畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于汽車發(fā)動機飛輪的設(shè)計與制造

目錄一摘要3二正文31緒論311選題的意義與目的312飛輪的發(fā)展史42飛輪工作的原理及521飛輪的組成和材料的523飛輪原理及在發(fā)動機中的作用523飛輪的結(jié)構(gòu)、功能及應(yīng)力分析73飛輪的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計1131飛輪的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的意義1132模型簡化與方案選擇1233飛輪的動態(tài)有限元分析1334飛輪的動態(tài)優(yōu)化154飛輪澆鑄工藝的設(shè)計1841無冒口鑄造方案的確定1842無冒口方案的設(shè)計與實施185、飛輪的加工工藝及流程1951飛輪主要加工技術(shù)要求分析1952工藝方案分析2153飛輪機械加工工藝路線的制定216結(jié)論237結(jié)束語23三參考文獻25基于汽車發(fā)動機飛輪的設(shè)計與制造學(xué)號姓名專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化摘要目的通過對汽車發(fā)動機飛輪的設(shè)計模擬的計算了飛輪的飛輪的質(zhì)量和設(shè)計的合理性，使飛輪性能和質(zhì)量得到了很好的保障。對飛輪澆鑄工藝的設(shè)計和加工技術(shù)要求、工藝方案的分析，有利于提高飛輪的產(chǎn)品質(zhì)量、工作性能，節(jié)約了制造和加工的成本，為企業(yè)贏得了時間和效益。方法利用相關(guān)理論知識和參數(shù)化建模，利用ANSYS軟件進行動態(tài)有限元分析得出相應(yīng)優(yōu)化結(jié)果。結(jié)合工作生產(chǎn)實際，明確了飛輪澆鑄工藝和加工工藝。結(jié)果在參數(shù)化建模、動態(tài)有限元分析和制定澆鑄及加工工藝中制定多種不同的方案，在優(yōu)化設(shè)計中，通過數(shù)據(jù)對比，方案二優(yōu)于方案一。結(jié)論基于有限元法的參數(shù)化建模可以快速動態(tài)的修改模型動態(tài)得到各種分析結(jié)果。關(guān)鍵詞發(fā)動機飛輪，有限元分析，參數(shù)化建模，無冒口鑄造，機械加工飛輪是汽車發(fā)動機中有重要作用但結(jié)構(gòu)相對簡單的零件之一，本文主要介紹了汽車發(fā)動機飛輪的發(fā)展史，工作原理，應(yīng)力分析，動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，澆鑄工藝的設(shè)計，機械加工流程等。為了保證飛輪又足夠的轉(zhuǎn)動慣量、剛度和強度，并使飛輪在滿足設(shè)計要求的前提下質(zhì)量盡可能小，這里利用有限元分析軟件ANSYS對某飛輪進行參數(shù)化建模，動態(tài)的分析了飛輪的應(yīng)力場與位移場。實踐證明，利用數(shù)化建?？梢源蟠蟮靥岣咝?，并且可以在設(shè)計階段的合理范圍內(nèi)任意取值進行分析，有利于縮短設(shè)計周期，降低制造成本。從工作生產(chǎn)實際出發(fā)，研究了飛輪的無冒口鑄造工藝及機械加工工藝規(guī)程，分析了飛輪在加工過程中的注意事項，并完成加工工序設(shè)計。1緒論11選題的意義與目的發(fā)動機后端帶齒圈的金屬圓盤稱為飛輪。飛輪用鑄鋼制成，具有一定的重量（汽車工程稱為質(zhì)量），用螺栓固定在曲軸后端面上，其齒圈鑲嵌在飛輪外圓。發(fā)動機啟動是，飛輪齒圈與啟動齒輪嚙合，帶動曲軸旋轉(zhuǎn)起動。許多人認(rèn)為，飛輪僅是在起動時才其作用，其實飛輪不但在發(fā)動機起動時起作用，還在發(fā)動機啟動后貯存和釋放能量來提高發(fā)動機運轉(zhuǎn)的均勻性，同時將發(fā)動機動力傳遞至離合器。飛輪是發(fā)動機的關(guān)鍵安全件，其功能是調(diào)節(jié)發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速變化，其穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的作用。發(fā)動機在任何工況下，既使是穩(wěn)定工況，由于負(fù)荷的突變，發(fā)動機輸出扭矩與其所帶動的阻力矩之間不相等，二產(chǎn)生曲軸轉(zhuǎn)動角速度的波動，引起曲軸回轉(zhuǎn)的不均勻性。這會產(chǎn)生一系列不良后果對由曲軸驅(qū)動的另部件產(chǎn)生沖擊，影響工作可靠性。降低使用壽命，產(chǎn)生噪音曲軸振動等。