提高和释放的作用。这些因素改变了材料强度，在加载这些因素时，必须设置疲劳缺口系数的数值。

• 点击 Notch Factors按钮，如下图所示

> 我们将应用Modified Lowell 方程来计算这些因素

• 确保在Characteristic 项中选择了 Modified Lowell
• 点击 Apply, 如下图所示

• 点击 OK

第五步 经典的应力和可靠性求解

现在我们已经定义了曲轴关心部位的几何和材料属性，接下来就要执行经典的应力和可靠性求解。首先我们必须选择要求解的载荷步。

• 点击 Select Loadcases 按钮，如下图所示

> 将执行所有的速度范围内的动力学求解
• 通过设置Solution Type为dynamic，来显示动态法计算的结果

• 点击 Select All 按钮，选择全部的速度

• 点击 OK

• 返回 Crankshaft Stress Analysis 面板， 点击Define Output 按钮

• 设置 Classical Stress Analysis 子面板

> 声明: 输出文件名最好沿用 Engdyn 模型名

• 点击 OK

• 在Crankshaft Stress Analysis面板中点击 Generate Output

> Engdyn 将执行每个载荷步的应力求解
> 当求解完毕我们就可以查看结果

第六步 显示经典的应力结果

我们可以看任何结果，只要计算前定义了结构，本例中我们可以查看第四个曲柄销的销轴承处的结果。

• 选择销轴颈倒角（pin journal fillets）

> 选择的销轴承倒角以红色显示，其缩减的其他曲轴部分仍然以绿色显示

• 用鼠标框选选的方式择第四个曲轴销轴承倒角的后端。

> 倒角将变成红色

• 现在点击 Plot Results 按钮

> 将显示以下面板

首先将看到倒角处的应力历史 stress history

• 选择 History, Stress and Goodman-Standard-General ，如下图所示

• 点击 Apply
> 将显示相关曲线
> 该曲线也可以打印出来，通过点选File菜单中相关的选项。

> 全部的曲线共有7页，每个图对应一个发动机转速的结果

现在我们来看倒角处预计的可靠性安全系数

• 选择 Summary, Safety Factor and Goodman-Standard-General ，如下图所示

> 声明: 不可用的选择将会消失
• 点击 Apply 显示结果

> 顶部的曲线显示了倒角处的最大和最小的应力
> 下部的曲线显示了倒角处随着转速变化预计的可靠性安全系数
> 红线是设计因素，可以在Plot Results 面板中修改

第七步 应用有限元模型的应力分析

现在我们执行了经典的分析，下一步就是执行复杂的曲轴有限元分析。首先需要建立求解必须的边界条件。这些将加载到指定的组中，这些组预先在FEA模型中定义了。详细的组的设置请参考Engdyn用户手册7.1.2.2. 这些组的大致描述如下。

• 低刚度层（大约十分之一的曲轴刚度）和无质量单元需要添加到轴承的两端来改进端部应力（图中显示为红色部分）

• 这些区域长度大约是四分之一的曲轴典型轴承的长度。一个无质量的壳单元（其他属性同曲轴一致）重叠在曲轴前端端部低刚度单元上。

• 面组必须添加到所有的曲柄销和主轴径上。这些代表轴承上的机油接触面积。

• 这些面组需要按下图所示的名称定义

一旦曲轴准备完毕，就可以准备生成边界条件。

• 点击 Select Loadcases

> FEA求解需要定义静态的载荷步，因此选择静不定（statically indeterminate） 求解方式

• 从静不定结果中选择 5500 rev/min

• 点击 OK

• 现在点击 Crankshaft Analysis 按钮

• 设置 Stress Analysis ，选择 有限元准静态分析（FE Quasi Static）方法，输出output 为 单位载荷（Unit Loads）
> 将显示以下信息

• 通过点击右侧的 Select Model 按钮引用应力分析的模型

> 在appropriate选项卡，通过提供正确的转化，确保模型与Engdyn模型有同样的基准；

> 如果定义的几何结构跟有限元模型不一致，警告信息可能再次出现。

• 点击 Apply, 然后点击 OK

• 打开Crankshaft Stress Analysis 面板，从output 项的下拉菜单中选择 Unit Loads

> 现在开始创建载荷文件以执行有限元曲轴应力分析

• 点击 Define Output 按钮打开面板，如下图所示
• 设置要求的求解器 Solver，确认选中 离心载荷（Centrifugal Load）、单位动量（Unit Moments）多选框。
> 输出文件后缀名为 .FRC

