康明斯柴油機(jī)氣門搖臂的結(jié)構(gòu)分析

全套設(shè)計(jì)（圖紙）加扣扣194535455第一章概論19世紀(jì)80年代，英國(guó)工業(yè)革命的發(fā)展，促使了世界首輛汽車現(xiàn)世。從此，汽車工業(yè)正式從無到有，并且逐步走上了正規(guī)化道路。隨著科技的不斷進(jìn)步，汽車工業(yè)也如火如荼的飛速發(fā)展。至今，汽車產(chǎn)業(yè)已然成為一個(gè)國(guó)家的重要國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，還是國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力發(fā)達(dá)和國(guó)力強(qiáng)盛的重要標(biāo)志。伴隨著時(shí)代的進(jìn)步，汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)遍布全球，各式各樣的汽車在人們的生活中扮演著各種不同的角色。現(xiàn)如今，我國(guó)一般居民大部分都有能力購(gòu)買和使用汽車，促進(jìn)居民消費(fèi)水平的提升，同時(shí)也滿足了國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)的消費(fèi)需求，從而進(jìn)一步帶動(dòng)了我們國(guó)家汽車工業(yè)的快速發(fā)展。現(xiàn)如今，我國(guó)已成為全球汽車保有量最多的國(guó)家，一躍成為全球汽車生產(chǎn)大國(guó)。但隨著汽車的產(chǎn)量不斷增加，附帶的一些負(fù)面影響也逐漸凸顯，能源耗費(fèi)、空氣污染、交通阻滯、人身安全等問題逐漸引起人們的重視，安全、節(jié)能、環(huán)保已然成為汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展所急需解決的主要問題。如今，新能源汽車已經(jīng)成為汽車研究的重要方向，雖然市場(chǎng)上已經(jīng)有出售的新能源汽車，但其核心技術(shù)仍然沒有得到重大突破，而且制造成本高，導(dǎo)致目前還得不到推廣。當(dāng)下，仍然是傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車占據(jù)著汽車生產(chǎn)的主導(dǎo)地位。在保證汽車使用可靠性的前提下，減輕其整體重量，不僅可以節(jié)約燃料，而且還能減小對(duì)環(huán)境的危害，所以結(jié)構(gòu)輕量化是汽車行業(yè)需要有所突破的重要方向之一。當(dāng)前，汽車輕量化技術(shù)可以分為[2]：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料的應(yīng)用和先進(jìn)制造工藝等3個(gè)主要方面。其中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面包括：汽車結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化；輕量化材料的應(yīng)用方面包括：高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料等；先進(jìn)制造工藝方面包括：液壓成型和激光焊接等。本論文主要是通過CATIA三維軟件建模，利用CAE有限元分析手段對(duì)某款汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門搖臂體結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能模擬分析，并根據(jù)分析數(shù)據(jù)對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，參照生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)搖臂體進(jìn)行加工工藝設(shè)計(jì)。1.1課題研究的背景1.1.1課題研究的意義目前，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)一般全都使用氣門式的配氣機(jī)構(gòu)，配氣機(jī)構(gòu)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)兩大機(jī)構(gòu)之一，控制著進(jìn)、排氣門的開閉，氣門搖臂是發(fā)動(dòng)機(jī)中不可或缺的重要零件之一。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，搖臂始終與凸輪軸間接或直接保持接觸，并在凸輪輪廓的推動(dòng)下承受著較大的循環(huán)變化的載荷。此外，搖臂（按布置情況）始終處于高速接觸的摩擦中，這種摩擦和交變載荷不僅損耗了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，同時(shí)也使得搖臂接觸面發(fā)生疲勞失效以及疲勞斷裂，所以搖臂在結(jié)構(gòu)、材料、性能等方面要求很高。以前的零件設(shè)計(jì)大部分都是依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)來估算產(chǎn)品的性能，需要在制作成樣件后方能進(jìn)行對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)來檢驗(yàn)。由于樣件在試驗(yàn)的過程中經(jīng)常報(bào)廢，所以需要較高的制造費(fèi)用和較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期，并且只有通過相互對(duì)比，才能大致判斷產(chǎn)品設(shè)計(jì)的是否合理，是否達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)如今采用概念設(shè)計(jì)，在搖臂承受一定載荷沖擊的情況下首先要保證其強(qiáng)度和剛度滿足條件要求，再進(jìn)行合理地去掉不必要的的部位，降低質(zhì)量，而輕量化設(shè)計(jì)通常需要對(duì)搖臂體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，再分析，甚至再優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路是充分利用材料的力學(xué)特性，合理設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)，并且保證一定的零件使用的安全系數(shù)。以上說明，采用計(jì)算機(jī)輔助工程（ComputerAidEngineering，簡(jiǎn)稱CAE）技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)前期階段具有重要意義，也是一種必定的趨勢(shì)。FEM分析即有限元分析法，基于CAD/CAM/CAE系統(tǒng)核心理論，克服了經(jīng)典理論的不足，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已有很多通用的商品化有限元軟件和分析程序，如ANSYS、HyperWorks、AVLFire軟件等。目前，F(xiàn)EM分析已成為一種非常成熟的驗(yàn)證手段[3]。