因此必須控制曲軸回轉(zhuǎn)的不均勻性在允許范圍之內(nèi)。飛輪正是在利用其具有較大的轉(zhuǎn)動微量，在曲軸加減速過程中吸收或釋放其動能，穩(wěn)定曲軸加速度得變化，從而穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。我們知道，四沖程發(fā)動機只有作沖程產(chǎn)生動力，其他進氣、壓縮、排氣沖程是消耗動力，多缸發(fā)動機是間隔地輪流作功，扭矩呈脈沖輸出。另外，當(dāng)汽車起步時，由于扭力突然劇增會使發(fā)動機轉(zhuǎn)速急降而熄火。利用飛輪所具有的較大慣性，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速增高時吸收部分能量阻礙其降速，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速降低時釋放部分能量使得其增速，這樣一增一降，提高了曲軸旋轉(zhuǎn)的均勻性12飛輪的發(fā)展史飛輪的概念很早就出現(xiàn)在人類的生活中，新石器時代的紡錘及陶輪都有類似飛輪的概念。十一世紀(jì)時安達盧斯的農(nóng)藝師IBNBASSAL在其著作KITABALFILAHA中，描述飛輪應(yīng)用在水力機械中的情形。根據(jù)從事中世紀(jì)研究的學(xué)者LYNNWHITE的資料，首次出現(xiàn)使用飛輪來作為穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的記載是在德國藝術(shù)家THEOPHILUSPRESBYTER（約10701125）的著作DEDIVERSIBUSARTIBUS（ONVARIOUSARTS）中，他在他的許多機器中都使用到飛輪。在工業(yè)革命時，詹姆斯瓦特將飛輪應(yīng)用在蒸氣機上，而詹姆斯皮卡德（JAMESPICKARD）將飛輪和曲柄（CRANK）一起使用，將往復(fù)式運動變成旋轉(zhuǎn)運動。飛輪應(yīng)用在車輛上時，需考慮進動的問題。若一個旋轉(zhuǎn)的飛輪受到其他會改變其旋轉(zhuǎn)軸力矩的影響，飛輪的旋轉(zhuǎn)軸也會會繞另一個軸旋轉(zhuǎn)，這個稱為進動。一部有垂直軸飛輪的車輛在通過山頂或谷底時，會受到一個橫向的動量，用二個旋轉(zhuǎn)方向相反的飛輪即可消除此問題。飛輪常運用在打洞機及鉚釘機中，平時儲存馬達提供的能量，在需要功率輸出時，即可釋放原先儲存的能量。在內(nèi)燃機的應(yīng)用上，飛輪是連結(jié)到曲軸上的大質(zhì)量輪子，主要目的是維持曲軸上固定的角速度。2飛輪工作的原理及應(yīng)力分析21飛輪的組成和材料的選取飛輪總成（FLYWHEELASSEMBLY）一般由飛輪、齒圈、離合器定位銷、軸承等組成，部分產(chǎn)品軸承用花鍵代替?，F(xiàn)在隨著愛車一族的不斷鉆研擴展，發(fā)動機飛輪已演變出實用的好多類型，如雙質(zhì)量減震飛輪（主要用于柴油發(fā)動機），45鍛鋼輕質(zhì)量飛輪，鋁合金T6飛輪，輕質(zhì)量飛輪主要用于賽車和特殊愛好者使用，安裝這種飛輪以后，發(fā)動機加速快，缺點是收油門后減速也快。材質(zhì)一般使用鑄鐵HT200HT250；球鐵QT45010、QT6003、QT5007等，國外也有用45號鋼制作的飛輪。灰鑄鐵的力學(xué)性能與基體的組織和石墨的形態(tài)有關(guān)?；诣T鐵中的片狀石墨對基體的割裂嚴(yán)重，在石墨尖角處易造成應(yīng)力集中，使灰鑄鐵的抗拉強度、塑性和韌性遠(yuǎn)低于鋼，但抗壓強度與鋼相當(dāng)，也是常用鑄鐵件中力學(xué)性能最差的鑄鐵。同時，基體組織對灰鑄鐵的力學(xué)性能也有一定的影響，鐵素體基體灰鑄鐵的石墨片粗大，強度和硬度最低，故應(yīng)用較少；珠光體基體灰鑄鐵的石墨片細(xì)小，有較高的強度和硬度，主要用來制造較重要鑄件；鐵素體一珠光體基體灰鑄鐵的石墨片較珠光體灰鑄鐵稍粗大，性能不如珠光體灰鑄鐵。22飛輪原理及在發(fā)動機中的作用飛輪FLYWHEEL裝置在曲柄的軸的一端，是鑄鐵制造較重的輪盤，在爆發(fā)沖程傳遞回轉(zhuǎn)力，由飛輪一時吸收儲蓄，供給下一次動力沖程，能使曲柄軸圓滑的回轉(zhuǎn)作用，外環(huán)的齒圈可供起時搖轉(zhuǎn)引擎之用，背面與離合器片接觸，成為離合器總成的主件飛輪是發(fā)動機在曲軸后端的較大的圓盤狀的零件，它具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，具有以下功能將發(fā)動機作功形成的部分能量儲存起來，以克服其他形成的阻力，使曲軸均勻旋轉(zhuǎn)。通過安裝在飛輪上的離合器，把發(fā)動機和汽車傳動系統(tǒng)連接起來。