22-AVL-蓝军-AVL-EXCITE-Designer分析中的一些问题

1AVLEXCITEDesigner分析中的一些问题蓝军（AVLAST，上海榕桥路327号）摘要：讨论了在AVLEXCITEDesigner分析中许多客户存在的一些问题。关键词：曲柄臂定义；曲轴前后端定义；扭振分析；强度分析；轴承分析主要软件：AVLEXCITEDesigner1.前言EXCITEDesigner是发动机轴系初期设计所需的工具,可进行轴承分析、扭振分析和强度分析。它集成了传统经典分析方法，一般工程设计人员容易理解，而且由于输入数据要求较少，分析快捷，是曲轴系设计分析的有效助手。2.界面问题z模型中的坐标系是什么类型？答：Cranktrainglobal中是直角坐标系，Designer中建议定义为曲轴绕x轴顺时旋转，第一拐垂直朝上Y向，不管是直列还是V型。轴承中的坐标系是柱坐标系，详见手册。zV型机的气缸编号？答：一般所称的气缸编号是：排完一列，再排另一列。但Designer模型中要按曲柄销从左到右的顺序。另外其它所有模块的顺序必须从左到由，包括活塞、连杆、大头轴承、主轴承，千万不能乱排，无论是V型还是直列。z为什么模型定义好后，CrankTrainGlobals中的数据总是有问题？图1图1CrankTrainGlobals中的错误答：这里的数据是从ShaftModele自动导出的，所以一定是ShaftModeler定义曲轴时的错误造成的，包括每个曲柄臂尺寸，第一主轴承中心点位置（瓦几何中心位置，见图2）等。图2第一主轴承中心点位置错误错误2z曲柄臂中，当Pin-SideRadius的数值输入-112.5mm，就警告，不计算质量惯量？图3图3曲柄臂定义图4曲柄臂质量惯量答：Pin-sideoffset是指pin-sideradius距连杆轴颈中心线的距离（含正负）。Pin-sideoffset不能偏离过大，否则不能计算质量、惯量和重心，而且Cranktrainglobal中MainBearingLocations等数据也无法自动导出。这是由于程序对拐形状参数有一定限制。一般图纸中，上部R3可能是由几段弧组成的，必须多试几种半径R3和偏移量搭配，把形状基本描述出来就可以了，一般pin-offset超出±R3尺寸的一半就可能警告，所以多试几次。如果形状过难描述，则最好直接用3D模型数据填入。z曲柄臂WebMassData是曲柄臂还是半拐？是否包括凸台、圆角、油道等。图4。答：EXCITEDesigner中的质量质心和转动惯量只是曲柄臂（与BRICKS的定义不同），含凸台，但不含主轴颈圆角和曲柄销圆角。主轴颈和曲柄销的尺寸和质量惯量等由其各自的模块计算。Designer输入数据中，扭转刚度是半拐的，程序可以自动计算。如果拐的形状较难定义，也可以3D模型测量得到数据。油道不用详细考虑。z将曲柄臂划分成平衡重和不带平衡重的曲柄臂时，注意些什么？答：定义不带平衡重的曲柄臂，分割下的部分做为平衡重惯量，这样只是为了方便定义。都带平衡重时，可以用简单的圆以外的部分做为平衡重，也是为了定义方便。从而不去管实际的平衡重的几何形状和质量惯量。z曲柄臂WebMassData及CounterWeight中都有Angle（质心角度），是如何定义的？答：所有的臂和平衡重都按其质心的实际位置与垂直向上的夹角来计。定义时，建议第一拐朝上，垂直向上为零度，则质心角度按照顺时针旋转为正的方向。z如何填写Web中CrossSectionArea栏的AxialPositionofWeb'sNeutralAxis值？答：若程序计算质量刚度，则程序计算该值，不可更改。当自定义臂质量时，AxialPositionofWeb'sNeutralAxis大体等于臂的质量中心线（约等于臂一半的几何位置）。zCrossSectionArea是曲臂投影面积还是剖切面积?3答：截面定义用于强度计算，一般采用geometry的方法，比较直观。z如何计算半拐扭转刚度？