1.1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀搖臂體結(jié)構(gòu)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于搖臂的工作條件復(fù)雜，使其必須具備相應(yīng)的工作性能，大致如下：1）對(duì)于為摩擦副工作的圓弧面來說要求其具有較好硬度、耐沖擊和耐磨性，以及較低的摩擦系數(shù)，以減小能量消耗；2）搖臂整體應(yīng)有較高的剛度，強(qiáng)度、較長(zhǎng)的疲勞壽命以及較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；3）軸孔處有較好耐磨性。鍛鋼鍍鉻搖臂、鑲塊式搖臂和滾輪式搖臂是目前主要采用的三種結(jié)構(gòu)形式，國(guó)內(nèi)外對(duì)氣門搖臂所做的研究大部分都是針對(duì)上述三個(gè)方面進(jìn)行的。鍛鋼鍍鉻搖臂早期的一種發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂，基體材料一般為調(diào)質(zhì)后的鍛鋼，在圓弧工作表面處進(jìn)行采用淬火處理，以改善其硬度；進(jìn)行拋光處理，以改善其接觸的摩擦系數(shù)；最后鍍鉻，以加強(qiáng)圓弧面的耐磨性，如圖1.1所示。圖1.1汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鍛鋼鍍鉻式搖臂這種鍛鋼鍍鉻式搖臂在剛度和疲勞強(qiáng)度上有較好的性能，軸孔處也有較好的耐磨性，但其重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量偏大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能造成直接的不良影響；而且，圓弧面在工作時(shí)容易出現(xiàn)鍍鉻層掉落情況，磨損情況比較嚴(yán)重。除了表面鍍鉻這種方式外，還有一種表面處理技術(shù)——激光表面合金化處理。使用優(yōu)化的激光工藝參數(shù)，對(duì)體積小，形狀復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門搖臂工作圓弧面采用多道激光掃描進(jìn)行表面合金化處理，可以獲得厚度大、搭接較好、硬度高且均勻的合金化層[4]。鑲塊式搖臂鑲塊式搖臂是根據(jù)“組合”原理設(shè)計(jì)出的產(chǎn)物。根據(jù)搖臂的工作條件要求，為搖臂基體和工作圓弧面分別選取兩種不同性能特點(diǎn)的材料來分開制造，再通過技術(shù)手段將其組合到一起,完全發(fā)揮各種材料所具有的性能特點(diǎn),從而來提高產(chǎn)品使用性能,降低材料的耗費(fèi)，如圖1.2所示。圖1.2汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鑲塊式搖臂目前,已經(jīng)制造出的鑲塊式搖臂有兩種：一種是粉末冶金鑲塊搖臂,另一種是陶瓷鑲塊搖臂。早在1977年,日本三菱(MMC)公司就開發(fā)出了采用鋁合金壓鑄包容粉末冶金鑲塊的搖臂,并于20世紀(jì)80年代投入了大批量生產(chǎn)使用[5]。對(duì)于耐磨性而言，粉末冶金鑲塊搖臂比鍍鉻搖臂要提高了許多,但其質(zhì)量仍然較重，以致配氣機(jī)構(gòu)的輕量化問題并沒有完全解決。鋁合金陶瓷鑲塊搖臂可使搖臂和凸輪軸的磨損壽命分別提高6倍和5倍。而鋁合金密度小,用做搖臂基體可明顯減小配氣機(jī)構(gòu)的等效質(zhì)量。我國(guó)492QA型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在采用了陶瓷配氣機(jī)構(gòu)后,使等效質(zhì)量明顯減輕,氣門彈簧預(yù)緊力減小,從而在各種工況下可節(jié)油2%～8%[6]。滾輪式搖臂滾子接觸大部分為線接觸，線接觸接觸面積小，接觸應(yīng)力會(huì)立即轉(zhuǎn)移或減小，對(duì)接觸表面的磨損較?。换瑒?dòng)摩擦大部分為面接觸，接觸表面接觸停留時(shí)間較長(zhǎng)，接觸位置容易產(chǎn)生比較多的熱量，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)出現(xiàn)燒灼磨損，導(dǎo)致零件容易損壞[7]，如圖1.3所示。圖1.3汽車發(fā)動(dòng)機(jī)滾輪式搖臂目前,滾子搖臂已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)大部分發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)之中。由于凸輪軸表面與氣門搖臂總成為滾輪的表面線接觸，凸輪軸與搖臂之間由滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦，因此具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):a.降低摩擦力；b.減少了表面擦傷力；c.重量輕；d.提高耐久性；e.動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性得到改善；f.有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的高速化發(fā)展[8]。有限元技術(shù)應(yīng)用在CAE技術(shù)中,有限單元法FEM(FiniteElementMethod)是其中運(yùn)用最成功、最廣泛的一種數(shù)值方法[9]。由于國(guó)外計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)達(dá)，F(xiàn)EM分析技術(shù)已經(jīng)大面積應(yīng)用于制造行業(yè)，為新型產(chǎn)品的開發(fā)提供便捷。對(duì)于汽車輕量化設(shè)計(jì)的原則是須在保證具有必要的強(qiáng)度和滿足一定的剛度標(biāo)準(zhǔn)條件下，既要確保其壽命，又要滿足其裝配和使用要求，同時(shí)最大限度地減輕汽車結(jié)構(gòu)的自重[10]。國(guó)外汽車工業(yè)實(shí)施汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)過程一般先使用CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的三維建模概念設(shè)計(jì)，然后將模型導(dǎo)入CAE軟件中，采用多體動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行汽車整車操縱穩(wěn)定性和行駛平穩(wěn)性的動(dòng)態(tài)仿真分析；采用有限元法進(jìn)行汽車碰撞分析，汽車噪聲分析，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析，結(jié)構(gòu)疲勞分析、振動(dòng)模態(tài)分析、瞬態(tài)分析等[11]。由于我們國(guó)家的汽車工業(yè)發(fā)展較晚，先進(jìn)技術(shù)明顯比不上其他發(fā)達(dá)國(guó)家，CAD/CAE/CAM技術(shù)的使用也次于其他工業(yè)發(fā)展快的國(guó)家。