目 录
第一章 绪论
1.1 选题的目的及意义
铣床主轴是发动机的主要零件，其强度和刚度对发动机的可靠性有决定性的影
响，目前国内外很多学者进行过对该问题的研究。由于结构的复杂性，在对铣床主轴及其它发动机的一些主要零部件如连杆、活塞、气缸盖及机体等进行强度、刚度分析时，采用传统的力学方法只能近似的反应其受力及变形情况，远不能满足分析和设计的需求。例如，铣床主轴在发动机进行增大功率的改进后，将受到更大的工作载荷，结构的承载能力如何将成为关注的重点。采用常规的方法进行分析，不仅精度低，而且无法正确的反应铣床主轴在发动机一个工作循环内各瞬时的应力分布。随着计算机和计算力学的飞速发展，最近30多年来铣床主轴的计算方法、应力分析精度有了极大的提高，目前先进的方法是利用基于理论平台的有限元技术分析、预测、评价这些关键零部件的力学属性，不仅铣床主轴的静强度可以较为准确计算，而且铣床主轴的动应力也可以较准确计算。
随着发动机技术的不断发展，发动机的设计向着提高效率、增加可靠性、减轻质量、降低燃油消耗率以及降低排放等方向发展，其强化指标不断提高，机械负荷不断增加。而铣床主轴在工作过程中会受到旋转质量的离心力、周期性变化的气体压力和往复惯性力的共同作用，使其承受弯曲和扭转载荷，是一种扭转弹性系统，本身具有一定的自振频率。在工作过程中，经过连杆传到连杆轴颈部作用力的大小和方向都是周期性变化的，这种激振力作用在铣床主轴上，引起铣床主轴的扭转振动，当激励频率与铣床主轴的自振频率成倍数关系时，会使振动加剧，动应力急剧增大，致使铣床主轴出现弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏。所以较准确地分析铣床主轴的动力特性、进行强度校核以及疲劳寿命的评估就显得极为重要。
本文的研究目的也就是综合考虑计算规模与结果精度，结合铣床主轴的结构与运行特点，采用有限单元法建立发动机动力系统有限元模型，在全面对铣床主轴的强度和疲劳寿命的影响因素进行分析的基础上，针对铣床主轴动力系统，根据实际工况，获取铣床主轴在不同状态下的静强度结果并和试验数据进行对比分析，从而为铣床主轴的结构设计奠定基础。
1.2 国内外发展情况
从60年代起，有限元法随着计算机科学的发展，包括发动机在内的几乎所有工程领域得到愈来愈广泛的应用。有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的分析方法。经过半个多世纪的发展，有限元技术已日趋成熟实用。
目前，发动机研发目标的要求和难度越来越高，体现在以下一些方面：1、发动机的性能和可靠性要求愈来愈高，其中一些参数的变化趋势相互制约，参数优化空间相对变小，研发的难度加大；2、产品开发需要考虑的变量不断增加，系统的复杂性增大(跨行业、跨部门的协作增多)；3、要求缩短产品开发的周期；4、降低产品开发的成本和风险；5、提高研发产品的质量等。因此，柴油机研发受到很大的挑战。为满足现代柴油机的发展需要，必须对传统的以经验+试验的设计方法进行改进，其中借助功能强大的计算机辅助工程(CAE)是非常有效的手段。
由于铣床主轴是受力十分复杂的多支撑静不定系统，在周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及其它力矩共同作用下工作，其受力为弯扭交变载荷。以前常将铣床主轴进行简化计算，常用的简化计算方法有两种：1、把铣床主轴按单拐分成几段，每段当成简支梁研究；2、把铣床主轴当成连续梁分析。这两种计算模型由于采用了过多的简化，计算结果难以让人满意。
目前的铣床主轴有限元分析基本上都采用三维计算模型，主要有以下三种：1/2曲拐模型，它主要考虑弯曲载荷作用，并认为铣床主轴的形状和作用载荷相对于曲拐平面对称。取1/2单拐为计算研究对象，应用参数化技术和特征建模技术分别对主轴颈、轴柄臂、轴柄销、主轴承盖、主轴承座和部分机体进行三维实体特征建模。
对于单个曲拐模型，分析铣床主轴上受载荷最严重的曲拐，优点在于计算规模小，但很难准确确定主轴颈剖分面处的边界条件，而且当剖分面距离过渡圆角很近时，也会影响计算精度。
对于整体铣床主轴模型，这是进行铣床主轴有限元分析最合理的模型，计算精度高，但计算规模很大。随着计算机运算性能的不断提高，将越来越倾向于采用铣床主轴整体三维有限元模型。
早期在进行铣床主轴有限元分析时，受到计算机硬件和软件的限制，计算模型不得不进行大量简化，但同时又希望得到比较精确的计算结果，因此在分析计算中必须进行一些处理，主要有以下两种方法：
整体铣床主轴模型采用子结构法。文献[7]采用子结构方法对柴油机铣床主轴整体结构进行了三维有限元分析。由于铣床主轴的各单拐具有几何相同的特点，相同的子结构可用一个子结构模型描述，其内部刚度矩阵只须一次三角化，便可多次调用，所以利用多级子结构的拼装进行计算，可以简化模型、提高求解效率。
对铣床主轴这种复杂的工程结构问题通过分成子结构进行求解，可以建立灵活合理的结构模型，节省大量的重复计算工作，能够在没有高性能计算工具的条件下，完成大自由度问题的计算。当然，子结构方法也有其不利的一面，操作步骤太复杂，在实际应用中对工程技术人员要求较高，不利于推广应用。
单个曲拐模型中综合应用连续梁和有限元法。整体铣床主轴用三维剖分较复杂，要求有很大容量的计算硬件，将铣床主轴作为连续梁进行分析，可考虑支承的弹性安装和不同心度以及支承变形等因素。这种计算方法充分利用了三维有限元分析的特点，使计算更接近铣床主轴工作时的真实变形与应力。文献[4]采用该方法计算了铣床主轴疲劳强度，首先对铣床主轴进行连续梁分析，在考虑了相邻曲拐、轴承不同心度及支承变形等因素后，找出承受载荷最严重的单元曲拐，再对此单元曲拐采用三维元进行应力分析。
文献[26]采用实体单元和梁单元分别建立了铣床主轴有限元模型，计算了自然频率和模态形状，并把计算结果与试验数据比较，结果表明在铣床主轴的模态分析中，采用实体单元比梁单元更好。Smaili和Khetawat基于Timoshenk的理论提出了用空间四节点梁单元模拟铣床主轴。文献[32]描述了分析发动机铣床主轴动态特性的系统模型，此模型用系统方法把铣床主轴结构动力学、主轴承动压润滑和发动机支承的刚度起来，基于有限元法，采用动态子结构技术预测铣床主轴的动态效应。基于有限元方法，文献[9]提出采用里兹向量法和动态子结构方法对如图1．1所示的模型发动机铣床主轴进行结构分析，并预测其动态响应特性。