答：以Nastran定义为例，（1）建立半拐有限元模型（半拐包括：半个连杆轴颈＋一个曲柄臂＋半个主轴颈），（2）在1/2连杆轴颈端面全约束，（3）在1/2主轴颈端面施加扭矩（横截面需做RBE2），（4）查看扭转角度（可以申请在f06中写出扭转角度）。z填写曲轴材料数据时，阻尼系数如何填写？见图5答：相对于减振器阻尼，金属材料阻尼很小，曲轴阻尼系数(ProportionalDampingCoefficient)一般填0.01∼0.03，飞轮、或减振器中的绝对阻尼Absolutedamping可以填为0。图5曲轴材料阻尼图6飞轮端定义z如何定义曲轴飞轮端？图6答：扭振模型当量的准则是：当量模型与原结构相当，包括惯量和扭转刚度。相对于主轴颈刚度来说，从法兰开始的阴影线部分扭转刚度较大，可只做为一个惯量考虑，计入飞轮模块即可，即飞轮总成惯量（包括法兰盘、in-pin、螺栓等）。如果考虑装车的话，建议将离合器也加上。z曲轴从前端到后端的连接有：皮带轮、正时齿轮、平衡轴驱动齿轮和飞轮，如何建模？答：扭振模型当量中，扭转刚度远大于主轴颈的段都可只当量为质点，主要指那些直径远大于主轴颈直径，长度远小于主轴颈的。包括你上面说的部件，与曲轴有刚性连接或传动关系的惯量，都可单独定义为一惯量模块，图标可选择为pulley,toothedwheel,flywheel。有啮合的齿轮，按速比，将从动轮的惯量折算成曲轴中心线的当量惯量，填入主动轮。图7和图8是两种常见的装配方式，这里的连接刚度一般不会小，这里同时也是为了方便定义，大致可按图处理，一般来说对扭振结果的影响不会太大。图7前端模型：带正时齿轮图8前端模型:带减振器z皮带轮驱动水泵同时兼作减振器的作用，在SHAFTMODEL中用什么模块？答：它就是减振器的ring，用damper模块，见图8。4zCrankPin和MainJournal模块的惯量是如何处理的？答：质量和绕曲轴旋转轴的惯量，程序会自动算的，不必手算。3.平衡问题z考虑平衡轴时是否需用BalancerShaft体单元?答：BalancerShaft模块是属于EXCITE的，不属于EXCITEDesigner。不能使用，算平衡率直接填写CrankTrainGlobals中的Unbalancez进行曲轴扭振分析，是否需要考虑平衡轴的影响？答：有平衡轴的结构，计算扭振、强度和轴承时都应考虑平衡轴的影响。第一，为考虑其惯量对扭振的影响，在Shaftmodeler曲轴模型中，应将平衡轴的惯量换到曲轴上对应的啮合齿轮上；第二，为计算平衡率，在CrankTrainGlobals中，要填入Unbalance平衡轴的相关内容，在计算的rpt文件中查到平衡率结果。z平衡轴的惯量如何换算。答：比如：平衡轴/曲轴的速比＝2，平衡轴惯量换到曲轴上时，当量惯量＝平衡轴惯量/44.转速不均匀性问题z要看每个节点的转速不均匀度吗（Speedirregularity）？答：只需检查飞轮转速不均匀，车用发动机最好小于2%以下，与飞轮惯量和扭振有关。z我的飞轮转速不均匀度随转速升高而减小，只有在标定转速附近才在0.02以下，这算符合要求吗？答：要看输出扭矩不均匀度的要求，不同用途要求可能不同。比如用于船舶主机的，要求会更严格。5.扭振计算z只进行曲轴扭振分析，不设定机油类型及轴承模块，行吗？答：可以。但扭振会影响曲轴强度的，建议进行强度计算。z扭振计算是否要考虑泵和阀系的影响？答：一般来说，它们的转动惯量应折算到扭振模型中，而其载荷对曲轴的影响较小，可忽略。z扭振分析时，轴系的临界转速有什么用？答：轴系的临界转速＝轴系固有频率×60/i，i-谐次。了解扭振可能出现的转速。z第一主振型结点在第一曲柄销处（不在最后一个曲柄臂之外），有问题吗？答：尽量避免第一扭转模态的结点在曲柄销上。z强迫振动结果中列出了各节点的扭振振幅，需要对哪个节点的扭振特别关注？5答：一般评价减振器hub的扭振就可以了。没有减振器的，就看前端的皮带轮。