毕业设计开题报告格式.docx

大学毕业设计开题报告学生姓名学号学院系专业设计题目指导教师年月日毕业设计开题报告1结合毕业设计情况根据所查阅的文献资料撰写2000字左右的文献综述文献综述课题名称柴油机连杆模态分析一本课题研究的目的研究连杆的受力情况包括动静载荷以改进发动机连杆的设计和受力状况连杆是汽车发动机的主要传动部件之一其大头孔与轴承连接小头孔通过活塞销和活塞连接将作用于活塞的气体膨胀压力传给曲轴又受曲轴驱动而带动活塞压缩气缸中的气体1连杆是柴油发动机中传递动力的重要零件它把活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动并将作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率1在发动机工作过程中连杆受膨胀气体交变压力的作用连杆除应具有足够的刚度和强度外还应尽量减小连杆的自身的质量以减小惯性力的作用2连杆在工作中承受着急剧变化的动载荷再加上连杆的高频摆动产生的惯性力会使连杆杆身发生变形轻则会影响曲柄连杆机构的正常工作使机械效率下降重则会破坏活塞的密封性能会排放恶化甚至造成活塞拉缸拉瓦使发动机无法正常工作因此对其刚度和强度提出了很高的要求所以对连杆的强度和刚度分析在连杆设计中占有很大的比重随着大型有限元软件的出现以及计算机技术的发展使得用现代设计理论和方法对发动机的各个构件进行设计研究越来越频繁连杆作为内燃机结构中的一个重要构件其使用可靠性对整个发动机的可靠性有着决定性的影响传统的连杆设计基本上为静态设计而对连杆的动态特性很少涉及但随着发动机的高速化和大功率化静态设计越来越不能满足需要往往在进行静态强度校核以及有限元静态计算时认为强度足够而在多次使用中却发现连杆上出现裂纹这致命的损坏现象因此用现代设计方法进行连杆的动态特性研究已经成为连杆设计中的重要环节用有限元法对连杆的强度进行了分析有时由于条件的限制所建立的模型有一些不太合理的地方连杆在气体爆发压力最大时不仅受到轴向压力而且还会受到一定弯矩的作用同时对于边界条件的处理也存在着不足因此采用先进的有限元工具和合理的计算条件对车用发动机连杆进行分析才能得到更精确地结果2自从三维实体特征建模软件上市ProENGINEER及UG引入复合建模的概念可以实体建模曲面建模薄壁建模半参数化及参数化建模融为一体被广泛地应用在机械汽车航天等行业并能自动进行干涉检查的高级装配功能模块最先进的CAM模块以及具有A类曲线造型能力的工业造型模块它在全球迅猛发展占领了巨大的市场份额已经成为高端及商业CADCAECAM应用开发的常用软件3模态分析是研究结构动力特性一种近代方法是系统辨别方法在工程振动领域中的应用模态是机械结构的固有振动特性每一个模态具有特定的固有频率阻尼比和模态振型这些模态参数可以由计算或试验分析取得这样一个计算或试验分析过程称为模态分析这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的则称为计算模态分析如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数称为试验模态分析如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应因此模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法4有限元法FiniteElementMethod简称FEM作为模态分析的方法是一种数值离散化方法根据变分原理求其数值解因此适合于求解结构形状及边界条件比较复杂材料特性不均匀等力学问题能够解决几乎所有工程领域中各种边值问题平衡或定常问题动态或非定常问题有限元法的基本思想是在对整体结构进行结构分析和受力分析的基础上对结构加以简化利用离散化方法把简化后的边界结构看成是由许多有限大小彼此只在有限个节点处相连接的有限单元的组合体然后从单元分析入手先建立每个单元的刚度方程再用计算机对平衡方程组求解便可得到问题的数值近似解用有限元法进行结构分析步骤是结构和受力分析离散化处理单元分析整体分析引入边界条件求解5二国内外研究现状及发展趋势1连杆的结构连杆由连杆小头连杆杆身和连杆大头构成连杆杆身一般都采用从大头到小头逐步变小的工字型截面形状为了保证发动机运转均衡同一发动机中各连杆的质量不能相差太大因此在连杆部件的大小头两端设置了去不平衡质量的凸块以便在称量后切除不平衡质量5连杆大小头两端对称分布在连杆中截面的两侧考虑到装夹安放搬运等要求连杆大小头的厚度相等基本尺寸相同在连杆小头的顶端设有油孔或油槽发动机工作时依靠曲轴的高速转动把气缸体下部的润滑油飞溅到小头顶端的油孔内以润滑连杆小头衬套与活塞销之间的摆动运动副62连杆的工况连杆机构是发动机实现热功转换的主要机构其主要功用是将气缸内气体作用在活塞上的力