隨著先進(jìn)技術(shù)的引入以及汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的殘酷性，迫使國(guó)內(nèi)一些汽車和零部件企業(yè)加大科研投入，開始發(fā)展CAE技術(shù)并運(yùn)用到企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)當(dāng)中，加之高校對(duì)人才的培養(yǎng)和輸出，使得具備一定軟件技術(shù)的畢業(yè)生加入國(guó)內(nèi)不少汽車行業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)中來，使得CAD/CAE/CAM技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展有了大幅度的上升。有限元技術(shù)普遍應(yīng)用于工程技術(shù)問題，它的應(yīng)用給設(shè)計(jì)人員帶來更多的便捷，企業(yè)采用此技術(shù)使設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品的模擬設(shè)計(jì)階段進(jìn)行驗(yàn)證、檢測(cè)潛在的缺陷，有問題時(shí)能及時(shí)第一時(shí)間加以改正。由此可見，有限元技術(shù)的應(yīng)用能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)，因此在汽車工業(yè)的發(fā)展過程中使用CAD/CAE技術(shù)是最有效的手段。加工工藝搖臂毛坯的加工過程中，油孔的加工是比較重要的。這種孔屬于小孔徑深孔，而且還帶有一定的傾角，一般的加工方案是達(dá)不到預(yù)期目的的。這需要用到專用的夾具和細(xì)長(zhǎng)的刀具，還需要合適的刀具轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量。速度慢了，會(huì)影響加工的效率；速度快了，可能會(huì)損傷或折斷刀具，帶來成本損失。我們所在的工廠用的就是傳統(tǒng)的加工方法，采用兩面一銷的夾具定位方式，用小型的立式鉆床進(jìn)行加工，由工人直接一對(duì)一直接操作。這種傳統(tǒng)的加工方法存在一定的缺陷，例如：1）人工操作的專用夾具定位精度不夠；2）每次裝夾只一件，效率低；3）夾具通用性差，不能滿足新產(chǎn)品的生產(chǎn)。國(guó)際上解決深孔加工的方案主要有兩種：一是采用專用組合機(jī)床。優(yōu)點(diǎn)顯而易見，精度穩(wěn)定，加工效率高。其動(dòng)力部分可采用全數(shù)控式、液壓式或液壓與數(shù)控結(jié)合式。鉆頭可采用普通鉆頭或槍鉆；二是采用通用設(shè)備。包括搖臂鉆床、加工中心等[12]。據(jù)上可知，采用數(shù)控機(jī)床專門加工搖臂類零件小孔徑深孔是不錯(cuò)的方法，該工藝方便，可靠，達(dá)到了產(chǎn)品效率好、質(zhì)量高的定期目標(biāo)。1.2課題研究的來源課題《氣門搖臂的結(jié)構(gòu)、有限元分析以及工藝設(shè)計(jì)》來源于湖北江華機(jī)械有限公司技術(shù)部的某種搖臂試制項(xiàng)目。根據(jù)公司技術(shù)部的指導(dǎo)，將對(duì)該種搖臂進(jìn)行CAD建模并加以有限元分析，驗(yàn)證在正常的工作條件下是否能穩(wěn)定的運(yùn)行，并對(duì)其毛坯進(jìn)行加工工藝路線設(shè)計(jì)，最終完成該試制項(xiàng)目。1.3課題研究的目的結(jié)合汽車發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立搖臂的三維模型，通過有限元分析軟件，對(duì)搖臂進(jìn)行靜力學(xué)分析，模態(tài)分析以及疲勞分析，并對(duì)其加工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)的輕量化改進(jìn)和優(yōu)化，減輕零件質(zhì)量，為今后的其他產(chǎn)品前期開發(fā)階段提供指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本的目的。1.4課題研究的內(nèi)容本文主要具體內(nèi)容有：（1）使用CATIA軟件完成氣門搖臂體的三維實(shí)體建模；（2）利用有限元軟件（ANSYS-Workbench、Hyperworks）對(duì)搖臂體進(jìn)行靜強(qiáng)度分析、模態(tài)分析以及疲勞壽命分析，為搖臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)。（3）根據(jù)分析的結(jié)果，在保證使用性能的前提下優(yōu)化搖臂結(jié)構(gòu)，并重新進(jìn)行合理性分析。（4）結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)搖臂的進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，完成搖臂毛坯的工藝設(shè)計(jì)。第二章汽車發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力源泉，發(fā)動(dòng)機(jī)的各種性能指標(biāo)都是極其重要的。氣門搖臂作為發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的重要零件之一，其作用是不可或缺的。根據(jù)搖臂的實(shí)際工作情況可知，其自身必須具備較強(qiáng)的強(qiáng)度、剛度以及較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。2.1發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)氣門配氣機(jī)構(gòu)是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)所特有的機(jī)構(gòu)，配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是按照發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)氣缸的工作循環(huán)和點(diǎn)火順序要求，以一定的循環(huán)周期定時(shí)打開和關(guān)閉進(jìn)氣門和排氣門，實(shí)現(xiàn)可燃混合氣（汽油發(fā)動(dòng)機(jī)）或新鮮空氣（柴油發(fā)動(dòng)機(jī)）及時(shí)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，當(dāng)燃燒完畢，產(chǎn)生的廢氣也要能及時(shí)排除氣缸，廢氣排除越充分，則進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣或空氣量越多，即各氣缸換氣過程越良好，充氣系數(shù)就越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能越好[13-14]。圖2.1汽車發(fā)動(dòng)機(jī)頂置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體設(shè)計(jì)的不同，凸輪軸所在的位置也不一樣，有三種形式：凸輪軸下置式、凸輪軸中置式和凸輪軸頂置式。不同形式的凸輪軸布置方法，其組成配氣機(jī)構(gòu)的各個(gè)零部件也不一樣。在凸輪軸下置式和中置式中，需要用到較長(zhǎng)的挺桿，這將使得配氣機(jī)構(gòu)的整體剛度下降，不易于發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。在凸輪軸上置式的配氣機(jī)構(gòu)中，沒有推桿，由凸輪軸外廓直接驅(qū)動(dòng)搖臂，整體布置緊湊，剛度增強(qiáng)，如圖2.1所示。