裝有與起動機結(jié)合的齒圈，便于發(fā)動機啟動。飛輪，是發(fā)動機裝在曲軸后端的較大的圓盤狀零件，它具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，具有以下功能將發(fā)動機作功行程的部分能量儲存起來，以克服其他行程的阻力，使曲軸均勻旋轉(zhuǎn)；通過安裝在飛輪上的離合器，把發(fā)動機和汽車傳動系統(tǒng)連接起來；裝有與起動機接合的齒圈，便于發(fā)動機起動。驅(qū)動盤，也是飛輪的一種，材質(zhì)用45號鋼沖壓成型，再壓制齒圈。飛輪是一個延著固定軸旋轉(zhuǎn)的輪子或圓盤，能量以旋轉(zhuǎn)動能的方式儲存在轉(zhuǎn)子中21KEI其中是角速度I是質(zhì)量相對軸心的轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)動慣量是物體抵抗力矩的能力，給予一定力矩，轉(zhuǎn)動慣量越大的物體轉(zhuǎn)速越低。固體圓柱的轉(zhuǎn)動慣量為,21IMR若是薄壁空心圓柱，轉(zhuǎn)動慣量為,2I若是厚壁空心圓柱，轉(zhuǎn)動慣量則為21R其中M表示質(zhì)量，R表示半徑，在轉(zhuǎn)動慣量列表中可以找到更多的信息。在使用國際單位制計算時，質(zhì)量、半徑及角速度的單位分別是公斤、米，弧度/秒，所得到的結(jié)果會是焦耳。由于飛輪可儲存的能量是和轉(zhuǎn)動慣量成正比，因此在設(shè)計飛輪時，會盡量在不變動質(zhì)量的條件下，去增加其轉(zhuǎn)動慣量，例如說中間摟空將，質(zhì)量集中在飛輪的外圍等作法。在利用飛輪儲存能量時，還需要考慮在轉(zhuǎn)子不變形或斷裂的前提下，飛輪可儲存的能量上限，轉(zhuǎn)子的環(huán)向應(yīng)力（HOOPSTRESS）是主要的考量因素2TR其中T是轉(zhuǎn)子外圈所受到的張應(yīng)力是轉(zhuǎn)子的密度R是轉(zhuǎn)子的半徑是轉(zhuǎn)子的角速度飛輪儲存的能量范例以下是一些“飛輪”的范例及其儲存的能量，IKMR2,K的計算方式請參考轉(zhuǎn)動慣量列表（表1）。物體K隨形狀而變質(zhì)量直徑轉(zhuǎn)速所儲存的能量（焦耳）所儲存的能量自行車車輪（時速20公里）11公斤70厘米150RPM15J4103WH速度加倍的自行車車輪（時速40公里）11公斤70厘米300RPM60J16103WH質(zhì)量加倍的自行車車輪（時速20公里）12公斤70厘米150RPM30J8103WH火車車輪（時速60公里）1/2942公斤1米318RPM65KJ18WH大卡車車輪（時速30公里）1/21000公斤2米79RPM17KJ48WH小的飛輪電池1/2100公斤60厘米20000RPM98MJ27KWH火車再生制動用的飛輪1/23000公斤50厘米8000RPM33MJ91KWH備用電源用的飛輪1/2600公斤50厘米30000RPM92MJ26KWH地球2/55971024公斤12,725公里大約每天一轉(zhuǎn)696RPMNB1261029J72YWH1024WH表1轉(zhuǎn)動慣量列表飛輪能量和材料的關(guān)系對于相同尺寸外形的飛輪，其動能和環(huán)向應(yīng)力及體積成正比KTEV若以質(zhì)量來表示，則其動能和質(zhì)量成正比，也和單位密度的環(huán)向應(yīng)力成正比TKEM可以稱為比強度（SPECIFICSTRENGTH）。若飛輪使用材質(zhì)的比強度越T高，其單位質(zhì)量下的能量密度也就就越大。23飛輪的結(jié)構(gòu)、功能及應(yīng)力分析飛輪效應(yīng)指為了使靜止的飛輪轉(zhuǎn)動起來，一開始你必須使很大的力氣，一圈一圈反復(fù)地推，每轉(zhuǎn)一圈都很費力，但是每一圈的努力都不會白費，飛輪會轉(zhuǎn)動得越來越快。達到某一臨界點后，飛輪的重力和沖力會成為推動力的一部分。這時，你無須再費更大的力氣，飛輪依舊會快速轉(zhuǎn)動，而且不停地轉(zhuǎn)動。這就是“飛輪效應(yīng)”飛輪設(shè)計首先應(yīng)用工程提高發(fā)動機應(yīng)用配套對飛輪的基本要求。包括適用機型，飛輪因負(fù)荷突變而需要穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的基本參數(shù)，如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量，所需承受的最大轉(zhuǎn)速，動力輸出和離合器安裝定位孔（面）的要求；安裝起動電機和齒圈的要求。然后根據(jù)要求確定飛輪輪緣尺寸。腹板及輪輻過度連接區(qū)域結(jié)構(gòu)、尺寸及厚度，輪轂連接定位結(jié)構(gòu)及尺寸。