基于ANSYS的航空发动机测量耙模态分析法

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基于ANSYS的飞机发动机压气机叶片模态分析

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中国民航飞行学院学报
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中国民航飞行学院学报
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基于ＡＹＳ的飞机发动机压气机叶片模态分析ＮＳ
忽略一些对结果影响不大的结构。
这样，相互耦合的Ⅳ 自由度系统的方程组经正交变换，成为在模态坐标下相互独立的Ｎ自由
度系统的方程组，解耦后的第ｉ个方程为：
一
ＭｌｊＣｆ ∑ ，＝，… 以＋（ｌ＝Ｆ（１，，ｏ，２）
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（－）１９式中，，别为模态刚度、模态质Ｃ分
（＾】ｓ】【）（）＝｛（）【＋ｉ＋】）Ｆｃ｛）
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令Ｓ＝，则（２变为：１）－
（一【】【】｝Ｆ｝Ｉ』＋Ｃ）（）＝｛（）Ｘ】｛
（—）１３
重。常见故障现象有：外物损伤、强度不足和高
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（－Ｉ０若阻尼矩阵也近似被对角化，即有：
模态Ｋ分析方法就是以无阻尼的各阶主振型所对
应的模态坐标来代替物理坐标，使微分方程解耦，变成各个独立的微分方程ｐ。对式（一）Ｊ１１两边进行拉式变换，得：

基于ANSYS的航空发动机测量耙模态分析法

基于ANSYS的航空发动机测量耙模态分析法陶冶;田琳;张永峰【摘要】研究了多型航空发动机测量耙的结构.在满足工程要求的前提下,合理简化三维模型,建立了基于ANSYS的航空发动机测量耙模态分析法.通过对两种典型的测量耙进行有限元模态分析,并与相应的扫频振动试验结果进行比较,结果表明:采用基于ANSYS的航空发动机测量耙模态分析法的计算结果较试验件扫频振动试验结果的误差不超过7％,低于工程可接受的误差要求,说明该方法的合理性,为新型测量耙的设计改进提供了重要依据.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2013(026)002【总页数】3页(P27-29)【关键词】航空发动机;测量耙;模态分析;ANSYS;可行性【作者】陶冶;田琳;张永峰【作者单位】中国飞行试验研究院,陕西西安 710089【正文语种】中文【中图分类】V233.71 引言采用测量耙/测头测量航空发动机各截面的压力和温度，是发动机定型试飞中的主要测量手段之一［1］。

发动机试验时，在相关气流流通壁面上安装温度和压力测量耙或测头，如果测量耙或测头的固有频率与发动机的振动或气流激励频率相吻合，会产生谐共振，使测量耙或测头容易损伤甚至断裂。

轻者测量耙或测头不能正常工作，重者将损伤发动机转动部件，危及飞行安全。

由于航空发动机测量耙主要受气流载荷和振动载荷作用，在进行测量耙设计时，气流载荷相对较小，静强度要求能得到满足。

因此，为确保测量耙/测头安全工作，必须进行测量耙模态分析和试验［2］。

测量耙模态设计方法一般分为试验法和有限元分析法:①试验法，即根据工程经验，预先设计出测量耙，加工后进行模态试验。

如果试验结果发现测量耙固有频率远离发动机各种转子部件激励频率，那么该测量耙可直接投入使用;如果试验结果表明测量耙固有频率和发动机某转子部件激振频率重合或者比较接近，那么就需要修改设计，再进行试验直至得到符合要求的测量耙;②有限元分析法，是引入有限元技术以后产生的新方法。

基于ANSYS Workbench的V8发动机曲轴有限元模态分析

【摘
要】曲轴是发动机最重要的部件之一，其强度、刚度可以决定发动机的性能，只有强度、刚度
合格的曲轴才能保障发动机的正常运行。利用ＳｌＷｏｋ建立了一个高速赛车Ｖ发动机的曲轴模型，ｏｉｒｓｄ８并将曲轴模型保存为ＩＥＧＳ格式导入到有限元分析软件ＡＳＳＷｏｋｅｃＮＹｒｂｎｈ中，最后对曲轴模型进行了有限元模态分析，获取了曲轴的前１固有频率和相应振型。模态分析ａｋｈ．ｓａｌｔａｏｄｔｅｒｓｎｎｅｑｅｃｇｎｗｉｉｅｏｉｐｏｅｔｅｚｉｈｒｓｂｅｏｖｉｅｏａｃｕｎｙｒｉｈｈｗｌｈｌｔｍｒｈａｏｆｎａｌ￣ｉｈｅｏ，ｃｌｐｖ
ＬｕｎＺＮｏｇｊｎＹｉ－ａｇＺＡＧＬｎ－ｉｇＶＤａ，ＥＧＤｎ－ｉ，ＵＸａｙｎ，ＨＮｏｇｐｎａｏ（ｃｏｌｆｒｎｐｒｔｎａｄＡｔｔｅＥｇｎｅｉｇＸｈａＵｉｅｓｙＣｅｇｕ６０３，ｈｎ）Ｓｈｏｏａｓｏｔｉｎｕｏｉｎｉｅｒ，ｉｕｎｖｒｉ，ｈｎｄ１０９ＣｉａＴａｏｍｏｖｎｔ
ｄ．ｄａｒｅｅｃａａｏｅｐｒｎａｍｄａｙｉｉｏｔｉｄｗｉｈｒｖｅｅｒｔａｂｓｒｅＡｎｆｒｎｅｄｘｅｉｔａａｌｓｓｂａｎ．ｈｃｏｉｓａｔｏｅｃａｉｆｅｔｆｅｍｌｏｌｎｓｅｐｄｈｉｌｓｏ
ｒｉｉｔａｄｉ－ａｔａｋｈ．ｅａｌｙｎｅｓｎｏｈｃｓａｌｂｉＺｐｆｅｒｆｎｔｆ

某型发动机测量耙动态特性分析

0引言采用测量耙/测量航空发动机各截面的压力和温度，是发动机定型试飞中的主要测量手段之一。

发动机试验时，为了测量发动机各截面的压力、温度等参数，在流通壁面上安装温度和压力测量耙，如果测量耙的固有频率与发动机的振动或气流激励频率相接近或者一致，发动机跟测量耙之间就会产生谐共振现象，影响到测量耙或测头的正常使用。

基于此，在正式开始作业前，应先对测量耙进行模态特性分析和振动试验验证，如此可确保测量耙安全工作[1]。

当代航空燃气涡轮发动机适用性战术指标的一项重要内容就是压力和温度对发动机稳定性影响的评定[1]，本文运用ANSYS 软件对测量装置的三维模型进行模态分析，得出其固有频率和振型，为测量装置的结构设计提供了理论依据。