转变为曲轴的旋转力矩从而输出动力73连杆的分析方法a传统方法对连杆的分析通常忽略次要载荷而取五种主要机械载荷即衬套装配预紧力连杆螺栓预紧力作用在连杆小端的最大拉伸载荷活塞组件及连杆本身的惯性力和最大压缩载荷气体爆发压力和惯性力的共同作用8以往对连杆的分析往往是对连杆进行单独计算且为节省时间往往对连杆大小头部分所承受载荷进行简化分析而这对载荷和约束的处理就带来了一定的困难载荷近似认为按余弦规律分布并且是离散的作用到大小头内表面如果将变形放大100倍之后可以发现连杆的受力变形情况很明显连杆小头和大头的变形情况出现不同程度的失真这是由于作用在节点上的载荷力方向和大小始终不变所以当连杆受力发生变形时加载到节点上的力就不能反映真实的受力情况9约束一般都是加载到杆身的节点上或者是加到连杆的大头内表面这种约束的加载不符合真实的连杆受约束情况容易造成不可知的误差而且在约束处会产生大的应力集中不能如实的反映连杆的应力分布10b有限元分析法连杆的有限元分析建模模型经历了一个由简单到复杂由浅入深的演变发展过程从最早的曲梁模型到20世纪七八十年代的平面连续模型以及90年代至今的三维实体模型经过近50年特别是最近30年的发展有限元的基础理论和方法已经比较成熟有限元计算结果可以作为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据11在内燃机领域使用有限元方法可以很直接的分析内燃机零部件的结构问题热载荷问题和缸内的流场问题连杆的计算分析在早期多采用经验公式有限元理论和方法提出后迅速在连杆分析上得到广泛应用有限元技术的应用提高了内燃机零部件设计的可靠性缩短了设计周期大大推动了内燃机工业的发展近几年来随着软硬件水平的提高活塞连杆组有限元技术又取得了很多新的进展12在进行内燃机零部件结构的可靠性分析中通过数值方法求取零部件的载荷响应是必不可少的目前在工程领域内常用的数值模拟方法有有限元法边界元法离散单元法和有限差分法究其广泛性而言主要还是有限单元法13随着计算机的发展与应用有限元法用于解决工程技术问题得到了越来越广泛的重视目前国外柴油机零部件有限元分析课题基本集中在应力位移场分析温度场分析及振动分析三个方面另外基于有限元分析结果的结构疲劳寿命预测也已逐渐发展起来国外许多著名发动机研究机构如奥地利AVL研究所英国Ricard研究所美国ATAC以及主要发动机生产厂商如美国GMFORD日本NlSSANTOYOTA德国MTR等广泛开展了发动机零部件的有限元分析发表了大量的研究报告和论文14分析的零件小到橡胶密封圈大到整个机体缸盖几乎涵盖了所有需要分析的零件近几年来柴油机零部件有限元分析的一个特点是分析更加精确细致特别对小型零部件开始采用非线性模型进行接触问题的分析研究柴油机零部件有限元分析的另一个特点是需要先进的前处理技术和高配置硬件设备以进行大规模复杂零部件的分析这类零件主要包括曲柄连杆机构及其固定件曲轴连杆活塞的计算己经在原来二维模型的基础上进行三维模型的分析充分考虑零件细节对零件应力分布或温度分布的影响机体的刚度强度分析及噪声预测己经用于机体的结构修改研究连杆工作的可靠性问题长期以来一直是人们在发动机研究和改造过程中关注的热点问题对连杆进行结构分析国内外有大量的文献报道归纳起来主要是以下几个方面有限元强度应力分析动态响应分析可靠性分析和优化分析目前内燃机连杆优化设计的研究还主要是在一些科研单位对优化后的结果进行产品考核试验还不是很多如何真正的将这个技术应用于连杆生产厂家的实际设计和生产也是急需研究的课题15结合本行业设计经验及工艺条件由发动机和计算机等多方专业技术人员配合进行原型移植和二次开发才是我国柴油机行业计算机辅助设计的发展道路国内己有大连理工大学冯立岩博士薛冬新博士等人在这方面进行了有益的探索并取得一些重要成果钱丽丽在连杆大头曲柄销接触的三维有限元素法计算中对连杆大头曲柄销的接触力情况进行了详细的研究认为沿活塞销轴线方向的各接触面的接触角度是不同的越靠近中间接触面接触角度越小接触角度的大小大约在120180之间这与曲柄销受力向下弯曲有关接触力大小也是越靠近中间接触面越小1620世纪80年代末到90年代初采用常单元插值线性单元插值和边界元等方法对连杆进行平面应力应变分析近几年采用连杆多质量代替系统的准静态平面变厚度有限元法由最大应力和最小安全系数来判别强化后连杆的安全性并提出改进连杆结构的途径17对连杆的三维实体应力应变分析开始于90年代初国内外许多高校发动机厂商和科研单位对各种型号发动机的连杆进行了强度和应力分析确定了不同载荷下的高应力区及其变形形状计算出连杆最危险部位的安全系数从而为连杆的改进设计提供依据18连杆静态应力的精确计算已经成为人们关心的焦点之一这就要求进一步改进边界条件的处理技术如各种载荷的精确计算考虑连杆使用中的变形考虑轴承油膜的刚度阻尼特性采用接触算法达到能真正模拟各组件之间的接触行为等考