2.2氣門搖臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1CATIA簡(jiǎn)介CATIA軟件的全稱是ComputerAidedTri-DimensionalInterfaceApplication,它是法國(guó)DassaultSystem公司（達(dá)索公司）開發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化軟件。其中提供了多個(gè)功能模組，如圖2.2所示。適用范圍廣泛于航空航天、汽車、造船、通用機(jī)械等諸多領(lǐng)域。CATIAV5作為一個(gè)大型CAD實(shí)用軟件，擁有以下特征：（1）基于Windows平臺(tái)開發(fā)的系統(tǒng)，易于使用；（2）先進(jìn)的混合建模技術(shù)；（3）支持并行工程；（4）先進(jìn)的電子樣機(jī)技術(shù)；（5）知識(shí)驅(qū)動(dòng)的CAD/CAM系統(tǒng)；（6）實(shí)現(xiàn)共享資源，構(gòu)造數(shù)字化管理；（7）易于發(fā)展電子商務(wù)；（8）優(yōu)良的可擴(kuò)展性，保護(hù)用戶投資。圖2.2CATIAV5中的模組2.2.2模型創(chuàng)建根據(jù)現(xiàn)有的成品搖臂毛坯的相關(guān)參數(shù)，自行在三維建模軟件CATIA設(shè)計(jì)搖臂結(jié)構(gòu)。該搖臂為某款發(fā)動(dòng)機(jī)上的進(jìn)氣搖臂，由鍛造制成，材料為50鋼。如圖2.3所示為成品搖臂毛坯。圖2.3成品毛坯三維模型由圖2.3所示，搖臂中心為旋轉(zhuǎn)軸孔，兩邊臂長(zhǎng)不等，運(yùn)用杠桿原理實(shí)現(xiàn)改變力的方向和大小。根據(jù)搖臂的工作情況，要求具有足夠的強(qiáng)度與剛度，上圖中通過增加加強(qiáng)肋來實(shí)現(xiàn)增加搖臂的強(qiáng)度與剛度。設(shè)計(jì)思路來源：由于搖臂工作過程中承受彎矩影響，搖臂根部彎矩最大，故聯(lián)想到等強(qiáng)度梁原理，它是通過改變界面尺寸從而適應(yīng)不同的彎矩大小，以保證承受大致相同的強(qiáng)度。在保證關(guān)鍵尺寸不變的前提下，對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)的進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，如圖2.4所示。圖2.4搖臂1結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)第三章?lián)u臂結(jié)構(gòu)的有限元分析隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，各種實(shí)用性軟件被逐步開發(fā)出來，如CAD/CAE/CAM等計(jì)算機(jī)輔助性軟件，汽車工業(yè)的進(jìn)步很大層次上依賴于計(jì)算機(jī)輔助性軟件的使用。汽車工業(yè)的高速發(fā)展使得汽車制造公司對(duì)汽車零部件的性能要求越來越高，在保證零件必須的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞設(shè)計(jì)壽命的前提下，應(yīng)盡可能地減小零件的自身重量，實(shí)現(xiàn)整車的輕量化，這對(duì)環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約都有重大意義。傳統(tǒng)的零件設(shè)計(jì)階段有很多試驗(yàn)測(cè)試過程，而且零件的設(shè)計(jì)多憑借以往經(jīng)驗(yàn)，這樣必須對(duì)零件結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的各種方案試制樣品，這樣不僅試驗(yàn)周期長(zhǎng)，成本高，而且目標(biāo)也不是很明確，不宜于設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)流程如圖3.1所示。工業(yè)設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)產(chǎn)品規(guī)格工業(yè)設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)產(chǎn)品規(guī)格詳細(xì)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)重模型試制重新新模型試制重設(shè)計(jì)設(shè)測(cè)試試驗(yàn)新計(jì)測(cè)試試驗(yàn)設(shè)規(guī)模生產(chǎn)計(jì)規(guī)模生產(chǎn)圖3.1傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程圖大部分機(jī)械結(jié)構(gòu)失效的主要原因是零件的疲勞破壞，一般情況下，疲勞破壞零件所承受的交變載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)小于零件材料的安全許用應(yīng)力，但由于長(zhǎng)此以往地承受交變載荷，導(dǎo)致零件發(fā)生斷裂或變形，最終失效?？梢?，解決承受交變載荷零件的壽命預(yù)測(cè)是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的重要方向。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門搖臂長(zhǎng)期處于循環(huán)載荷工況下，而且屬于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，為保證其性能安全可靠，搖臂結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命。因此對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的有限元分析，對(duì)提高搖臂的安全性和可靠性有非常重要的實(shí)際意義。利用有限元法對(duì)搖臂進(jìn)行概念性設(shè)計(jì)階段的模擬分析，然后根據(jù)分析所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式不但成本高、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，而且阻礙了產(chǎn)品的創(chuàng)新性發(fā)展研究。引入有限元法后，只要將零件的初步CAD模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，對(duì)模型加以對(duì)應(yīng)的工作工況，根據(jù)分析結(jié)果，再在CAD中進(jìn)行設(shè)計(jì)，再次導(dǎo)入有限元中分析，經(jīng)過一次次改進(jìn)，最終得到理想的設(shè)計(jì)結(jié)果。這種有限元分析法不僅降低了傳統(tǒng)中制造試件的費(fèi)用，而且還大大縮減了開發(fā)周期，為產(chǎn)品開發(fā)人員提供了有力的工具，設(shè)計(jì)流程如圖3.2所示。由此可見，將有限元法應(yīng)用于產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)階段中對(duì)于提高行業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。