1模态分析的理论基础在机械结构动力特性、振动分析和动态优化设计研究中模态分析是较为常用的方法。

通过该方法，可确定一个机械结构的固有频率和振型，固有频率和振型不仅是承受动态载荷结构设计中的重要参数，更是所有动力学分析的基础[2]。

模态分析的通用动力学方程为：{F （t ）}=[M]{ü}+[C]{ù}+[k]{u}（1）式中：F-结构的外加载荷向量；ü-结构的加速度向量；ù-结构的速度向量；u-结构的位移向量；M-结构总质量矩阵；C-结构总阻尼矩阵；K-结构总刚度矩阵。

将阻尼的影响排除在外，在模态分析中求解结构的固有频率与振型时，可忽视阻尼对结构的影响。

由此可将（1）可简化为无阻尼自由振动方程：0=Mü+Ku （2）其特征方程为：0=（-ω2M+K ）u （3）式中：ω-系统的固有频率。

2测量耙的模态特性分析2.1测量耙三维示意图利用CATIA 对测量耙进行三维建模，结构如图1所示。

测量耙采用1Cr18Ni9Ti 棒料一体加工成型。

2.2测量耙材料属性1Cr18Ni9Ti 材料属性见表1。

2.3前处理以及边界条件设置将简化的三维模型导入ANSYS 软件中，对耙体与底座的连接部分的网格进行划分。

航空发动机双转子系统的模态分析

航空发动机双转子系统的模态分析
航空发动机双转子系统的模态分析
为了更好地了解和掌握发动机固有的振动特性,利用有限元分析ANSYS软件,对某型发动机双转子系统进行了固有频率及振型计算.通过改变轴承的刚度与原计算结果作对比,分析轴承刚度的改变对整个系统动力特性的影响.结合振动力学相关理论,对设计方案进行动力学评价.结果表明,该方法运算速度快,输入参数少,特征值、特征向量求解精度高.
作者：申苗唐驾时李克安梁翠香陈勇隋雪冰SHEN Miao TANG Jia-shi LI Ke-an LIANG Cui-xiang CHEN Yong SUI Xue-bing 作者单位：申苗,唐驾时,梁翠香,SHEN Miao,TANG Jia-shi,LIANG Cui-xiang(湖南大学,力学与航空航天学院,湖南,长沙,410082)
李克安,LI Ke-an(湖南理工学院,机械与电气工程系,湖南,岳阳,414000)
陈勇,隋雪冰,CHEN Yong,SUI Xue-bing(沈阳黎明航空发动机,集团,公司,辽宁,沈阳,110043)
刊名：兵工自动化ISTIC英文刊名：ORDNANCE INDUSTRY AUTOMATION 年，卷(期)：2010 29(2) 分类号：V23 N945.12 关键词：双转子有限元方法模态分析。

219322186_基于ANSYS的曲轴静力学与模态分析

承受着扭转振动与弯曲振动分析曲轴静态受力及运动情况可以有效避免曲轴出现裂纹变形断裂等情况
针对曲轴受力计算传统方法是简化为简支梁或连续梁但由于其结构复杂无法完全采用解析法求解目前国内外对曲轴模型多采用有限元分析方法但模型简化存
屈服强度 $$(3&(RX8 曲柄销直径 0%AA
厚度#增大曲柄重叠度"为曲轴尺寸优化提供了依据$ 当以看出"工作转速对应的频率比1 阶的最小频率)S0&(0Q
然"上述四个结构参数不是孤立存在"比如由于曲轴顶端低"所以曲柄发生共振的概率很低$
与连杆轴颈距离有限"连杆轴颈处圆角的增大又受到了很 *结论
大的限制$
文中对直列四缸发动机曲轴采用XC<*6建立三维模
曲轴固有振动模态与材料和结构有关"与外部载荷及 (()曲柄臂与主轴颈#曲柄臂与连杆轴颈的交界部位
约束无关"因此不施加任何约束$ 曲轴整体的自由模态前是曲轴振动的危险区"所以曲轴的设计要充分考虑曲柄臂
0 阶(刚体模态)都约为零"所以主要分析1*$) 阶模态$ 的设计参数以及曲柄臂和曲拐相连处的圆角尺寸$
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机械化工
科技风 /0/1 年 2 月
在不考虑油孔压力峰突然变化的情况下"利用有限宽度以及轴颈重叠度后"分析其轴颈最大圆角应力的变化"得轴颈油膜的应力分布"沿轴颈纵向呈二次抛物线分布"沿出这些参数对曲轴应力集中的影响"如图Q*图1 所示$ 轴颈周向呈余弦分布"由于曲轴受力具有周期性和对称性"只分析连杆轴颈受到压力时的轴颈圆角应力大小"为方便载荷施加"将载荷简化为沿连杆轴颈上半面的均布载荷"其大小为曲轴最大爆发力Q%RX8$

基于ANSYS的某型航空发动机涡轮叶片的振动特性分析

基于ANSYS的某型航空发动机涡轮叶片的振动特性分析本文旨在对一款航空发动机的涡轮叶片进行振动特性分析，通过ANSYS软件进行模拟计算，以期评估其振动强度和工作寿命，为发动机设计提供参考。