虑振动作用的连杆动态强度计算是连杆的研究发展方向之一19随着发动机高速化大功率化动态计算是对连杆结构进行合理设计计算疲劳强度提高使用可靠性的必要手段国内外近年来对内燃机连杆进行了很多动态研究取得了令人满意的进展考虑振动作用的连杆动态分析将成为连杆分析的重点对影响连杆可靠性分析的因素进行详细的机理研究也是重点内容之一20三意义1本次毕业设计前处理利用ProE软件计算分析及后处理利用Ansys软件按柴油机连杆受拉的受压的两种工况对其进行有限元计算分析主要应用了接触和边界非线性的原理的到了连杆其中还包括连杆盖预紧螺栓预紧螺母活塞销连杆大头轴瓦和连杆小头衬套的应力图和它们的安全系数为连杆的设计和制造提供了充分的数据资料具有很高的工程使用价值2本次毕业设计一方面是对大学生四年来所学理论知识和实际联系的一种体现另一方面锻炼学生的独立思考自我创新的意识能力参考文献1吴植民汽车构造北京人民交通大学出版社1986022楼华山楼江燕杨靖虚拟样机技术在柴油机中的应用科技咨询导报20079353吴衍平陈国华马元镐发动机连杆的三维整体形状优化设计的研究车用发动机1998221244范蒙姜树李SL4105柴油机的连杆杆身的变形分析农机化研究200672175屠丹红连杆组件的有限元分析J内燃机学报20042356马天兵基于ANSYS的滚动轴承的有限元分析J煤矿机械200425266687施兴子连杆有限元法分析的边界条件的研究J武汉水运工程学报19941821221278彭智晶模具设计技能培训ProENGINEER中文版华南理工大学广州汽车学院J北京人民邮电出版社20107430509吕洋波等ProENGINEERWildfire40动力学与有限元分析从入门到精通M北京机械工业出版社201010张定华工程力学M北京高等教育出版社200011孙岩等机械设计课程设计M北京理工大学出版社200712徐中华张茜程伟基于ProENGINEERWildfire40和ANSYS的四缸曲轴有限元模态分析45机械工程与自动化J2009451213周龙保内燃机学机械工业出版社200532532714王天灵493柴油机连杆三维有限元分析J小型内燃机1998431324615李春旺解武杰杨尊袍傅振堂孙强基于ProENGINEERWildfire40预处理的ANSYS有限元分析方法空军工程大学学报自然科学版J20091051316GuaglianoMTerranovaAVerganiLTheoreticalandExperimentalStudyoftheStressConcentrationFactorinDieselEngineCrankshaftsJTransASMEJMechDes20081153475217FabriziolessandroUReboraFiniteElementAnalysisofDynamicallyLoadedJournalBearingsInfluenceoftheBoltPreloadASME200212448649318矫津毅岂兴明等ProENGINEERWildfire40基础入门与范例精解机械工业出版社19甘登岱等ProENGINEER2000ii平方与三维模型设计清华大学出版社20刘刚刘作成ProENGINEER2000ii基础与实例教程北京希望电子出版社21杜鹏刘辉汽车零部件22吕彩琴苏铁雄柴油机连杆的有限元疲劳强度分析J华北工学院报20022311519毕业设计开题报告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段途径1本课题研究的主要内容实验设计方案预期效果研究内容a熟练掌握ProENGINEER实体设计软件的应用方法b通过阅读大量文献熟悉柴油机的构造和应用c掌握汽车零部件测绘实体造型方法对柴油发动机连杆进行测绘d对连杆进行有限元分析提出连杆设计改进意见分析设计方案a根据连杆的相关尺寸利用ProENGINEER画出连杆三维图形b对连杆进行有限元分析提出连杆设计改进意见预期成果a用有限元分析法变连续结构为离散结构取代了传统的理论分析通过ANSYS软件可以比较精确地反映各点的受力情况为连杆的结构优化提供充分的理论数据b虽然在面载荷的作用下产生的等效应力远小于其材料的许用应力大轴孔的变性很小但是小轴孔的变形量非常大接近于许用的变形量故其有刚度不足的缺陷有必要对柴油机连杆进行结构改进以减轻重量改善性能节约成本c动态演示出连杆受力变形的过程并可借助于后处理器绘出相应的变化曲线使我们清楚地掌握其变化规律和变化特性2进度安排1确定毕业设计论文的选题收集资料完成开题报告2整理资料学习ProENGINEERANSYS使用方法对连杆进行数据测绘3对连杆进行实体造型并进行有限元分析完成毕业设计论文撰写说明书4完成毕业设计论文答辩及成绩评定毕业设计开题报告指导教师意见指导教师年月日所在系审查意见系主任年月日