產(chǎn)品規(guī)格工業(yè)設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)產(chǎn)品規(guī)格工業(yè)設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)CAE分析詳細(xì)設(shè)計(jì)CAE分析詳細(xì)設(shè)計(jì)模型試制模型試制一次測(cè)試試驗(yàn)測(cè)試試驗(yàn)一次測(cè)試試驗(yàn)測(cè)試試驗(yàn)規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模生產(chǎn)圖3.2引入CAE后產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程圖3.1有限元基本知識(shí)3.1.1有限元法介紹有限元基本概念簡(jiǎn)單的說，有限元法是一種離散化的數(shù)值方法，離散后的單元與單元之間只通過節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系，所以力和位移都通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)每個(gè)單元，選取適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù)，使得該函數(shù)在子域分界面上（內(nèi)部邊界）以及子域與外界分界面（外部邊界）上都滿足一定的條件。然后把所以單元的方程組合起來，就得到了整個(gè)結(jié)構(gòu)的方程，求解該方程就可以得到結(jié)構(gòu)的近似解[15]。有限元基本思想在工程或物理問題的數(shù)學(xué)模型（基本變量、基本方程、求解域和邊界條件等）確定以后，有限元法作為對(duì)其進(jìn)行分析的數(shù)值計(jì)算方法的基本思想可簡(jiǎn)單概括為如下3點(diǎn)[16]：（1）將一個(gè)表示結(jié)構(gòu)或連續(xù)體的求解域離散為若干個(gè)子域（單元），并通過他們邊界上的節(jié)點(diǎn)相互連接成為一個(gè)整體；（2）用每一個(gè)單元內(nèi)所假設(shè)的近似函數(shù)來分片地表示全求解域內(nèi)待求解的未知場(chǎng)變量。而每個(gè)單元內(nèi)的近似函數(shù)由未知場(chǎng)函數(shù)（或其導(dǎo)數(shù)）在單元各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值和其對(duì)應(yīng)的插值函數(shù)來表達(dá)。由于在連接相鄰單元的節(jié)點(diǎn)上，場(chǎng)函數(shù)具有相同的數(shù)值，因而將它們作為數(shù)值求解的基本未知量。這樣一來，求解原待求場(chǎng)函數(shù)的無窮自由度問題就轉(zhuǎn)換為求解場(chǎng)函數(shù)節(jié)點(diǎn)值的有限自由度問題。（3）通過和原問題數(shù)學(xué)模型（如基本方程、邊界條件等）等效的變分原理或加權(quán)余量法，建立求解基本未知量（場(chǎng)函數(shù)節(jié)點(diǎn)值）的代數(shù)方程組和常微分方程組。此方程組成為有限元求解方程，并表示為規(guī)范化的矩陣形式，接著用相應(yīng)的數(shù)值方法求解該方程，從而得到原問題的解答。3.1.2有限元分析過程采用有限元方法時(shí)，一般是先把模型劃分成有限個(gè)大大小小的網(wǎng)格單元，各個(gè)單元之間通過單元節(jié)點(diǎn)相互連接。通過軟件給單元附加材料屬性，這樣每個(gè)單元就變成了有密度，有彈性模量的實(shí)物單元，用這些單元來模擬實(shí)物的結(jié)構(gòu)與性能。有限元方法仿真分析的過程一般如下[17]：1、問題及求解域定義：根據(jù)實(shí)際問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。2、對(duì)分析結(jié)構(gòu)離散化：將分析結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化是有限元分析的基礎(chǔ)。離散化，是指將連續(xù)的結(jié)構(gòu)劃分成有限個(gè)元素單元體，部件和設(shè)置在連接單元體的角度來看，相鄰的單元體組件連接到結(jié)構(gòu)成分單元，以取代原來的結(jié)構(gòu)。3、選擇適當(dāng)?shù)奈灰颇Ｊ剑?jīng)過離散結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成由有限個(gè)單元構(gòu)成，單元之間以節(jié)點(diǎn)相連接。因此以節(jié)點(diǎn)的位移可以近似得出單元體的位移、應(yīng)力和應(yīng)變，在連續(xù)結(jié)構(gòu)體問題的分析當(dāng)中，必須將單元的位移分布進(jìn)行假設(shè)，位移被認(rèn)為是一個(gè)簡(jiǎn)單的坐標(biāo)函數(shù)，此函數(shù)叫做位移模式或位移函數(shù)。在有限元分析時(shí)需選擇適當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)，一般選擇多項(xiàng)式作為位移模式，因?yàn)槎囗?xiàng)式數(shù)學(xué)（微分和積分）運(yùn)算更方便，且多項(xiàng)式可以逼近所有光滑函數(shù)的局部，這即是不完全的泰勒級(jí)數(shù)。根據(jù)單元的自由度和問題解的收斂性來選擇多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)和階次，在一般情況下，項(xiàng)數(shù)等于單元自由度數(shù)，階次包括常數(shù)項(xiàng)和線性項(xiàng)。根據(jù)所選擇的位移模式可以導(dǎo)出由單位位移關(guān)系中的任何一點(diǎn)所代表的節(jié)點(diǎn)位移，其矩陣形式可表示為：（3.1）式中，為單元體內(nèi)某一節(jié)點(diǎn)的位移矩陣；為形函數(shù)矩陣，它是坐標(biāo)位置的函數(shù)；為單元的節(jié)點(diǎn)位移矩陣。4、單元的力學(xué)特學(xué)性分析：在選擇好位移模式后，就可以分析單元的力學(xué)特性，主要為以下三個(gè)方面：（1）通過幾何方程和關(guān)系式（3.1），以節(jié)點(diǎn)位移矩陣求解出單元的應(yīng)變矩陣，表達(dá)式為：（3.2）式中，是有限單元體內(nèi)某一節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變矩陣。（2）由節(jié)點(diǎn)位移矩陣和單元的應(yīng)變矩陣表達(dá)式（3.2），結(jié)合物理方程求解出單元應(yīng)力的關(guān)系式：(3.3)式中，是單元內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力矩陣；是單元材料有關(guān)的彈性矩陣。（3）在虛功原理基礎(chǔ)上，建立作用于單元上的節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式，即單元的剛度方程為：（3.4）式中，稱為單元?jiǎng)偠染仃?，最終導(dǎo)出：（3.5）上式的積分應(yīng)涉及全部單元的體積。在上面的三個(gè)表達(dá)式中，單元力學(xué)特性分析的核心內(nèi)容是推導(dǎo)出單元的剛度矩陣。