1. 背景介绍与分析涡轮叶片作为航空发动机中的核心部件之一，其振动特性直接影响发动机的性能和寿命。

因此，在发动机设计中，对涡轮叶片的振动强度和稳定性进行分析和研究是至关重要的。

在本次分析中，我们将以某型航空发动机的涡轮叶片为例，通过ANSYS软件对其进行振动特性分析。

涡轮叶片的几何形状如图所示。

(图片)2. 建模与网格划分首先，在ANSYS中建立三维模型，采用SolidWorks导入到ANSYS平台。

接着，进行网格划分，采用四面体单元网格划分，设置裂纹控制等参数，进行网格剖分。

3. 材料选择与约束条件设置在建立模型和进行网格划分后，需要对涡轮叶片的材料进行选择，同时设定约束条件。

本次研究中，涡轮叶片的材料选用了镍基合金，其密度为8.28g/cm³，杨氏模量为210GPa，泊松比为0.3。

约束条件包括固定壳体支撑，在振动载荷下叶片不能有位移，不允许旋转。

4. 振动分析在进行建模、网格划分及设置约束条件之后，进入振动分析步骤。

本次分析采用动态分析法，采用隐式求解器求解其模态分析结果。

模态分析结果中包括杆件自然频率、振型形态和统计指标。

5. 计算结果与分析经过模拟计算，得出该涡轮叶片的前三阶固有频率为：335Hz、596Hz、916Hz。

下面就这些结果进行分析：1）自然频率随着振型的变化而变化。

而当达到某一频率时，就会发生共振现象，应引起足够的注意。

2）从涡轮叶片自然频率分析结果来看，其频率较高，工作在这样高的频率下容易导致疲劳断裂，从而出现永久性损坏，缩短了涡轮叶片的工作寿命，亦增加对机体的冲击力。

3) 在涡轮叶片的一些易损部位，比如根部区域，容易发生应力集中，导致应力低于叶片的材料极限从而使叶片疲劳失效。

一种复合结构航空测量耙模态仿真方法

一种复合结构航空测量耙模态仿真方法陶冶;田琳;张帅【摘要】针对新型航空测量耙结构方案设计,提出一种可用于不同材料组成的复合结构航空测量耙的模态仿真方法--共面法(Co-Area Methods,简称CAM).以国内首次研发、用于配装飞机进气道的复合结构航空测量耙为研究对象,建立基于线性假设的共面模型,使用ANSYS开展三维模态仿真,并进行验证试验.结果表明:基于CAM的模态仿真与试验结果较为吻合,最大误差为7.03％,小于工程可接受的误差范围,说明了CAM在复合结构航空测量耙模态仿真中的可行性.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2017(030)006【总页数】3页(P90-91,95)【关键词】复合结构;航空测量耙;模态仿真;共面法;ANSYS【作者】陶冶;田琳;张帅【作者单位】中国飞行试验研究院,陕西西安 710089;中国飞行试验研究院,陕西西安 710089;中国飞行试验研究院,陕西西安 710089【正文语种】中文【中图分类】V233.70 引言航空测量耙可用于测量航空发动机流道各截面的温度和压力分布[1]，用来计算发动机压力、温度流场畸变等重要参数，是航空发动机研制和定型试飞的重要测量手段[2]。

航空测量耙结构设计时，应尽量避免测量耙体/测头的固有频率与发动机的转子振动或气流激励产生谐共振[3]，导致测量耙体/测头损伤或断裂，进而损伤发动机旋转部件，危及飞行安全[4]。

目前国内外航空测量耙的主流设计思路一般是“结构设计-模态仿真-验证试验”的反复迭代优化，直至其既满足结构强度要求、又能具有充分的共振裕度、且总质量趋近最优值为止，即可进行批量生产，应用到航空发动机飞行试验中。

因此，针对配装某飞机进气道的新型复合结构航空测量耙，为了降低测量耙研制的难度和成本，缩短研制周期，提出一种可行的模态仿真方法非常必要。

1 共面法工程中的许多复杂机械结构，为了满足相应性能的要求，一般都是由各种零部件按照具体要求装配起来的，称这些零部件之间相互接触的表面为“结合面”[5]。

CAE-ANSYS航空发动机解决方案

ANSYS对航空发动机
解决方案
内容概要
ANSYS公司及其产品简介几何模型处理及CAD接口方案全面分析方案
结构分析方案复杂流动传热分析方案耦合分析方案
网格处理方案 ANSYS公司售后服务介绍国内国际应用情况
• 世界最著名CAE软件提供商及服务商之一 • 1970年创始于美国宾州钢铁之城匹兹堡 • 产品面向整个研发过程，从系统级样机仿真平台到CAE软件开发平台 • 2000年收购顶级前后处理软件ICEMCFD • 2001年收购领先优化技术公司CADOE • 2003年收购著名CFD软件CFX
通用结构力学分析－形状和拓扑优化
形状优化
在满足给定条件下优化结构，使之达到：重量最轻、或应力最小、或寿命最长、或温度分布最均匀……
拓扑优化
提供概念设计，在满足给定条件下获得最佳的拓扑外型……
通用结构力学分析
螺栓预紧力单元模拟各种螺栓连接，直接施加螺栓预紧力载荷
通用结构力学分析－其它
单元生模死拟材料增加或材料减少的过程，如：隧道或矿井的开挖过程、分阶段建造（大型桥梁）、顺序装配、焊接、大坝施工等等
航
空
发
动
机
榫
头
榫
槽
接
触
热
分
装
析
配
摩擦生热
通用结构力学分析－非线性示例
蠕变
超弹
某型发动机高压涡轮盘弹塑性分析
扭转屈曲
形状记忆合金
粘弹
通用结构力学分析－动力学
时域动力学
模态叠加法
瞬态动力分析：外载荷、边界条件、结构空间位置等随时间任意全变方化法，凝聚法
求解运动方程直接积分法全方法凝聚法

ANSYS模态分析教程及实例讲解

结构动态特性的改善方法
增加结构阻尼
通过增加结构阻尼，可以有效地吸收和消耗振动能量，减小结构的振动幅值和响应时间。
优化结构布局
通过合理地布置结构的质量、刚度和阻尼分布，可以改善结构的动态特性，提高结构的稳定性和安全性。
加强关键部位
对于关键部位，应加强其刚度和稳定性，以减小其对整体结构的振动影响。
ansys模态分析教程及实例讲解
目录
• 引言 • ANSYS模态分析基础 • ANSYS模态分析实例 • 模态分析结果解读 • 模态分析的优化设计 • 总结与展望
01 引言
ห้องสมุดไป่ตู้
目的和背景
01
了解模态分析在工程领域的应用价值，如预测结构的振动特性、优化设计等。
02
掌握ANSYS软件进行模态分析的基本原理和方法。
挑战
未来模态分析面临的挑战主要包括处理大规模复杂结构、模拟真实环境下的动力学行为以及提高分析的实时性。随着结构尺寸和复杂性的增加，如何高效地处理大规模有限元模型和计算海量数据成为亟待解决的问题。同时，为了更准确地模拟实际工况下的结构动力学行为，需要发展更加逼真的边界条件和载荷条件设置方法。此外，提高模态分析的实时性对于一些实时监测和反馈控制的应用场景也具有重要的意义。
模态分析基于振动理论，将复杂结构系统分解为若干个独立的模态，每个模态具有特定的固有频率和振型。
模态分析可以帮助工程师了解结构的动态行为，预测结构的振动响应，优化结构设计。
模态分析的步骤
建立模型
施加约束
求解
结果分析
根据实际结构建立有限元模型，包括几何形状、材料属性、连接方式等。
根据实际工况，对模型施加约束条件，如固定