z查看各节点扭振振幅时，是否只需查看各谐次的振幅，而不需查看合成振幅？答：合成的和分谐次的评价限值有所不同。一般看各谐次的就行。车用发动机一般检查扭振扭角就行，但是，最终都归在应力上，检查包括圆角应力和轴段截面应力在内的结果。船用发动机有严格的轴段剪切应力评判标准，可见相应标准。aws4.1中的EXCITEDesigner版本给出轴段应力，包括简谐分量。z6缸的发动机扭振中，Hub的综合振幅包括3谐次以前的吗？答：一般由Hub的结果反映扭振状况。其综合振幅(synthesis)是所有谐次的幅值之和，不考虑相位，包括0.5~12的所有谐次，对于车用直列6缸机，重要的谐次是3,4.5,6等。要分析与模态频率相关的扭振结果，其中有峰值突起的，并且对应于相应固有频率的临界转速的。z减振器动态扭转刚度如何估算？答：对于橡胶减振器，厂家一般有静刚度可用，通过它可了解其工作频率。硅油减振器，先确定主要减振频率，再推算动刚度，最后由Designer的强迫扭振计算来优化。z减振器的减振频率（减振器第一阶工作频率）是否与轴系第一阶扭转固有频率相同？答：不一定相同。比如对于6缸以上的机子，减振器要兼顾第一和第二扭转振型，所取的减振频率可能在这两个频率中间。但对于车用四缸机，第一扭转占主导时，基本上就是第一扭振固有频率。由于有无减振器，轴系的惯量并不相同，所以固有频率也是不一样的，要详细优化的话，其实是需要做变参计算（在估算的刚度和阻尼值基础上，取一定范围中的几个值，做组合计算），从中挑选最佳值。z减振器本身如何评价？答：（1）减振器能耗，对于硅油减振器可以推算工作温度，可查阅相关资料，至于工作温度限值，可问减振器厂，一般最大不超过80～90度。（2）ring和hub的相对扭角，不超过许用范围。z查看各单元最大扭矩时，是查看Max.DynamicTorque图还是Max.TotalTorque图？评判标准是什么？答：Max.TotalTorque＝扭振扭矩Max.DynamicTorque＋输出static。有些部件如齿轮、联轴节要用许用扭矩来限制，用Max.TotalTorque来评判。许用扭矩由厂商提供。z齿轮的许用扭矩在零件图中没有明确表明？减振器的许用扭矩如何获得？答：齿轮许用扭矩由齿轮箱厂提供。橡胶减振器的话，其许用扭矩问减振器厂。橡胶的减振器许用扭矩：与零件公差、橡胶安装挤压工艺、和胶水粘结强度等有关，不同供应商可能差别很大。6.强度问题z在结果文件strength_web.RES中可以找到程序计算的应力集中系数，它们精度怎样？StressconcentrationfactorsaccordingtoFVV.6----------------------------------------------ALFA:2.994（弯曲时主轴颈圆角）3.400（弯曲时曲柄销圆角）ALFGQ:3.301（压缩时主轴颈圆角）ALFT:2.172（扭转时主轴颈圆角）2.299（扭转时曲柄销圆角）答：如果觉得有些出入，我的建议最好用有限元计算一下。有限元应力集中系数的计算详见培训教程。计算扭转、弯曲、压缩情况下圆角的应力集中状况。要求保证圆角网格足够细密。理论上，实体单元的节点只有三个平移自由度，需处理获得扭转自由度后，才能加力矩。不同软件的处理方式不同，Nastran中用RBE2。z主轴颈圆角安全系数才1.4？答：在确保计算模型是正确有效的前提下，EXCITEDesigner计算的安全系数至少大于1.6，最好大于1.8。如果大于2.0，基本上就可以完全放心了。若圆角等尺寸无法改动，则要调冷加工精度和整热处理工艺等，最后也可调整材料。z活塞销强度计算？答：可使用活塞销强度计算工具，计算最大爆压工况和最高转速工况的应力。7.轴承分析问题z主轴承和连杆轴承的最小油膜厚度、最大单位载荷、最大油膜压力、摩擦损失、轴承载荷的限值？答：（1）最小油膜厚度：一般期望工作在液动润滑状态，即5倍表面粗糙度之和，但可能在瞬间稍小于此值，从而车用发动机约1.5micro，中大型船