在此還應(yīng)確定飛輪安裝螺栓的規(guī)格和等級，以便飛輪安裝部位的設(shè)計。一般飛輪螺栓都采用109級或更高的螺栓。在經(jīng)過以上幾個步驟，基本上確定了飛輪的直徑、輪緣形狀，輻板偏心量、飛輪開槽鉆孔等本形式后，現(xiàn)應(yīng)進行應(yīng)力分析，這是飛輪設(shè)計中得關(guān)鍵一步。應(yīng)力分析中應(yīng)考慮角加速度、振動、回轉(zhuǎn)救應(yīng)、動力輸出和離合器負(fù)荷的影響?，F(xiàn)在說明應(yīng)力分析的計算方法及材料的選取231離心應(yīng)力飛輪是高速旋轉(zhuǎn)運動件，其主要的離心應(yīng)力是作用于飛輪栓安裝孔剖面，BJ374飛輪離合器銷孔剖面輪緣短，螺栓孔剖面輪緣長，離心力影響的危險剖面是螺栓孔剖面，其離心力應(yīng)力為21ASCMPR其中式中S離心力產(chǎn)生的切向回應(yīng)了M輪緣的開狀系數(shù)（RAD/SEE/RPM）其是根據(jù)輪緣形狀，面積轉(zhuǎn)化為以下圖1中得三種標(biāo)準(zhǔn)形式之一，計算查表確定M。圖1輪緣標(biāo)準(zhǔn)形狀尺寸B10飛輪已知WR,R輪緣近似徑向厚度為，將輪緣劃分成三部分（見圖31），其部分等效面積計算和為（計算過程略）234058TRWM915則547ART4206TRR查表圖，線性插值2/SEC0295RADMOM材料密度3/G飛輪材料一般選用灰鑄鐵250（HT250）0013/GM飛輪計算轉(zhuǎn)速，一般考慮50的轉(zhuǎn)速，W1521003150RPMR飛輪外徑B10飛輪已知R127A1飛輪剖面徑向無鉆孔，開槽等的實心面積。B10飛輪A1輪緣面積圓盤面積法蘭面積147129平安毫米AS飛輪剖面徑向最小面積（包括去除所有的鉆孔、開槽，凹入?yún)^(qū)域）。B10飛輪A2A1孔、槽、凹入?yún)^(qū)域面積110718平方毫米則SC7751PSI對在應(yīng)力計算中，輪緣長度大于輪輻厚度4倍以上，或輪緣伸出長度大于輪緣厚度3倍以上的，則用下列計算離心應(yīng)力3210841ARSCRPSI232熱應(yīng)力對不帶離合器的飛輪設(shè)計，可不進行熱應(yīng)力計算，熱應(yīng)力計算公式如下12DTEFMEASPSINV式中，ST輪緣處產(chǎn)生的最大拉伸熱效應(yīng)力PSIM1材料應(yīng)力系數(shù)B10發(fā)動機飛輪，材料為HT250,查表M0396ED飛輪一離合器系統(tǒng)能量擴散系數(shù)，由發(fā)動機轉(zhuǎn)速、離合器傳輸扭矩、嚙合速度確定，對B10飛輪和LIPE14N2離合器。N離合器摩擦片數(shù)目，LIPE14N2離合器為雙盤，所以N2。WEFF飛輪有效體積是指有關(guān)離合器工作區(qū)域的體積，一般轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。B10發(fā)動機飛輪WEFF圓盤體積輪緣有效體積（前、后緣）圓盤體積T后緣體積由已知、，0LT0R則067RT0874查表圖，線性插值得得09EFT09125NEFL233算最大全負(fù)荷轉(zhuǎn)速飛輪所能承受的最大轉(zhuǎn)速由應(yīng)用工程根據(jù)發(fā)動機配套使用確定，飛輪限定的最大全負(fù)荷轉(zhuǎn)速得超過3255RPM,根據(jù)上述SR,ST和材料許用應(yīng)力SA,核算飛輪所能承受的最大轉(zhuǎn)速。其應(yīng)取下列計算公式中得最小值，計算公式為2MAX3ASWR即ATCS234拉強度試驗按圖紙要求在飛輪上取試樣進行拉力試驗，取樣標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該按金屬拉力試樣GB639786執(zhí)行。拉力試樣如圖2圖2拉力試樣L平行長度，LL0D0；L0試件平行長度部分兩條刻線間的距離，成為原始標(biāo)距；D0平行長度部分原始直徑。圓形比例試件分兩種L010D0，稱為長試件；L05D0，稱為短試件。本實驗試件采用D010MM,L0100MM的長試件。將試件裝好后按下“運行”按鈕，試驗機開始按試驗程序進行拉伸，仔細(xì)觀察試件和計算機屏幕上的拉伸曲線在拉伸過程中的對應(yīng)情況，直至拉斷，取下試件并觀察斷口。試驗結(jié)束，在試驗結(jié)果欄中，程序?qū)⒆詣佑嬎憬Y(jié)果顯示在其中。瀏覽拉伸曲線，記錄屈服載荷FSFEL和最大載荷FBZFM。輸入斷后標(biāo)距，斷后面積，打印試驗報告。根據(jù)測得的灰鑄鐵拉伸載荷FS、FB計算出屈服極限和強度極限。