ANSYS的发动机连杆的模态分析

活塞连杆组整体性能的好坏对发动机性能和寿命有很大的影响。而连杆作为传递交变力的部件，工
[1]
动力学微分方程可表示为：
&& + Cx & + Kx = F Mx
（1）
作条件极为恶劣。传统的连杆设计基本上为静态设计，式中： M——连杆质量，kg； x——连杆的振动位移，m；对连杆的动态特性很少涉及，但是随着发动机高速化和大功率化，静态设计越来越不能满足需要 [2]。模态分析在评价发动机连杆动态特性时有巨大的优势，文章基于 ANSYS 建立连杆的三维模型并进行模态分析，计算分析连杆的动态特性，找出发动机连杆的设计缺陷并加以改进，缩短研发周期，降低研发成本。 C——阻尼系数，N/(m/s)； K——刚度系数，N/m； F——外部载荷，N。若令 C=0 和 F=0，便得到结构的无阻尼自由振动方程。对于连杆结构的模态计算来说，阻尼对结构的固有频率和振型的影响很小，可以忽略不计，因此式（1）变为：
1
ANSYS 模态分析理论
模态分析是动力学分析过程中必不可少的一个步
骤，主要用于确定机械结构和部件的固有频率和振型，是谐响应分析、瞬态动力分析和谱分析的起点。 ANSYS 模态分析利用有限元分析理论，先把模型离散为 n 个小单元，然后利用振动理论求解出结构的固有频率和振型。根据振动理论，连杆结构系统的
&& + Kx = F Mx （2）这是一个二阶常系数线性齐次微分方程，由此可
导出连杆结构的固有频率与振型的特征方程：
K − ω 2Mφ = 0
（3）
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Auto Engineer
技术聚焦 FOCUS
2010 年 4 月

基于ANSYS Workbench的某活塞发动机曲轴有限元模态分析

2018年6期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application引言曲轴是活塞发动机中非常关键的组成部分。

发动机工作原理是通过燃油燃烧推动活塞直线往复运动，再通过连杆推动曲轴使其做转动运动,曲轴连杆示意图如图1所示。

曲轴所承受的力有惯性力和燃气爆发力等，这些力都是呈周期性变化的，从而会引起曲轴振动，当振动频率与曲轴自身固有频率相同时，就会产生共振现象，使得曲轴容易发生疲劳破坏。

对曲轴的模态分析即为振动特性分析，为振动故障分析及结构动态特性的优化设计提供依据[1]。

本文通过Solidworks对曲轴进行了三维建模，然后建立了约束状态下的有限元模型，最后导入ANSYS Workbench 中进行了约束状态下的有限元模态分析，得出了约束状态下的频率和振型。

模态分析的意义是为了在工程中要避开这些频率来防止共振的发生，也为曲轴的瞬态动力学分析以及变负荷瞬态工况下曲轴的受力情况、应力与疲劳寿命预测提供一定的参考[2]。

1有限元模型的建立1.1建立曲轴的三维模型考虑到ANSYS系列软件建模的复杂性，本文利用Soli dworks对曲轴进行三维建模，为了降低网格划分的难度和提高分析效率，在建模过程中对模型进行了一定的简化，去掉了一些对分析没有太大影响的螺纹孔、键槽等特征，简化后的三维模型如图2所示。

图2曲轴的简化模型1.2有限元模型的建立根据设计资料，本文分析的曲轴所用材料为QT600-2，材料密度为7.12×103kg/m3，弹性模量为169GPa，泊松比为0.286，抗拉强度为600MPa，屈服强度为330MPa。

网格采用智能划分方法，类型为四面体网格，精度为中等，曲轴的有限元模型如图3所示。

基于ANSYS Workbench的某活塞发动机曲轴有限元模态分析付贵，郭湘川（中国民用航空飞行学院飞行技术学院，四川广汉618307）摘要：曲轴是活塞发动机非常关键的部分，曲轴的振动特性对发动机有很大的影响。