• 点击 OK

• 现在点击 生成输出（generate output）

> Engdyn 将产生给曲轴加载的 .FRC 文件。当完成之后会弹出提示信息，提示是否运行.FRC 文件

• 点击 Yes

> .FRC 文件将运行, 运行结束后输出结果。
> 如果选择 FEARCE(VSS) 求解器, 求解将会自动进行

有限元求解开始进行。如果应用的求解器不是 FEARCE(VSS) 则结果需要添加到有限元模型中以供后处理程序显示。

第八步 有限元结果后处理

一旦有限元应力求解完成，确保结果已经添加到应力模型*.SFE中，现在我们就可以对结果进行后处理以查看结果。

• 点击 Select Loadcases
> 确保选择静不定载荷 statically indeterminate loadcase

• 点击 OK

• 点击曲轴分析（Crank Analysis）按钮，选择求解方法为有限元准静态分析方法（FE Quasi Static method），输出为应力和安全系数（Stress and Safety Factors），如下图所示

•点击 Select Model 按钮, 确保引用正确的模型，此模型是以正确的方位。

>我们将再次考察第四曲柄销后端部的倒角

• 选择 Pin Journal Fillets (缩聚模型中的曲轴销倒角变绿)
• 鼠标左键点击第四曲柄销后端部的倒角 (它将变红)

• 点击 Edit Selected
> 我们不需要改变原有的设置

• 点击 OK

• 点击 Define Material 按钮

> 如果有限元模型中定义的材料同Engdyn不一致，则会出现下面的提示信息。

• 点击 OK ，显示以下面板

• 选择材料为 STEEL ENGDYN properties ，点击 OK

• 点击 Notch Factors 按钮 ，检查定义是否正确

• 点击 OK

现在需要定义可靠性安全系数的机理类型

• 点击 Define Output

• 点击节点组中 Node Sets 对应的Select 按钮

• 从子面板中选择 REAR_PIN_FILLET_04，然后点击 OK

> Node Set 子面板将显示所有在有限元模型中定义的相关节点组–这里我们只能选择定义了几何形状的节点组

• 点击 Safety Calculation 对应的 Select 按钮
> 本例中我们只能选择 Alternative Goodman criteria
• 选择 Alternative Goodman ，同时点击 OK

• 检查FE Stress Analysis 面板的其他内容，然后点击OK

> 输出项将决定有限元模型输出给后处理的内容。可选项包括 ALL, EXTERNAL 和 SETS. 最少的输出为 sets 选项

现在可以进行后处理。 Engdyn 将首先创建一个新的包含选择子结构的SFE文件（本例即为选中的节点组），它在执行可靠性计算之前将组合和分解单个载荷应力结果。结果在Engdyn可以显示，或者在Feviewer可以显示云图。

• 点击 Generate Output

> Engdyn 将输出一个后缀名为.FPO 文件以执行后处理过程。当完成之后将显示以下面板，该面板显示每个不同载荷步的X、Y、Z方向的分力。

• 点击 OK

• 在提示信息面板点击 YES 执行后处理过程

> 当后处理程序完成，将会弹出另外一个信息面板通知。

• 点击 OK

第九步 查看有限元求解结果

如果后处理成功完成，将在原来有限元模型所在目录产生一个新的SFE文件，此文件将在原来模型文件名的基础上增加‘STRESSED’ 字段，如

<stress_quality_FE_crank>_STRESSED.SFE

如果点击 Plot Results 按钮，就将从这个新的SFE文件中读出结果数据

此外，我们可以利用Feviewer查看三维云图。

• 打开 Feviewer

• 从文件菜单选择 Open .SFE， 选择后缀名为 ‘STRESSED’
> 选择的节点组在屏幕中显示，如下图所示。

• 点击 Data 菜单, 选择 ‘Contours and Animations’
> 将显示以下面板

> 这个面板可以完成曲线显示、动画显示等功能
> 通过选择正确的选项卡，可以查看变形和颜色云图
> 可以用面板下部的动画播放按钮控制结果动画播放过程。
> 可以选择Contour 选项卡，查看安全系数的颜色云图。

• 点击 Contour 选项卡

• 从Load Results Attributes 项中选择Safety Factors
> 安全系数结果将显示在‘Loadcase’ 框

• 选择 ‘QSV13’ loadcase
> 此载荷步包含准静态和振动载荷
> 安全系数类型的选项将显示在‘Component’ 框中

• 选择 ‘AlternativeGoodman-Standard-Cyclic-SafetyFactor’
>将自动根据最大和最小值显示模型结果

• 调整最大和最小值，如下图所示。

> 模型显示在下一页。

> 声明：最小安全系数显示在倒角的底部

> 按‘x’ , ‘y’ and ‘z’ ，模型将旋转，如果同时按住SHIFT键，则以相反的方向旋转。
> 也可以按住shift键，同时安装鼠标左键旋转模型
> 按住鼠标左键不按住shift键盘，可以移动模型。
> 按住alt键和鼠标左键可以放大或者缩小模型。l
> 按 ‘r’可以重新显示模型.