5、計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力：在結(jié)構(gòu)離散成小單元組合后，假設(shè)力是在相鄰單元連接的節(jié)點(diǎn)來傳遞的，但在連續(xù)體結(jié)構(gòu)中，力實(shí)際是通過公共邊界進(jìn)行傳遞的。因此，作用在單元邊界上的表面力、集中力、體積力都要移動(dòng)到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，即用一個(gè)等效節(jié)點(diǎn)力，以取代單元體上所有力。移植的方法是根據(jù)作用在單元上的力作為等效節(jié)點(diǎn)力為原則，在任何虛位移上的虛功都相等（稱為虛功等效）進(jìn)行。6、集合整個(gè)離散化連續(xù)體的代數(shù)方程：即組裝在一個(gè)連續(xù)體，也就是把各個(gè)單元的剛度矩陣集合成整個(gè)連續(xù)體的剛度矩陣，把各個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)力矢量集合為總的力和載荷矢量。最常用的原則是要求節(jié)點(diǎn)能互相連接，即要求所有與某節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的單元在該節(jié)點(diǎn)處的位移相同。一般來說，集合要求所有相鄰的單元在公共節(jié)點(diǎn)處的位移相等。于是得到以整體剛度矩陣、載荷矩陣以及整個(gè)物體的節(jié)點(diǎn)位移矩陣表示的整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程：(3.6)7、求解未知節(jié)點(diǎn)位移和單元應(yīng)力：通過平衡方程（3.6），可以求解出未知節(jié)點(diǎn)位移。在線性平衡問題分析當(dāng)中，可以根據(jù)分析問題的特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法。對(duì)于非線性問題，需逐步修改剛度矩陣才能求解。最后，可以結(jié)合表達(dá)式（3.5）和已獲得的節(jié)點(diǎn)位移來求解出每個(gè)單元的應(yīng)力。3.2有限元分析軟件概述3.2.1HyperMesh軟件簡(jiǎn)介[18]HyperMesh是一個(gè)高端的有限元前后處理器，能夠建立各種復(fù)雜模型的有限元和有限差分模擬，與多種CAD和CAE軟件有良好的接口并具有高效的網(wǎng)格劃分功能。HyperMesh是一個(gè)針對(duì)有限元主流求解器的高性能有限元前后處理軟件，工程設(shè)計(jì)人員可以在一個(gè)極佳的交互可視環(huán)境下對(duì)多種設(shè)計(jì)條件進(jìn)行分析。HyperMesh通過輸入輸出功能，可以閱讀各種業(yè)內(nèi)主要的CAD軟件的數(shù)據(jù)格式，以生成有限元模型。在HyperMesh中有一系列的工具，可用來對(duì)輸入的幾何實(shí)體進(jìn)行清理或修補(bǔ)。所輸入的幾何模型中如含有面的信息，以及含有縫隙、重疊和不對(duì)齊現(xiàn)象，這就會(huì)妨礙網(wǎng)格自動(dòng)劃分器生成高品質(zhì)的網(wǎng)格。通過消除不對(duì)齊處及小孔，通過對(duì)相鄰面間的邊界進(jìn)行抑制，可以在模型更大、更廣的區(qū)域內(nèi)劃分網(wǎng)格，從而提高整體網(wǎng)格劃分的速度和質(zhì)量。Altair公司在世界范圍內(nèi)與先導(dǎo)的CAD/CAM軟件供應(yīng)商建立了緊密而重要的關(guān)系，保證用戶在同步的工程環(huán)境下從一個(gè)或多個(gè)CAD系統(tǒng)中獲取CAD信息。HyperMesh強(qiáng)大的幾何輸入功能支持多種格式的復(fù)雜裝配幾何模型的讀入，如CATIA、UG-NX、PROE、STEP、IGES、PDGS、DXF、STL、VDAFS等格式，支持UG動(dòng)態(tài)裝配，并設(shè)定幾何容差，修復(fù)幾何模型，同時(shí)支持IGES格式輸出。HyperMesh為用戶提供了一套完善而又易于使用的工具程序。用戶可以使用各種網(wǎng)格生成工具及HyperMesh網(wǎng)格自動(dòng)劃分模塊來創(chuàng)建二維和三維有限元模型。HyperMesh能夠用一階和二階四面體單元對(duì)一段封閉區(qū)域自動(dòng)劃分出高品質(zhì)的單元，還提供了多種三維單元生成方式來構(gòu)建高質(zhì)量的四面體、六面體網(wǎng)格和CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）網(wǎng)格。HyperMesh提供了多種形式的網(wǎng)格質(zhì)量檢查菜單，使用戶可以實(shí)時(shí)控制單元質(zhì)量，另外還提供了多種網(wǎng)格質(zhì)量修改工具。3.2.2ANSYS—Workbench軟件簡(jiǎn)介Workbench是由ANSYS公司提出的協(xié)同仿真環(huán)境，用來解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程中出現(xiàn)的CAE軟件的異構(gòu)問題。面對(duì)制造業(yè)信息化大潮、仿真軟件優(yōu)勝劣汰、企業(yè)知識(shí)資產(chǎn)的保留等各種問題下，ANSYS公司提出：在保證核心技術(shù)的多樣化同時(shí)，共同建立協(xié)同仿真環(huán)境。其目的是，通過在產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中對(duì)仿真環(huán)境的開發(fā)與實(shí)施，創(chuàng)建一個(gè)集成多學(xué)科異構(gòu)的CAE技術(shù)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的仿真系統(tǒng)。以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM為核心，創(chuàng)建一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品研制虛擬仿真團(tuán)隊(duì)，以產(chǎn)品數(shù)字虛擬樣機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的并行和異地仿真?；赪orkbench的仿真環(huán)境有三點(diǎn)與傳統(tǒng)仿真環(huán)境有所不同[19]：（1）客戶化：Workbench像PDM那樣，利用與仿真相關(guān)的API，根據(jù)用戶的產(chǎn)品研發(fā)流程特點(diǎn)開發(fā)實(shí)施形成仿真環(huán)境，而且用戶自主開發(fā)的API與ANSYS已有的API平等。這一特點(diǎn)也稱為“實(shí)施性”；（2）集成性：Workbench把求解器看作一個(gè)組件，不論由哪個(gè)CAE公司提供的求解器都是平等的，在Workbench中經(jīng)過簡(jiǎn)單開發(fā)都可直接調(diào)用；（3）參數(shù)化：Workbench對(duì)CAD系統(tǒng)的關(guān)系不同尋常。它不僅直接使用異構(gòu)CAD系統(tǒng)的模型，而且建立與CAD系統(tǒng)靈活的雙向參數(shù)互動(dòng)關(guān)系。