基于ANSYS Workbench的某型航空发动机吊挂结构有限元分析

ｄｏｉ:１０.１６５７６/ｊ.ｃｎｋｉ.１００７－４４１４.２０１８.０３.０１５基于ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ的某型航空发动机吊挂结构有限元分析∗隋全武１ꎬ郝秀清１ꎬ２ꎬ田爱军１ꎬ陈馨雯２(１.金城集团有限公司ꎬ江苏南京㊀２１００００ꎻ２.南京航空航天大学ꎬ江苏南京㊀２１００００)摘㊀要:吊挂结构的强度决定了航空发动机工作过程的可靠性和稳定性ꎮ使用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ软件对吊挂结构进行静力分析㊁模态分析和疲劳分析ꎮ静力状态下ꎬ吊挂结构的形变较小ꎮ吊挂结构的前６阶振型模态分析显示ꎬ第６个节点时结构有明显弯曲扭转变形ꎬ第１~６节点的固有频率都避开了发动机的工作频率ꎮ疲劳分析结果显示了吊挂结构在循坏载荷下的疲劳寿命云图ꎬ安全系数和疲劳敏感特性曲线ꎬ当载荷变化幅度在５７.５％~８７.５％时ꎬ结构的寿命快速下降ꎮ有限元分析结果得到吊挂结构在不同工况下的受力及变形情况ꎬ为发动机的性能试验提供了理论指导ꎮ关键词:吊挂结构ꎻ强度ꎻ静力分析ꎻ模态分析ꎻ疲劳分析中图分类号:Ｖ２３１㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００７－４４１４(２０１８)０３－００５０－０５ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＡｅｒｏＥｎｇｉｎｅＰｙｌｏｎＢａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈＳＵＩＱｕａｎ－ｗｕ１ꎬＨＡＯＸｉｕ－ｑｉｎｇ１ꎬ２ꎬＴＩＡＮＡｉ－ｊｕｎ１ꎬＣＨＥＮＸｉｎ－ｗｅｎ２(１.ＪｉｎｃｈｅｎｇＧｒｏｕｐＣｏ.ꎬＬｔｄꎬＮａｎｊｉｎｇＪｉａｎｇｓｕ㊀２１０００２ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆ＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓꎬＮａｎｊｉｎｇＪｉａｎｇｓｕ㊀２１００１６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｐｙｌｏｎｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ.Ｓｔａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓꎬｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｆａ￣ｔｉｇｕｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｐｙｌｏｎａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ.Ｉｎｓｔａｔｉｃｓｔａｔｅꎬｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｙｌｏｎｉｓｓｍａｌｌ.Ｔｈｅｆｉｒｓｔ６ｍｏｄｅｓｏｆｔｈｅｐｙｌｏｎａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓ.Ｔｈｅｓｉｘｔｈｎｏｄｅｈａｓｏｂｖｉｏｕｓｂｅｎｄｉｎｇａｎｄｔｏｒｓｉｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬａｎｄｔｈｅｎａｔｕ￣ｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅ６ｎｏｄｅｓａｖｏｉｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｅｎｇｉｎｅ.Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｆａｔｉｇｕｅａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅꎬｔｈｅｓａｆｅｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｐｙｌｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅｃｙｃｌｉｃｌｏａｄ.Ｗｈｅｎｔｈｅｌｏａｄｖａｒｉｅｓａｒｏｕｎｄ５７.５％~８７.５％ꎬｌｉｆｅｏｆｔｈｅｐｙｌｏｎｄｅｃｒｅａｓｅｓｒａｐｉｄｌｙ.Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｙｌｏｎｕｎ￣ｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬｗｈｉｃｈｗｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒｅｎｇｉｎｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｐｙｌｏｎꎻｓｔｒｅｎｇｔｈꎻｓｔａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓꎻｍｏｄｅｌａｎａｌｙｓｉｓꎻｆａｔｉｇｕｅａｎａｌｙｓｉｓ０㊀引㊀言世界许多发达国家都将航空工业定义为国家战略性产业ꎬ既体现了一个国家国防安全的重要基础ꎬ也体现了一个国家的工业发展程度ꎬ是一个国家综合国力的体现ꎮ我国航空工业起步较晚ꎬ与发达国家相比有着很大的差距ꎮ航空发动机是飞行器的核心部件ꎬ因此发动机典型零部件的使用可靠性对航空业的进步有着重要的影响ꎬ而结构强度又是发动机可靠性的重要指标ꎬ也决定着发动机的使用寿命[１]ꎮ关于零件的强度分析ꎬ在早期设计活动中ꎬ受计算条件限制ꎬ设计人员只能对简单结构采用结构力学和材料力学方法进行计算分析ꎬ直到２０世纪６０年代大容量㊁高速度计算机的出现和有限元理论的成熟ꎬ有限元分析方法在飞机结构设计中得到广泛的应用ꎬ它可以近似的对复杂工程问题进行数值分析ꎬ计算精度随着分析模型和计算方法的发展已经可以达到飞机结构设计的要求ꎮ有限元方法是通过将无限自由度的连续域近似离散为有限自由度的离散域ꎬ以求解复杂结构问题的位移㊁应力的近似数值解ꎮ为建立复杂的大型结构的有限元模型并进行求解ꎬ近几十年来ꎬ有限元软件获得了巨大的发展ꎬ其中一些集图形化前㊁后处理功能与成熟计算器一体的大型通用有限元计算分析软件得到了广泛的应用ꎮ例如ＡＮＳＹＳ㊁Ａｂａｑｕｓ㊁ＡｌｔａｉｒＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ㊁Ｐａｔｒａｎ＆Ｎａｓｔｒａｎ等[２]ꎮＡＮＳＹＳ软件是融结构㊁流体㊁电场㊁磁场㊁声场分析于一体的大型通用有限元分析软件ꎬ它能与多数ＣＡＤ软件接口ꎬ实现数据的共享和交换ꎬ是现代产品设计中应用最为广泛的ＣＡＥ工具之一ꎮＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ结合了ＡＮＳＹＳ核心产品求解器的功能ꎬ采用项目管理工具进行分析项目流程管理ꎬ以图表流０５ ∗收稿日期:２０１８－０５－０８基金项目:中国博士后基金:润湿差异性表面织构改善刀具表面摩擦学特性的作用机制(编号:２０１７Ｍ６１０３２７)ꎮ作者简介:隋全武(１９６８－)ꎬ男ꎬ山东潍坊人ꎬ高级工程师ꎬＭＢＡ学位ꎬ研究方向:小型航空发动机研究ꎮ通讯作者:郝秀清(１９８３－)ꎬ女ꎬ山东寿光人ꎬ副教授ꎬ博士ꎬ研究方向:结构设计㊁先进制造工艺等ꎮ程的方式构造分析系统ꎬ具有简单易用的耦合场分析功能ꎮ且ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ具有先进的网格处理功能ꎬ可对复杂的几何实体进行高质量的网格划分ꎬ划分的结果可提供给不同类型的仿真过程使用ꎮ付建军[３]采用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ对对正常工作状态下的摆动马达的缸体㊁输出轴㊁叶片进行结构强度有限元分析ꎬ证明了这些零部件的设计可行性ꎮ李丽芬[４]基于ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ软件对施工升降机８ｍ大跨度运输通道结构进行有限元分析ꎬ得到符合要求的结构设计ꎬ优化结构得到应力图和变形图ꎮ田杰[５]用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ建立了液压机整体有限元三维实体模型ꎬ在中载㊁横向偏载㊁纵向偏载和斜偏载四种工况下对液压机进行有限元计算ꎬ研究了机架和立柱的应力分布和变形规律ꎮ郑继波[６]采用ＡＮＳＹＳ对某型民航飞机翼下发动机吊挂装置在典型工况下进行强度分析ꎬ得到位移㊁应力㊁振型等结果ꎮ发动机安装支架ꎬ作为支撑发动机的零部件ꎬ受到飞机工作过程中较大的动载荷ꎬ需要对其强度进行计算才可了解其工作时的可靠性ꎬ保证发动机的正常使用ꎮ对发动机吊挂结构进行强度计算是发动机设计的必要过程ꎬ也是保证发动机使用可靠性的必须步骤ꎮ针对发动机吊挂结构进行静力㊁模态㊁疲劳分析ꎬ选择ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ软件进行有限元仿真ꎬ得到吊挂结构在指定工况下的变形及受力情况ꎬ从而对发动机的实际试验具有理论指导意义ꎮ１㊀理论基础１.１㊀模态分析的理论基础模态是结构系统的固有振动特性ꎮ线性系统的自由振动被解耦合为Ｎ个正交的单自由度振动系统ꎬ对应系统的Ｎ个模态ꎮ每一个模态具有特定的固有频率㊁阻尼比和模态振型ꎮ这些模态参数可以由计算或试验分析取得ꎬ这样一个计算或试验分析过程称为模态分析ꎮ模态分析的经典定义是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标ꎬ使方程组解耦ꎬ成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程ꎬ以便求出系统的模态参数[７]ꎮ坐标变换的变换矩阵为模态矩阵ꎬ其每列为模态振型ꎮ对于模态分析ꎬ振动频率ωｉ和模态Φｉ是由下面的方程计算求出的:([Ｋ]－ω２ｉ[Ｍ]){Φｉ}＝０这里假设刚度矩阵[Ｋ]㊁质量矩阵[Ｍ]是定值ꎬ这就要求材料是线弹性的㊁使用小位移理论(不包括非线性)㊁无阻尼([Ｃ])㊁无激振力(无[Ｆ])ꎮ模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数ꎬ为结构系统的振动特性分析㊁振动故障诊断和预报㊁结构动力特性的优化设计提供依据ꎮ如果只考虑吊挂结构的静强度ꎬ很可能在设计过程中造成吊挂局部结构不合理ꎮ模态分析则主要是用来确定吊挂的振动特性ꎮ实际飞行中ꎬ发动机的振动是引起噪声的主要原因ꎬ对吊挂结构进行模态分析ꎬ不仅能够避免由发动机的振动引起的吊挂共振ꎬ造成结构上的破坏ꎬ而且还能很好的降低发动机振动的传递ꎮ１.２㊀疲劳分析的理论基础结构失效的一个常见原因就是疲劳ꎬ疲劳损坏发生在各种设备中的想象相当普遍ꎬ如果受损设备得不到及时的维修和更换ꎬ后果往往难以预料ꎮ当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后ꎬ在应力值始终没有超过材料的强度极限ꎬ甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏现象称为疲劳破坏ꎬ应力波动的每个周期都会或多或少的损坏物体ꎬ在循环一定数量的周期之后ꎬ物体会变得越来越衰弱ꎬ最终被破坏[８]ꎮ绝大多数机器或零件都是在交变载荷下工作的ꎬ这些零部件疲劳失效是主要的破坏形式ꎬ则对零部件结构进行疲劳分析必不可少ꎬ与疲劳分析相关的由疲劳周期㊁疲劳强度㊁载荷类型㊁应力循坏㊁循坏特征㊁应力－寿命曲线等特征量ꎮ进行疲劳分析是基于线性静力分析的ꎮ疲劳分析是在线性静力分析之后ꎬ通过设计仿真自动执行的ꎮ对疲劳工具的添加ꎬ无论在求解之前还是之后ꎬ都没有关系ꎬ因为疲劳计算并不依赖应力分析计算ꎮ疲劳分析的一般步骤如下:建立模型(指定材料特性㊁包括Ｓ－Ｎ曲线)㊁定义网格㊁设定载荷和约束㊁加载Ｆａ￣ｔｉｇｕｅＴｏｏｌ㊁设定需要的结果㊁求解模型㊁查看结果ꎮ２㊀有限元模型的建立为了提高仿真分析的准确性ꎬ首先需要定义被分析结构的有限元模型ꎬ包括建立三维模型㊁定义选择材料属性㊁划分分析网格㊁定义边界条件㊁施加载荷等步骤ꎮ２.１㊀三维模型的建立ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ可以接受多种格式的数据模型导入ꎬ例如:ＩＧＥＳ格式㊁Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式㊁ＡＣＩＳ格式等ꎮ在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ中建好的发动机吊挂结构的三维模型ꎬ直接导入到ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ中进行预处理ꎬ得到有限元模型ꎬ如图１所示ꎬ此模型可直接用于后续的有限元分析ꎮ２.２㊀材料属性及网格划分吊挂结构的材料为ＺＬ１０３铝合金ꎬ密度为２.７０ｇ/ｃｍ３ꎬ杨氏模量为７.１Ｅ＋１０Ｐａꎬ泊松比为０.３３ꎮ使用四面体单元形式对吊挂结构进行网格划分ꎬ单元尺寸为２ｍｍꎬ生成的网格如图２所示ꎮ１５图１㊀吊挂结构三维模型图２㊀吊挂结构的网格２.３㊀边界条件及载荷施加吊挂结构通过中间的四个孔使用螺钉固定ꎬ在这四个孔处施加固定约束ꎬ同时此处施加有２７Ｎｍ的拧紧力矩ꎮ吊挂结构外侧的四个耳处施加有２５０００Ｎｍｍ的扭矩ꎬ中间的输入面有０.２３４ＭＰａ的面载荷ꎮ另外ꎬ发动机重力还对吊挂施加有２００Ｎ的远端力ꎮ３㊀静力分析强度分析的第一步是首先对吊挂结构进行静力分析ꎬ使用ｓｔａｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ模块进行静力分析ꎬ设置变形和应力为求解项ꎬ结果显示静力状态下吊挂结构的整体形变(如图３所示)和等效应力(如图４所示)ꎮ图３㊀静力状态下吊挂结构的整体形变图４㊀静力状态下吊挂结构的等效应力㊀㊀静力状态下ꎬ吊挂结构的中间部分几乎无形变ꎬ外侧的四个耳部形变相对较大ꎬ其中一个耳的形变最大ꎬ为０.