SB，0SFA0B2004DA3飛輪的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計31飛輪的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的意義在設(shè)計任務(wù)中，經(jīng)常遇到系列產(chǎn)品的設(shè)計工作，這些產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上基本相同，但由于使用場合、工況的差別，在結(jié)構(gòu)尺寸上形成了一個系列。對于這種設(shè)計任務(wù)，如果一一地去設(shè)計、繪圖等，會帶來很大的重復(fù)工作量。這樣不僅浪費了人力、物力資源，也延長了設(shè)計周期。另外，工程中得很多結(jié)構(gòu)，在投入正式使用之前，都需要進行有限元結(jié)構(gòu)分析。有限元分析工程中很大一部分工作量在于實際結(jié)構(gòu)抽象出有限元分析數(shù)學(xué)模型劃分有限元網(wǎng)絡(luò)。該過程通常獨立于建立實體模型。對于系列化產(chǎn)品，其有限元結(jié)構(gòu)分析的工作類似于模型建立工作，有著相當(dāng)大的重復(fù)性。參數(shù)化建模是使用重要幾何參數(shù)快速結(jié)構(gòu)和修改幾何模型的一種造型方法，這些幾何參數(shù)包括控制形狀大小的尺寸和定位形狀的方向矢量等。若幾何模型的所有尺寸是參數(shù)化的就可以動態(tài)修改參數(shù)，隨后動態(tài)得到有限元分析結(jié)果。飛輪是內(nèi)燃機中有重要作用但結(jié)構(gòu)形狀相對于簡單的零件之一。它是一個轉(zhuǎn)動慣量很大的圓盤，其中要功用是將在做功行程中傳輸給曲軸的功的一部分貯存起來，用以在其它行程中克服阻力，帶動曲柄連桿結(jié)構(gòu)越過上、下止點，保證曲軸的旋轉(zhuǎn)角速度和輸出轉(zhuǎn)矩盡可能均勻，并使發(fā)動機有可能克服短時間的超載荷。此外，在結(jié)構(gòu)上飛輪又往往用作汽車傳動系中摩擦離合器的驅(qū)動件。隨著高速內(nèi)燃機的發(fā)展，飛輪的旋轉(zhuǎn)速度不斷提高。眾所周知，一旦發(fā)生飛輪強度、剛度方面的破壞，就會出現(xiàn)危險。在設(shè)計過程中，除了保證飛輪又足夠的轉(zhuǎn)動慣量外，應(yīng)使飛輪滿足設(shè)計要求的前提下質(zhì)量盡可能小，從而減輕發(fā)動機整體重量提高發(fā)動機固有頻率。這里利用通用有限元分析軟件ANSYS對于某發(fā)動機飛輪進行了參數(shù)化建模動態(tài)分析了飛輪的應(yīng)力場與位移場，并利用ANSYS優(yōu)化模塊對飛輪的主要尺寸參照同類型發(fā)動機的性能參數(shù)進行了優(yōu)化，在滿足飛輪設(shè)計要求的前提下減輕了飛輪的重量。32模型簡化與方案選擇為了使有限元模型網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不致過大，建模時忽略了一些小得細(xì)節(jié)，如小倒角、定位孔等，并假設(shè)飛輪以恒定的轉(zhuǎn)速作高速旋轉(zhuǎn)；整個飛輪只受慣性力作用，考慮螺栓的約束，不考慮螺栓處的預(yù)緊力；飛輪的均質(zhì)圓盤。飛輪簡化模型如圖3所示，圖3飛輪簡化模型如圖所示321方案選擇若不考慮螺栓孔和減重槽，飛輪無論是結(jié)果形狀，還是載荷約束條件都符合軸對稱結(jié)果要求。因此，方案一將飛輪簡化為二維軸對稱結(jié)構(gòu)進行參數(shù)建模、有限元分析和形狀優(yōu)化設(shè)計；方案二在實體建模中考慮螺栓孔與減重槽，這樣可將飛輪簡化為1/4三維實體模型進行參數(shù)化建模、有限元分析和形狀優(yōu)化設(shè)計。322參數(shù)化建模（1）二維軸對稱參數(shù)化建模利用ANSYS提供的APDL語言編程實現(xiàn)參數(shù)化實體建模，注意一些尺寸是不能進行參數(shù)化的，如輪緣外徑，它是根據(jù)飛輪使用時對空間等的要求事先給定的；螺栓孔的位置，它是由飛輪軸的外徑和裝配情況而定的等。此外，對于分析結(jié)果影響不大的尺寸，也不作為參數(shù)化的尺寸。軸對稱模型的參數(shù)化尺如圖4所示圖4旋轉(zhuǎn)對稱面及參數(shù)化的尺寸（2）三維1/8實體參數(shù)化建模在二維模型的基礎(chǔ)上，將飛輪的旋轉(zhuǎn)對稱面繞Y軸旋轉(zhuǎn)45度然后再構(gòu)造和凹槽，槽的深度H3也作為參數(shù)。飛輪1/8實體模型界約束，并在飛輪旋轉(zhuǎn)中心軸上施加角速度W2800RAD/S。33飛輪的動態(tài)有限元分析331二維模型動態(tài)有限元分析選取8NODEPLANE82為二維軸對稱模型單元。由于在模型中有較小的圓角和尖角，是可能產(chǎn)生應(yīng)力集中地部位，采用NASYS提供的智能網(wǎng)格劃分方法，可以在這些部位產(chǎn)生密度較大的單元，提高計算精度。