Ansys-Workbench具有以下特點(diǎn)[16]：1、協(xié)同仿真、項(xiàng)目管理集設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化、網(wǎng)格變形等功能于一體，對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行項(xiàng)目協(xié)同管理。2、雙向的參數(shù)傳輸功能支持CAD-CAE間的雙向參數(shù)傳輸功能。3、高級(jí)的裝配部件處理工具具有復(fù)雜裝配件接觸關(guān)系的自動(dòng)識(shí)別、接觸建模功能。4、先進(jìn)的網(wǎng)格處理功能可對(duì)復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格處理。5、分析功能支持幾乎所有ANSYS的有限元分析功能。6、內(nèi)嵌可定制的工程材料庫(kù)自帶可定制的工程材料數(shù)據(jù)庫(kù)，方便操作者進(jìn)行編輯、應(yīng)用。7、易學(xué)易用ANSYS公司所有軟件模塊的共同運(yùn)行、協(xié)同仿真與數(shù)據(jù)管理環(huán)境，工程應(yīng)用的整體性、流程性都大大增強(qiáng)。完全的windows友好界面，工程化應(yīng)用，方便工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)用。3.2.3有限元軟件分析步驟有限元軟件分析過程包括4個(gè)主要的步驟：初步確定、前處理、加載并求解、后處理。如圖3.3所示，其中初步確定為分析前的步驟，后三步為實(shí)際操作步驟。前處理為建立有限元三維模型，完成有限元網(wǎng)格劃分；加載并求解是調(diào)用求解器，進(jìn)行計(jì)算；后處理則是通過觀察計(jì)算結(jié)果，獲取相應(yīng)信息后處理求解前處理初步確定劃分網(wǎng)格檢驗(yàn)結(jié)果的正確性查看結(jié)果、得出結(jié)論求解施加載荷和約束定義材料屬性建立、導(dǎo)入幾何模型模型類型：零件、組件單元類型：殼單元、實(shí)體單元分析類型：靜力分析、模態(tài)分析后處理求解前處理初步確定劃分網(wǎng)格檢驗(yàn)結(jié)果的正確性查看結(jié)果、得出結(jié)論求解施加載荷和約束定義材料屬性建立、導(dǎo)入幾何模型模型類型：零件、組件單元類型：殼單元、實(shí)體單元分析類型：靜力分析、模態(tài)分析圖3.3有限元分析一般步驟3.3搖臂結(jié)構(gòu)的有限元靜力學(xué)分析3.3.1搖臂受力分析搖臂的受力情況如圖3.4所示。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞的上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)曲軸的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步帶動(dòng)凸輪軸的旋轉(zhuǎn)。凸輪軸通過推桿（根據(jù)凸輪軸的布置位置不一樣而不同）帶動(dòng)搖臂的搖轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過杠桿作用達(dá)到讓氣門開啟的目的。凸輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)到輪廓最高點(diǎn)時(shí)，氣門完全開啟，運(yùn)轉(zhuǎn)在基圓區(qū)間時(shí)，氣門處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)氣門完全開啟時(shí)，氣門彈簧壓縮到最大，此時(shí)搖臂承受的力最大；繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，凸輪輪廓回落，氣門彈簧力減小，位于基圓時(shí)，搖臂所受的力最小。圖3.4搖臂受力模擬圖中，左邊的FORCE為由凸輪軸產(chǎn)生的動(dòng)力，在搖臂孔處只釋放繞軸孔中心旋轉(zhuǎn)的自由度，在氣門這邊限制垂直方向的位移，搖臂整體屬于完全約束，約束合理。3.3.2搖臂材料屬性定義搖臂的靜力學(xué)有限元分析在HyperMesh中完成。搖臂材料為50鋼，密度為7860kg/m3，彈性模量E=2.071011Pa，抗剪模量G=8.111010Pa泊松比=0.276，強(qiáng)度極限=630MPa，屈服極限為=375MPa.由于50鋼屬于塑性材料，取材料的安全系數(shù)n=2.0,則許用應(yīng)力=187.5MPa.在HyperMesh中設(shè)置材料屬性如圖3.5所示。圖3.5設(shè)置50鋼材料屬性3.3.3網(wǎng)格劃分網(wǎng)格的劃分是先在模型表面生成2D表面網(wǎng)格，再由外到內(nèi)進(jìn)行填充。選用二階四面體單元，單元網(wǎng)格尺寸為2.0mm,生成網(wǎng)格模型如圖3.6所示。整個(gè)3D網(wǎng)格模型有34702個(gè)單元和個(gè)57050節(jié)點(diǎn)。圖3.6搖臂結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分3.3.4施加約束及載荷在凸輪軸的工作過程中，當(dāng)凸輪軸運(yùn)行到輪廓最高點(diǎn)時(shí)，搖臂承受的載荷達(dá)到最大值；凸輪軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中，搖臂所承受的載荷逐漸減小，因此，搖臂的靜力學(xué)分析只需要模擬搖臂承受最大載荷時(shí)的工況就行。此時(shí)在推桿這邊施加凸輪推力F=3600N，搖臂孔只釋放繞軸孔中心旋轉(zhuǎn)的自由度，在氣門這邊限制垂直方向的位移。載荷及約束施加情況如圖3.7所示。圖3.7搖臂的約束與加載3.3.5靜力分析結(jié)果計(jì)算得到搖臂1的等效應(yīng)力云圖，如圖3.8所示。圖3.8搖臂1等效應(yīng)力模型由圖中可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在搖臂長(zhǎng)臂中間部位處，數(shù)值為301MPa，遠(yuǎn)大于許用應(yīng)力，故該搖臂結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)。計(jì)算得到搖臂1的總變形云圖，如圖3.9所示。圖3.9搖臂1總變形云圖由圖中可以看出，最大總變形發(fā)生在搖臂短臂螺紋孔處，大小為0.347mm，數(shù)值偏大，不能滿足設(shè)計(jì)要求，故該搖臂結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)。初步設(shè)計(jì)的搖臂結(jié)構(gòu)不能滿足設(shè)計(jì)要求，原因分析如下：根據(jù)受力情況，長(zhǎng)臂承受彎矩影響，而結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)臂設(shè)計(jì)形狀如同“壺嘴”，如圖2.4所示，使得長(zhǎng)臂端更容易發(fā)生彎曲，材料不能很好的利用，不能抵抗彎矩，故此處設(shè)計(jì)不合理，需改進(jìn)。3.3.6搖臂結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及分析由3.3.5中的分析結(jié)果可知，搖臂結(jié)構(gòu)需改進(jìn)，根據(jù)原因分析，對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)做以下改進(jìn)，如圖3.10所示。