２９８８６ｍｍꎮ静力状态下ꎬ吊挂结构所受的应力也不大ꎬ局部位置(如:耳和孔的边缘处)所受应力较大ꎬ其中最大应力为１４４.２ＭＰａꎬ其他位置的应力都十分小ꎮ４㊀模态分析在吊挂结构静力分析的基础上加载ｍｏｄａｌ模块进行模态分析ꎮ模态分析需要对模型进行求解项设置ꎬ设置求解本吊挂结构的前６个节点(前６阶)模态ꎬ求解每个节点的整体变形和固有频率ꎮ第１节点处ꎬ吊挂结构有轻微的扭转变形ꎬ外侧四个耳端部变形较大ꎬ其中上方一个耳处的变形最大ꎬ中间位置变形较小ꎬ具体如图５所示ꎮ第２节点处ꎬ外侧四个耳处变形相对中间较大ꎬ其中上方一个耳处的变形较大ꎬ具体如图６所示ꎮ图５㊀第１节点处的吊挂结构变形图图６㊀第２节点处的吊挂结构变形图㊀㊀第３节点处ꎬ变形情况和第２节点处的类似ꎬ具体如图７所示ꎮ第４节点处ꎬ吊挂结构呈现出略微的弯曲变形ꎬ依旧是外侧４个耳端部的变形较大ꎬ中间几乎没有变形ꎬ其中下方两个耳端部的变形最大ꎬ具体如图８所示ꎮ第５节点处ꎬ吊挂结构有明显的弯曲变形ꎬ外侧４个耳端部的变形较大ꎬ中间几乎没有变形ꎬ其中上方两个耳端部的变形最大ꎬ具体如图９所示ꎮ第６节点处ꎬ吊挂结构为明显的弯曲扭转变形ꎬ外侧４个耳端部的变形较大ꎬ中间几乎没有变形ꎬ其中上方两个耳端部的变形最大ꎬ具体如图１０所示ꎮ需要注意的是ꎬ图５~１０中显示的数值结果只是用于在相同的振型模态中比较模型不同部位的２５相对形变ꎬ并不是具体的形变值ꎮ具体的形变值还需要根据外界激励情况获取不同的比例系数来计算获得ꎮ图７㊀第３节点处的吊挂结构变形图图８㊀第４节点处的吊挂结构变形图图９㊀第５节点处的吊挂结构变形图图１０㊀第６节点处的吊挂结构变形图㊀㊀模态分析的结果还可显示每个节点处的固有频率ꎬ从而用于分析避开发动机工作时的固有频率ꎬ避免引起共振ꎬ对结构造成振动破坏ꎮ第１~６节点的固有频率如表１所示ꎮ本吊挂结构的发动机工作状态下的转速ｎ＝２８００~６５００ｒ/ｍｉｎꎬ则发动机的工作频率ｆ＝４６.６７~１０８.３３Ｈｚꎬ则模态分析所得的固有频率均避开了发动机的工作频率ꎬ吊挂结构不会产生振动破坏ꎮ表１㊀６个节点的固有频率统计节点１２３４５６固有频率(Ｈｚ)５４５.２９６４８.４５７６４.８８９９８１５２５１７５２.７５㊀疲劳分析基于静力分析展开对吊挂结构的疲劳分析ꎬ首先设定材料属性ꎬ查看材料的疲劳寿命曲线ꎮ对结构设置输入正弦函数形式的循环载荷(如图１１所示)ꎬ其中纵坐标为比例系数ꎬ定义最小基本载荷变化幅度为１０％和最大基本载荷变化幅度为１００％ꎮ在求解选项下添加疲劳工具ꎮ进行疲劳分析前的重要步骤之一是修正平均应力对Ｓ－Ｎ曲线的影响ꎮ使用Ｇｅｒｂｅｒ法对平均应力的影响进行修正ꎬ对于修正应力集中的疲劳强度(降低)因子Ｋｆꎬ按照影响系数法近似选取为０.８ꎬ在疲劳工具中修改Ｋｆ为０.８[９－１１]ꎮ设置吊挂结构的设计寿命为２００００００００次循环ꎬ结果查看疲劳寿命ꎬ安全系数和疲劳敏感性ꎮ图１１㊀疲劳分析的输入载荷㊀㊀疲劳寿命云图ꎬ如图１２所示ꎬ显示的是由于疲劳作用直到失效的循环次数ꎮ其中结构下部边缘处具有最小的疲劳寿命ꎬ为１１５８２次ꎬ而中间位置下方的孔处具有最大的疲劳寿命ꎮ图１２㊀吊挂结构的疲劳寿命㊀㊀安全系数分布如图１３所示ꎬ显示的是一个在给定设计寿命下的失效ꎬ设计寿命为预先设定好的２００００００００次ꎬ给定的最大安全系数ＳＦ值为１５ꎮ依旧是结构下部边缘处具有最小的安全系数ꎬ为０.４５９３５０４ꎮ疲劳敏感特性曲线ꎬ如图１４所示ꎬ可以反映结构的疲劳敏感性ꎬ即结构的寿命㊁损伤或安全系数在临界区域会随载荷的变化而变化ꎮ横坐标表示载荷的变化幅度ꎬ当载荷变化幅度在５７.５％以内ꎬ寿命受载荷变化的影响不明显ꎬ当载荷变化幅度在５７.５％~８７.５％时ꎬ寿命快速下降ꎬ当载荷变化幅度大于８７.５％时ꎬ寿命接近于０ꎮ图１３㊀吊挂结构的安全系数图１４㊀吊挂结构的疲劳敏感曲线６㊀结㊀语零部件的强度和可靠性在航空发动机工作过程中至关重要ꎮ采用有限元分析的方法ꎬ基于ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ软件对某型航空发动机吊挂结构进行了静力分析㊁模态分析和疲劳分析ꎮ得到以下结论:(１)静力状态下ꎬ吊挂结构的中间部分几乎无形变ꎬ外侧的４个耳部形变相对较大ꎬ其中一个耳的形变最大ꎬ为０.２９８８６ｍｍꎮ在耳和孔边缘处的局部位置所受应力较大ꎬ其中最大应力为１４４.２ＭＰａꎮ㊀㊀(２)模态分析结果显示ꎬ第１节点处呈现轻微的扭转变形ꎬ第２㊁３节点处变形很小ꎬ第４节点处呈现出略微的弯曲变形ꎬ第５节点处有明显的弯曲变形ꎬ第６节点处明显的弯曲扭转变形ꎮ模态分析的结果还显示了吊挂结构第１~６节点的固有频率都避开了发动机的工作频率ｆ＝４６.６７~１０８.３３Ｈｚꎬ结构不会在发动机工作过程中产生振动破坏ꎮ(３)疲劳分析结果显示了吊挂结构在循坏载荷下的疲劳寿命云图ꎬ各个部位的安全系数ꎬ和疲劳敏感特性曲线ꎮ吊挂结构下部边缘处最容易疲劳失效ꎮ对于载荷变化对寿命的影响ꎬ当载荷变化幅度在５７.５％以内ꎬ寿命受载荷变化的影响不明显ꎬ当载荷变化幅度在５７.５％~８７.５％时ꎬ寿命快速下降ꎬ当载荷变化幅度大于８７.５％时ꎬ寿命接近于０ꎮ有限元分析的结果显示了吊挂结构在不同工况下的受力及变形情况ꎬ这对发动机的实际试验具有指导意义ꎬ同时也保证了发动机工作过程中吊挂结构的可靠性和耐用性ꎮ参考文献:[１]㊀程耀楠ꎬ张㊀悦ꎬ安㊀硕ꎬ等.航空发动机典型零件加工技术与刀具应用分析[Ｊ].哈尔滨理工大学学报ꎬ２０１４ꎬ１９(３):１１０－１１６.[２]㊀唐㊀维.民用飞机发动机吊挂连接件强度试验与分析[Ｄ].南京:南京航空航天大学ꎬ２０１４.[３]㊀付建军.ＨＳＥ０７型摆动液压马达的结构与强度分析[Ｄ].内蒙古:内蒙古科技大学ꎬ２０１４.[４]㊀李丽芬.基于ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ的施工升降机大跨度运输通道优化设计[Ｄ].成都:西华大学ꎬ２０１５.[５]㊀田㊀杰.某液压机多工况下结构强度计算的比较研究及实验验证[Ｄ].长沙:中南大学ꎬ２０１４.[６]㊀郑继波.民航飞机发动机吊挂结构优化设计[Ｄ].武汉:武汉理工大学ꎬ２０１３.[７]㊀凌桂龙ꎬ丁金滨ꎬ温㊀正.ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ１３.０从入门到精通[Ｍ].北京:清华大学出版社ꎬ２０１２.[８]㊀高长银ꎬ李万全ꎬ刘㊀丽.ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ１４.５建模与仿真从入门到精通[Ｍ].北京:电子工业出版社ꎬ２０１４.[９]㊀袁越锦ꎬ徐英英ꎬ张艳华.ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ１４.０建模仿真技术及实例详解[Ｍ].北京:化学工业出版社ꎬ２０１４.[１０]㊀马兴亮ꎬ王会利ꎬ张㊀哲.一种考虑力学因素的钢结构腐蚀疲劳寿命评估方法[Ｊ].钢结构ꎬ２０１５ꎬ３０(１１):９４－９７.[１１]㊀邢亮亮ꎬ仲梁维.基于ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ的管道疲劳强度分析及优化[Ｊ].软件导刊ꎬ２０１７ꎬ１６(７):１４５－１４８.４５。