模型單元數(shù)511；節(jié)點數(shù)1672在螺栓軸線處施加全約束，在飛輪旋轉(zhuǎn)中心軸上施加角速度W2800RAD/S，二維對稱模型網(wǎng)格如圖5所示。圖5二維對稱模型網(wǎng)格飛輪的應(yīng)力場和位移場的計算結(jié)果如圖6和7所示。圖6飛輪的應(yīng)力場圖7飛輪的位移場圖6可知，最大應(yīng)力為357MPA，位于飛輪小圓角附近。最大節(jié)點位移為0334E4M,位于飛輪外緣。由于螺栓處軸線全約束，飛輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，遠(yuǎn)離軸線和靠近軸線的飛輪的質(zhì)心有一定距離，所以產(chǎn)生力矩，導(dǎo)致變形，同時引起小圓角附近應(yīng)力最大。332三維模型的動態(tài)有限元分析（1）單元類型1/8實體模型我們選用8節(jié)點SOLID45號單元。因為實體模型體積較大，所以網(wǎng)絡(luò)劃分后節(jié)點數(shù)不能太多，否則會增加后面的計算量和時間。（2）網(wǎng)格劃分采用ANSYS提供的掃掠網(wǎng)格劃分功能，通過掃掠一個面上的網(wǎng)格將一個已有的體離散為三維六面體單元。但在實體建模階段，我們應(yīng)將1/8實體模型劃分為5個部分，如圖8所示，使其符合掃掠網(wǎng)格劃分的條件，單元尺寸定為0004M。圖8三維模型應(yīng)力圖圖9三維模型網(wǎng)格劃分及邊界條件（3）邊界條件約束飛輪由螺栓孔和法蘭盤相連。在1/8三維實體模型中，因為在邊界上要施加對稱邊界約束，所以我們在螺栓孔只約束其軸向位移，如圖9所示。載荷施加角速度載荷。（4）應(yīng)力場和位移場的計算結(jié)果飛輪應(yīng)力場和位移場的計算結(jié)果如圖，最大應(yīng)力在圖10中螺栓孔處，最大位移在位移圖11中紅色區(qū)域。圖10應(yīng)力圖圖11位移圖333結(jié)果比較兩種方案最大應(yīng)力、位移、轉(zhuǎn)動慣量和體積見表2兩種方案的結(jié)果比較SMAXMUSUMMUX99M0IYYKGM立方VOLUMM立方方案一3568334E3100E505863483E03方案二5897332E3093505343428E03表2最大應(yīng)力、位移、轉(zhuǎn)動慣量和體積比較結(jié)果由表中數(shù)據(jù)可知，三維實體模型中最大應(yīng)力較大，且出現(xiàn)在螺栓孔邊緣。這是因為約束直接施加在螺栓孔面上造成的。軸對稱模型與實體模型的最大位移位置相同，但軸對稱模型的最大位移USUM和徑向位移UX略大，說明考慮螺栓孔和凹槽后離心力所減少；兩種模型轉(zhuǎn)動慣量和體積也略有不同，這同樣是由于三維模型開有螺栓孔和凹槽造成的。利用ANSYS提供的APDL語言編程實現(xiàn)的參數(shù)化建模得到實體模型，參數(shù)化尺寸改變后，模型形狀會隨之改變，有限元網(wǎng)絡(luò)也會隨實體改變而改變，同時計算結(jié)果也會立刻呈現(xiàn)出來。這種動態(tài)有限元分析可以用于實時、動態(tài)地飛輪設(shè)計進行評價，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)。34飛輪的動態(tài)優(yōu)化圖12ANSYS軟件完成優(yōu)化設(shè)計的過程?；谟邢拊ǖ膬?yōu)化是將有限元分析方法與傳統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)結(jié)合，并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，使結(jié)構(gòu)在滿足給定的性能要求條件下，尺寸最佳。圖12是利用ANSYS軟件完成優(yōu)化設(shè)計的過程。341方案一的優(yōu)化設(shè)計選取飛輪的總體積為目標(biāo)函數(shù)。由于飛輪的轉(zhuǎn)動慣量是十分重要的設(shè)計參數(shù)，它不能低于同類發(fā)動機參考的轉(zhuǎn)動慣量值；同時飛輪不能發(fā)生強度、剛度方面的破壞，所以從分析結(jié)果中提取轉(zhuǎn)動慣量IYY、最大應(yīng)力SMAX、徑向最大位移值UX作為優(yōu)化設(shè)計的狀態(tài)量，選參考飛輪相應(yīng)分析結(jié)果作為狀態(tài)的約束，飛輪設(shè)計變量取值范圍及優(yōu)化結(jié)果如表3所示。