船用柴油机曲柄连杆机构设计与分析

论文总字数：16721字

摘 要

曲柄连杆机构是决定船舶性能的重要指标。曲柄连杆机构由曲柄、连杆或活塞三部分组成，其中曲柄的设计难度最高，对于性能的影响最大。本课题首先参考柴油机设计手册，查阅其他文献资料，对船用柴油机曲柄连杆机构进行参数的设计选定并进行强度硬度的计算校核。接着，根据设计的具体参数，使用CAD软件对曲柄连杆机构的重要组成部分连杆、活塞、曲柄以及重要零部件进行二维建模并通过UG进行三维建模。最后，本课题通过ANSYS有限元分析技术，将曲柄连杆机构的受力和结构适当简化，对船用柴油机曲柄连杆机构进行更直观和精确有效的分析与研究。

关键词：曲柄连杆机构；船用柴油机；有限元；三维建模

Design and analysis of crank-connecting rod mechanism for marine diesel engine

Abstract

Crank-connecting rod mechanism is an important index to determine ship performance. The crank- connecting rod mechanism is composed of three parts: crank, connecting rod or piston, among which the design of crank is the most difficult and has the greatest impact on performance. Crank-connecting rod mechanism is an important index to determine the performance of ships. Firstly, referring to the diesel engine design manual and other papers, this paper designed the parameters of crank-connecting rod mechanism of marine diesel engine, and calculated and checked them. Then, according to the specific parameters of the design, two-dimensional modeling of connecting rod, piston, crank and some important parts were carried out by using CAD software. What’s more, three-dimensional models were carried out with UG. Finally, through ANSYS technology, the force and structure of crank-connecting rod mechanism were appropriately simplified, and the crank-connecting rod mechanism of marine diesel engine was analyzed more intuitively, accurately and effectively.

Key words: crank-connecting rod mechanism, marine diesel engine, ANSYS, three-dimensional modeling

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 选题背景和意义 1

1.2 国内外的发展现状 1

1.3 本课题内容及方法 2

第二章 总体方案 3

2.1 连杆的设计 3

2.1.1 主要尺寸比例 3

2.1.2 杆身长度 3

2.1.3 杆身设计 3

2.1.4 小头设计 3

2.1.5 衬套设计 4

2.1.6 小头主要尺寸总结 4

2.1.7 大头设计 4

2.1.8 大头主要尺寸整理 5

2.1.9 连杆小头由于衬套过盈配合及受热膨胀产生的径向均布压力 5

2.1.10 连杆小头的疲劳安全系数 6

2.1.11 连杆杆身最大拉伸应力 6

2.1.12 连杆大头的拉伸负荷 6

2.2 活塞的设计 6

2.2.1 活塞的选型 6

2.2.2 活塞主要高度尺寸 6

2.2.3 活塞的其他主要尺寸 7

2.2.4 活塞销的设计 7

2.2.5 活塞环的设计 7

2.2.6 活塞侧面形状 7

2.2.7 活塞重量 8

2.2.8 活塞主要尺寸总结 8

2.2.9 活塞销的校核 8

2.3 曲柄的设计 9

2.3.1 曲柄的作用 9

2.3.2 曲柄的结构 9

2.3.3 曲柄的基本尺寸 9

2.3.4 曲柄的主要尺寸总结 9

2.3.5 曲轴疲劳强度计算 9

第三章 二维构图和三维建模 11

3.1 二维构图 11

3.2 三维建模 11

3.2.1 UG简介 11

3.2.2 连杆的三维建模 12

3.2.3 曲柄连杆机构的三维建模 18

第四章 有限元分析 19

第五章 结束语 20

参考文献 21

致谢 22

1. 绪论
   1. 选题背景和意义

柴油机在诸多动力机械中有热效率高、应用范围广、易于维修、安全可靠、花费低廉等优势，故广泛应用于船舶等运输交通工具中。在柴油机的诸多组成部件中，曲柄连杆机构在柴油机的性能优劣指标上占据了非常重要的位置。由于曲柄连杆的惯性力和气体作用力的变化始终是周期性的，因此强度和刚度的要求较高。其中曲轴的受力复杂，设计工艺繁琐，制造成本高，是船用柴油机设计的一大难点。随着柴油机的发展和改进,曲柄连杆机构的工作条件越来越严峻,曲轴的强度设计是发动机设计中的一个关键步骤。

曲轴系统的力学分析在以往的科学研究中是非常重要的内容,力学分析包括曲轴系统振动、强度、润滑特性等相关方面。随着现代科技的不断发展和以及人们使用需求的不断提高，曲轴系统的设计手段和方法也在不断地改善，曾经以静态、经验等典型特征的传统设计方法，已不能满足现代人对性能的要求，以计算机为基本工具的数值仿真分析设计方法得到了广泛应用。因此本课题结合有限元等方法，对船舶柴油机曲柄连杆机构进行了运动及强度的仿真研究。

• 1. 国内外的发展现状

目前对于船用柴油机的曲柄连杆机构的分析方法主要有两大类，一种是实验研究法，另一种是数值仿真法。在60年代，科学家们主要采用第一种方法来设计和研究，通过传统的计算方法和实验分析，忽略了很多影响实验结果的条件，导致计算误差较大，精确度太低，无法满足设计要求，此外这种方法对于研究资金还有相当高的要求，因此，现阶段主要采用数值仿真法来设计曲柄连杆机构的结构及相关参数。

数值仿真法是随着计算机的快速发展而产生的一种高效的新型科学研究方法，它将有限元思想贯穿于设计计算。数值仿真法起源于60年代，80年代蓬勃发展，各种有限元分析软件相继出现。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：16721字