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使用 COMSOL 对往复式发动机的曲轴进行转子动力学分析
2018-06-04 13:13:27· 来源：COMSOL
由于曲柄销的偏心和机械零件上的平衡块，往复式发动机的曲轴会在旋转过程中产生自激振动。在本文中，我们将使用“转子动力学模块”来准确研究转子的响应和轴上平衡块的轨道，“转子动力学模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件和“结构力学模块”的附加产品。工程师可以基于仿真结果，改进曲轴的设计以减少振动，并优化发动机的性能。
由于曲柄销的偏心和机械零件上的平衡块，往复式发动机的曲轴会在旋转过程中产生自激振动。在本文中，我们将使用“转子动力学模块”来准确研究转子的响应和轴上平衡块的轨道，“转子动力学模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件和“结构力学模块”的附加产品。工程师可以基于仿真结果，改进曲轴的设计以减少振动，并优化发动机的性能。
分析往复式发动机中的各个部件
往复式发动机目前是汽车行业的主流发动机。发动机中的一个零件出现故障就有可能导致整个发动机无法正常工作。之前的一篇文章在分析往复式发动机连杆的疲劳时，曾强调过这一因素。在通过疲劳分析对发动机设计进行优化，延长其工作寿命外，我们还需要将其他发动机零件纳入分析中。
对三缸发动机往复式连杆的疲劳寿命的预测。
我们以发动机的曲轴为例进行讨论。这个机械零件带动与之相连的活塞做往复运动，并将往复运动转变为旋转运动。按照设计意图，曲柄销（有时也被叫做曲轴颈）偏离旋转轴线，使两种运动之间的转变成为了可能。但当曲轴旋转时，曲柄销的偏心会产生离心力。为了平衡这些力，人们在曲轴上添加一些质量块或平衡块。不过，由于曲柄销上的平衡块产生轴向偏移，沿长度方向上产生了不平衡的弯矩。所以一定要选好平衡质量的位置，才能使不平衡弯矩最小化，或者称为平衡转子。
曲柄销和平衡块的离心率及其之间的轴向偏移，可能会导致曲轴在旋转时经受自激振动。其他带旋转零件的机械也不例外，这些振动会影响单个零件与整个设备系统的安全性和性能表现。
最新的“转子动力学模块”提供了专业功能，方便用户对发动机的曲轴进行精确的振动分析。在下文中，我们将探讨“案例下载”中一个展示了相关特征的案例。
模型案例：曲轴的转子动力学分析
我们先看一下模型的几何结构。在本例中，我们使用了三缸往复式发动机中的曲轴。曲轴的结构如下图所示，图片高亮标记了飞轮和轴承的位置。
发动机曲轴的几何结构。
分析假设转子只经受由偏心块引起的自激振动，忽略了活塞作用在曲柄销上的载荷。为了减少高频振动，给转子施加了材料阻尼。
在稳定状态下，曲轴的角速度是 3000 rpm。不过，初始时以斜坡方式逐渐增加角速度，以保证平滑启动。示例的斜坡长度确保了转子角速度能够在一周旋转中从 0 rpm线性增加到 3000 rpm，然后转子保持角速度不变继续运转。
为了精确地模拟曲轴-轴承封装系统，我们可以使用实心转子与液体动压轴承 多物理场耦合。该耦合包含：
实心转子 物理场节点
液体动压轴承 节点
实心转子轴承耦合 多物理场节点
我们可以使用液体动压轴承 接口中的液体动压轴颈轴承 特征，对轴颈轴承内的薄流体膜进行分析。
评估仿真结果
下图展示了曲轴的应力分布。如绘图所示，靠近飞轮的位置，轴承经受的载荷最大，在相应的轴颈中产生的应力最大。靠近飞轮的轴承同时还会承受最高的压力。
曲轴的应力和轴承表面的压力分布。
仔细观察可以发现，四个轴承的轴承颈轨道都很稳定。在稳定状态下，每个轴颈达到了各自的平衡位置。左下绘图充分说明了这一点。右下绘图分析了第三个轴颈的横向位移分量。结果表明，横向位移经受了阻尼振动，并且在稳定状态下达到均衡值，与上文所述一致。
左：绘图显示了轴承颈中心的轨迹。右：绘图展示了第三个轴颈的横向位移分量。
分析往复式发动机中的各个部件
往复式发动机目前是汽车行业的主流发动机。发动机中的一个零件出现故障就有可能导致整个发动机无法正常工作。之前的一篇文章在分析往复式发动机连杆的疲劳时，曾强调过这一因素。在通过疲劳分析对发动机设计进行优化，延长其工作寿命外，我们还需要将其他发动机零件纳入分析中。
对三缸发动机往复式连杆的疲劳寿命的预测。
我们以发动机的曲轴为例进行讨论。这个机械零件带动与之相连的活塞做往复运动，并将往复运动转变为旋转运动。按照设计意图，曲柄销（有时也被叫做曲轴颈）偏离旋转轴线，使两种运动之间的转变成为了可能。但当曲轴旋转时，曲柄销的偏心会产生离心力。为了平衡这些力，人们在曲轴上添加一些质量块或平衡块。不过，由于曲柄销上的平衡块产生轴向偏移，沿长度方向上产生了不平衡的弯矩。所以一定要选好平衡质量的位置，才能使不平衡弯矩最小化，或者称为平衡转子。
曲柄销和平衡块的离心率及其之间的轴向偏移，可能会导致曲轴在旋转时经受自激振动。其他带旋转零件的机械也不例外，这些振动会影响单个零件与整个设备系统的安全性和性能表现。
最新的“转子动力学模块”提供了专业功能，方便用户对发动机的曲轴进行精确的振动分析。在下文中，我们将探讨“案例下载”中一个展示了相关特征的案例。
模型案例：曲轴的转子动力学分析
我们先看一下模型的几何结构。在本例中，我们使用了三缸往复式发动机中的曲轴。曲轴的结构如下图所示，图片高亮标记了飞轮和轴承的位置。
发动机曲轴的几何结构。
分析假设转子只经受由偏心块引起的自激振动，忽略了活塞作用在曲柄销上的载荷。为了减少高频振动，给转子施加了材料阻尼。
在稳定状态下，曲轴的角速度是 3000 rpm。不过，初始时以斜坡方式逐渐增加角速度，以保证平滑启动。示例的斜坡长度确保了转子角速度能够在一周旋转中从 0 rpm线性增加到 3000 rpm，然后转子保持角速度不变继续运转。
为了精确地模拟曲轴-轴承封装系统，我们可以使用实心转子与液体动压轴承 多物理场耦合。该耦合包含：
实心转子 物理场节点
液体动压轴承 节点
实心转子轴承耦合 多物理场节点
我们可以使用液体动压轴承 接口中的液体动压轴颈轴承 特征，对轴颈轴承内的薄流体膜进行分析。
评估仿真结果
下图展示了曲轴的应力分布。如绘图所示，靠近飞轮的位置，轴承经受的载荷最大，在相应的轴颈中产生的应力最大。靠近飞轮的轴承同时还会承受最高的压力。
曲轴的应力和轴承表面的压力分布。
仔细观察可以发现，四个轴承的轴承颈轨道都很稳定。在稳定状态下，每个轴颈达到了各自的平衡位置。左下绘图充分说明了这一点。右下绘图分析了第三个轴颈的横向位移分量。结果表明，横向位移经受了阻尼振动，并且在稳定状态下达到均衡值，与上文所述一致。
左：绘图显示了轴承颈中心的轨迹。右：绘图展示了第三个轴颈的横向位移分量。
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