優(yōu)化變量MINMUNMAXIMUM優(yōu)化結(jié)果參考值變化量設(shè)計變量B10065008500710069289設(shè)計變量H10010H200165016625設(shè)計變量H2H200400310030333設(shè)計變量R100030010000600060設(shè)計變量R200100020001400135375狀態(tài)變量IYY0509060005100509020狀態(tài)變量SMAX35E745E7404E7431E7062目標(biāo)函數(shù)UX10E05097E0509E05769目標(biāo)函數(shù)31E0331E03124表3方案一變量取值范圍及優(yōu)化結(jié)果由表3中數(shù)據(jù)，設(shè)計變量優(yōu)化結(jié)果與同類型發(fā)動機的參考尺寸相比，變化量小，結(jié)果接近；三個狀態(tài)變量中只有UX較參考值大，但仍在狀態(tài)變量許可的范圍類；優(yōu)化后飛輪的體積略小于參考飛輪。因此，二維軸對稱模型的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果是令人滿意的。342方案二的優(yōu)化設(shè)計在三維參數(shù)化建模與有限元分析的基礎(chǔ)上，仍選取飛輪的總體積為目標(biāo)函數(shù)，狀態(tài)變量的選取與軸對稱模型也相同，在設(shè)計變量中增加反映飛輪減重槽的尺寸參數(shù)H3，R3，L3飛輪設(shè)計變量的取值范圍及優(yōu)化結(jié)果如表4所示。優(yōu)化變量MINMUNMAXIMUM優(yōu)化結(jié)果參考值變化量設(shè)計變量B100650090073006958設(shè)計變量H10010H00140161255設(shè)計變量H2H00400310030333設(shè)計變量R100030010000600060設(shè)計變量R200100020001400135375設(shè)計變量H300040012000750007714設(shè)計變量R30010002000150016625狀態(tài)變量IYY0509060005100509020狀態(tài)變量SMAX35E745E7404E7431E7062目標(biāo)函數(shù)UX10E05097E0509E05769目標(biāo)函數(shù)31E0331E03124表4方案二變量取值范圍及優(yōu)化結(jié)果由表4中數(shù)據(jù)，設(shè)計變量優(yōu)化結(jié)果與同類型發(fā)動機飛輪的參考尺寸相比，有一定的改變；三個狀態(tài)變量的值都高于參考值，且均在狀態(tài)變量許可的范圍內(nèi)；優(yōu)化后飛輪的體積小于參考飛輪。由于方案二中參數(shù)化地構(gòu)造了飛輪凹槽，可見，方案二的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果更接近最佳。由于實體模型單元節(jié)點數(shù)較多，且增加了3個設(shè)計變量，因此優(yōu)化循環(huán)計算量最大，耗費機時長，在迭代次數(shù)、步長及變量容差得選取等方面應(yīng)予以注意。此外，通過將方案二的優(yōu)化結(jié)果與方案一的對比可以看出飛輪的基本設(shè)計變量如B1，H1，H,R1和R2的變化并不大，可以參考方案一的優(yōu)化結(jié)果用于這幾個參數(shù)，構(gòu)造幾何，僅將H3，R3和L3最為三維實體的設(shè)計變量，將二維優(yōu)化結(jié)果與三維優(yōu)化設(shè)計變量的選取結(jié)合起來能夠更加有的放矢，提高工作效率。這里分別對發(fā)動機飛輪的二維軸對稱模型和三維1/4實體模型，進行了參數(shù)化建模、動態(tài)有限元分析及形狀優(yōu)化。將優(yōu)化后的尺寸與同類型發(fā)動機飛輪的參考尺寸進行了分析和較，在滿足飛輪設(shè)計要求的前提下減輕了飛輪的重量，優(yōu)化結(jié)果是令人滿意的在結(jié)果的概念性設(shè)計階段可以利用二維軸對稱模型初步優(yōu)化。三維實體模型的優(yōu)化可建立在軸對稱模型優(yōu)化的基礎(chǔ)上。實體模型單元節(jié)點數(shù)較多，應(yīng)注意在優(yōu)化循環(huán)過中參數(shù)的設(shè)置。基于有限元法的參數(shù)化建?？梢钥焖賱討B(tài)的修改模型動態(tài)得到各種分析結(jié)果，并可以進行優(yōu)化分析，實踐證明，利用數(shù)化建模可以大大地提高效率，并且可以在設(shè)計階段的合理范圍內(nèi)任意取值進行分析，有利于縮短設(shè)計周期，降低制造成本。4飛輪澆鑄工藝的設(shè)計41無冒口鑄造方案的確定飛輪其結(jié)構(gòu)尺寸及鑄造工藝見圖12，該工藝的優(yōu)點是工藝成熟，鑄質(zhì)量穩(wěn)定，無縮口，縮凹缺陷。