基于ANSYS_Workbench_的发动机曲轴有限元分析

Modeling and Simulation 建模与仿真, 2023, 12(2), 1605-1611 Published Online March 2023 in Hans. https:///journal/mos https:///10.12677/mos.2023.122149基于ANSYS Workbench 的发动机曲轴有限元分析姚梦灿1，王笑含2，胡方旭11上海理工大学机械工程学院，上海 2上海航天设备总厂有限公司，上海收稿日期：2023年2月13日；录用日期：2023年3月23日；发布日期：2023年3月30日摘要本文对某型大功率V10发动机曲轴进行静力学分析。

首先在Pro/Engineer 中建立该发动机曲轴的三维模型，由于实际情况中，发动机曲轴始终在进行极为复杂的运动，所以对模型和受力受载荷简化，降低运算难度。

然后在ANSYS Workbench 中进行有限元分析，得到该发动机曲轴的应力和应变情况，最大应变为0.026187 mm ，最大应力为60.786 Mpa 。

最后我们得出该发动机的危险区域为连杆轴靠近曲拐处。

关键词发动机曲轴，ANSYS Workbench ，静力学分析Finite Element Analysis of Engine Crankshaft Based on ANSYS WorkbenchMengcan Yao 1, Xiaohan Wang 2, Fangxu Hu 11School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 2Shanghai Aerospace Equipment Manufacturer Co., Ltd., ShanghaiReceived: Feb. 13th , 2023; accepted: Mar. 23rd , 2023; published: Mar. 30th , 2023AbstractIn this paper, a static analysis of a certain type of high-power V10 engine crankshaft is carried out. First, establish a three-dimensional model of the engine crankshaft in Pro/Engineer. Since the en-gine crankshaft is always performing extremely complex movements in actual conditions, the model and the force and load are simplified to reduce the computational difficulty. Then perform姚梦灿等finite element analysis in ANSYS Workbench to get the stress and strain of the engine crankshaft. The maximum strain is 0.026187 mm and the maximum stress is 60.786 Mpa. Finally, we conclude that the dangerous area of the engine is that the connecting rod shaft is close to the crank.KeywordsEngine Crankshaft, ANSYS Workbench, Statics AnalysisCopyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0)./licenses/by/4.0/1. 引言发动机是一辆汽车的心脏，它负责将然后燃烧的内能转化为动能传输给汽车的其他部件，使得汽车能正常的运转[1] [2]。

基于ANSYS的发动机缸体模态分析

基于ANSYS的发动机缸体模态分析文章以某四缸发动机缸体为研究对象，采用ANSYS软件进行模态分析。

首先在UG软件中建立发动机缸体的三维实体简化模型；然后将发动机缸体的模型导入ANSYS软件中划分网格；最后采用自由模态方式进行分析，获得发动机缸体的各阶固有频率和振型，分析发动机工作时外在激励对缸体的影响，为发动机缸体的优化设计和动力学分析提供理论依据。

标签：发动机缸体；实体模型；有限元；模态分析；振型1 概述发动机缸体是构成发动机的基体，起着保证发动机的动能产生和动力输出的作用。

发动机工作过程中，缸体承受着气缸内混合气燃烧所产生的爆发力、活塞连杆往复运动惯性力等周期性的载荷，这些载荷形成周期性激励。

发动机缸体质量较大，振动时对整车的影响也较大。

为了防止周期性的激励引起发动机缸体的共振，需要获得其固有频率和振型，从而在设计时避开外在激励频率，因此有必要因此有必要分析发动机缸体的模态。

典型的无阻尼模态分析是经典的特征值求解问题[1]：式中，K-刚度矩阵；？啄i-第i阶模态的特征向量；Wi-第i阶模态的固有频率；M-质量矩阵。

发动机缸体为铸造的箱体类零件，其表面上分布着各种凸台、加强筋和轴承孔，内部有气缸套、水套、油道孔和一些纵、横隔板等，结构很复杂，无法用单一的数学模型进行模态分析。

随着计算机硬件和软件技术的发展，采用计算机进行有限元分析已经成为一种切实有效的方法。

ANSYS是一种通用工程有限元分析软件，广泛应用于汽车、机械、电子、航空航天等各种领域[2]。

虽然ANSYS软件具有强大的有限元分析功能，但其几何建模功能相对较弱，在ANSYS软件中对复杂的发动机缸体建模相当困难。

因此，本文先在三维建模软件Unigraphics（以下简称UG）中建立发动机缸体的三维实体模型，然后导入ANSYS中进行模态分析。

2 发动机缸体实体模型本文以某四缸柴油机缸体为研究对象。

建立有限元模型时，理论上应详细表达缸体结构特征以准确分析，但模型过于复杂会导致难以计算，因此有必要对缸体模型进行简化。

基于ANSYS的耙装机工作装置仿真分析

２耙装机工作装Ｉ结构及工作原理
在工况１条件下，工作装置主要受切向力和自身重力作用，表２分别表示在工况ｌ情况下，各个组焊件危险截面的位置及应力值。图２为结构有限元分析应力云图。工况１是工作装置的小臂液压缸作用力臂最大，铲斗液压缸以最大当量力臂工作的位姿。经过计算与分析可知，该受力情况下在铲斗斗齿尖处出现的最大变形为３０．５８５ｍｍ，在大臂油缸耳板根部出现的最大应力为２１４．２１ＭＰａ，远小于使用材质的许用应力。同时，在工况１的受力情况下，最危险截面出现在大臂油缸耳板根部。工况２分析计算，在工况２条件下，工作装置主要受切向力和自身
３９４ＭＰａ，远小于使用材质的许用应力。５结论
将耙装机工作装置Ｐｒｏ－Ｆ￣型导入有限元分析软件ＡＮＳＹＳ中，并对其进行网格划分。参照ＧＢ／Ｔ９ｌ４ｌ一８８《液压挖掘机结构强度试验方法和ＪＢ／Ｔ５５０３ — ２Ｏ０４《立爪挖掘装载机，并结合现场实践经验，提出２种工况进行有限元分析，各工况下工作装置的位姿描述及载荷施加情况，如表１所示。
重力作用，表３分别表示在工况２隋况下，各个组焊件危险截面的位置及应力值。
耙装机工作装置主要由大臂、小臂、铲斗及相应驱动油缸组成，杆件及油缸之间全部采用铰链连接。按照优化后的工作装置结构参数，采用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｒ￣件建立大臂、小臂、铲斗及连杆的三维几何模型，并按照装配图要求进行装配，如图ｌ所示。在建模过程中，忽略了不影响计算结果的倒角、缓冲橡胶底座等要素。在实体模型中均焊缝处均按照连续角焊缝处理，其材料性质按照与母材相同处理。这样可以在保证ＡＮＳＹＳ求解精度的同时，提高其求解速度，提高效率。