缺點是組織部均勻，口附近晶粒粗大，動平衡試驗時需在對面鉆1孔。為了獲得組織致密的鑄件，在均衡凝固理論的指導(dǎo)下，最終確定該飛輪采用無冒口的鑄造工藝。42無冒口方案的設(shè)計與實施工藝方案見圖13該方案實施后，鑄件沒有鎖孔，縮凹缺陷，也沒有氣孔、夾砂等缺陷，很快就投入批量生產(chǎn)。至今效果良好，鑄件質(zhì)量穩(wěn)定，綜合廢品率低，動平衡試驗只需鉆一個淺孔活著不需要鉆孔。圖12工藝方案圖圖13工藝方案圖43生產(chǎn)過程中應(yīng)注意事項（1）鐵液中C、SI含量在規(guī)定范圍內(nèi)應(yīng)盡量使C高SI，增大共晶石墨膨脹量。（2）盡可能降低澆注溫度，減小液態(tài)收縮量。（3）砂型硬度75，透氣性100型砂配比及性能見表1。5、飛輪的加工工藝及流程51飛輪主要加工技術(shù)要求分析坯件需經(jīng)時效處理，噴丸后不得有殘砂。坯件不允許有裂紋、氣孔、砂眼、夾渣、冷隔、疏松等缺陷，不允許有銹蝕。力學(xué)性能B250MPA（本體）；零件圖如圖14所示圖14零件圖該零件屬于多孔類盤型零件。平面和孔系都有行位公差要求，從零件圖可知該零件的左、右端面精度要求較高，采用粗車半精車精車的方法加工到設(shè)計要求。A平面227的外圓為壓裝齒圈面，因此該圓弧面必須與A基準(zhǔn)保持較高的的同軸度和較高的公差，才能和齒圈內(nèi)孔保證很好的過盈配合而保證飛輪在運轉(zhuǎn)過程中不會導(dǎo)致齒圈脫落。A平面的外圓臺階相對于26的內(nèi)孔有圓跳動和平面度要求，在后續(xù)分析加工方案時應(yīng)保證該跳動和平面度要求，同時區(qū)域還有粗糙度要求，將粗、精加工分開使其達到要求。B平面有相對于A基準(zhǔn)有平行度和平面度要求，C平面有相對于B基準(zhǔn)有平行度要求，均采用粗車精車的加工方法。對于26、60的孔分別為離合器安裝孔和軸承安裝孔，精度要求高，公差要求嚴(yán)格。該孔也應(yīng)該粗、精加工分開，以達到設(shè)計要求，零件如圖15所示。圖15零件圖對于螺紋孔系和銷孔系其形位公差也有很高的要求，同時對孔的粗糙度也有要求。38的銷孔對基準(zhǔn)A也有位置度得要求，同時6M81256H深13螺紋孔和銷孔在同一個圓周上。6F7的銷孔和6105的法蘭孔同一個圓周上，因此鉆加工時為保證位置度要求應(yīng)該設(shè)計工裝時應(yīng)該有鉆模和鉆模套，可以保證孔與孔之間的位置度關(guān)系和減少加工工序，從而達到尺寸要求及減少加工時間提高產(chǎn)量。在安排鉆孔工序時要考慮鉆孔能達到的粗糙度等級，精度要求較高的銷孔可以先用小于該孔的鉸刀進行粗加工后用鏜刀進行精鏜銷孔。52工藝方案分析選擇定位基準(zhǔn)選擇左端面的227的臺階外圓面（壓裝齒圈外圓）作為定位精基準(zhǔn)，粗車左端面。這樣可以保證端面跳動、圓跳動及平行度的要求，被選為精基準(zhǔn)的面在第一道工序來加工，選擇粗基準(zhǔn)的面應(yīng)盡量平整，粗糙度只想對較小的面，這樣有利于加工后的精基準(zhǔn)定位性能較高。擬定工藝方案由于各表面加工方法及粗精基準(zhǔn)已基本確定，現(xiàn)按照“先粗后精”、“先主后次”、“先面后孔”、“基準(zhǔn)先行”的原則。53飛輪機械加工工藝路線的制定圖16飛輪的三維實體圖（1）毛坯的鑄造。（2）毛坯的檢驗。括外形尺寸的檢驗，金相、本體化學(xué)成分、抗拉強度等的檢測。3粗車端面，大外圓并鉆孔。以右端面227的臺階外圓為基準(zhǔn)，加工飛輪的有端面及外圓，并鉆中孔。（4）粗車端面、外圓、內(nèi)孔、倒圓并倒角。以粗加工過后左端面2505的外圓為基準(zhǔn)，加工飛輪的右端面及外圓，倒圓并倒角。（5）精車端面、外圓、鏜孔并倒角。以右端面227的臺階外圓為基準(zhǔn)，精加工飛輪的左端面，鏜中心孔并倒角。（6）車端面、外圓、鏜孔并倒角。以加工過后左端面2505外圓為基準(zhǔn)，精加工飛輪的左端面及外圓。（7）銑信號齒并去毛刺。（8）齒圈加熱并壓裝。由于齒圈在壓裝過程中會導(dǎo)致飛輪又輕微變形，所以要留05的余量精車，以保證尺寸要求。（9）精車摩擦面、端面及內(nèi)孔。（10）精車端面、外圓、鏜孔并倒角。（11）鉆、鏜6法蘭定位銷孔、鉆6105法蘭孔并倒角。（12）鉆、鏜38銷孔，鉆667螺紋底孔、倒角并攻絲6M86H。（13）動平衡試驗，由于飛輪在鑄造過程中質(zhì)量的分布不均勻，不對稱，飛輪轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生不平衡，不平衡在工作中會產(chǎn)生振動和晃動。動平衡試驗以達到平衡精度要求。動平衡試驗不平衡量15GCM（Z）；在圖示C面以1828為中心的圓周上鉆孔修正，孔徑14、孔深5、孔邊距20