圖3.10搖臂2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將搖臂長(zhǎng)臂端改成懸掛式，這種類似三角形的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，能更有效的抵抗彎矩，減小搖臂的變形。同樣將改進(jìn)的搖臂2導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行分析。網(wǎng)格單元同樣選用2階四面體單元，單元尺寸2.0mm，生成網(wǎng)格模型如圖3.11所示。整個(gè)3D網(wǎng)格模型有36871個(gè)單元和個(gè)60491節(jié)點(diǎn)。圖3.11搖臂2網(wǎng)格劃分計(jì)算得到搖臂2的等效應(yīng)力云圖，如圖3.12所示。圖3.12搖臂2等效應(yīng)力云圖由圖中可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在搖臂長(zhǎng)臂中間部位處，數(shù)值為130MPa，小于許用應(yīng)力，故該搖臂2結(jié)構(gòu)改進(jìn)有效。計(jì)算得到搖臂2的總變形云圖，如圖3.13所示。圖3.13搖臂2總變形云圖由圖中可以看出，最大總變形依然發(fā)生在搖臂短臂螺紋孔處，大小為0.139mm，數(shù)值稍微有點(diǎn)偏大，該搖臂2結(jié)構(gòu)改進(jìn)有效。改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比，如表3.1所示表3.1搖臂1與搖臂2前后數(shù)據(jù)對(duì)比最大等效應(yīng)力(MPa)最大總變形(mm)質(zhì)量(kg)變形前搖臂13010.3740.443變形后搖臂21300.1390.484相對(duì)變化百分比-56.8%-62.8%9.3%3.4搖臂結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化3.4.1拓?fù)鋬?yōu)化簡(jiǎn)介拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。結(jié)構(gòu)優(yōu)化可分為形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化以材料分布為優(yōu)化對(duì)象，通過拓?fù)鋬?yōu)化，可以在均勻分布材料的設(shè)計(jì)空間中找到最佳的分布方案。拓?fù)鋬?yōu)化相對(duì)于尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，具有更多的設(shè)計(jì)自由度，能夠獲得更大的設(shè)計(jì)空間，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化最具發(fā)展前景的一個(gè)方面。拓?fù)鋬?yōu)化的研究領(lǐng)域主要分為連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化和離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。不論哪個(gè)領(lǐng)域，都要依賴于有限元方法。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化是把優(yōu)化空間的材料離散成有限個(gè)單元（殼單元或者體單元），離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是在設(shè)計(jì)空間內(nèi)建立一個(gè)由有限個(gè)梁?jiǎn)卧M成的基結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)算法確定設(shè)計(jì)空間內(nèi)單元的去留，保留下來的單元即構(gòu)成最終的拓?fù)浞桨?，從而?shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化。在HyperMesh中，Optistruct是以有限元方法為基礎(chǔ)的最優(yōu)化工具，憑借拓?fù)鋬?yōu)化（topology）、形貌優(yōu)化（topography）、形狀優(yōu)化（shape）和尺寸優(yōu)化（size），可產(chǎn)生精確的設(shè)計(jì)概念或布局。Optistruct與HyperMesh之間有無縫的接口，從而使用戶可以快捷地進(jìn)行問題設(shè)置、提交和后處理等一整套操作[18]。3.4.2拓?fù)鋬?yōu)化步驟Optistruct進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化過程一般需要以下幾個(gè)步驟來完成：（1）設(shè)置有限元模型。首先是要將導(dǎo)入的CAD模型進(jìn)行有限元的劃分，添加材料屬性，完成有限元模型的設(shè)置。（2）施加邊界條件和載荷。在HyperMesh中對(duì)有限元模型施加載荷和約束。同時(shí)，針對(duì)具體情況施加子工況。（3）設(shè)置優(yōu)化參數(shù)。定義拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)域、響應(yīng)、約束和目標(biāo)函數(shù)。（4）運(yùn)行程序，顯示計(jì)算得到的優(yōu)化結(jié)果。計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定的優(yōu)化約束和目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)過一定次數(shù)的迭代，得出收斂設(shè)計(jì)的結(jié)果，計(jì)算出最優(yōu)解?；贠ptistruct的連續(xù)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化過程如圖3.14所示。運(yùn)行求解，查看結(jié)果建立有限元模型施加邊界條件和載荷設(shè)置包括拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)域、響應(yīng)、約束和目標(biāo)函數(shù)在內(nèi)的優(yōu)化參數(shù)運(yùn)行求解，查看結(jié)果建立有限元模型施加邊界條件和載荷設(shè)置包括拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)域、響應(yīng)、約束和目標(biāo)函數(shù)在內(nèi)的優(yōu)化參數(shù)圖3.14基于Optistruct連續(xù)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)流程圖3.4.3基于Optistruct的搖臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化利用搖臂2的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)置，如圖3.15所示，將搖臂2的有限元模型分成design和nodesign兩個(gè)區(qū)域，可參照?qǐng)D3.11和圖3.15對(duì)比查看。設(shè)計(jì)域?yàn)閐esign，響應(yīng)是體積（vol）和變形（disp），約束靜力分析中變形最大的節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)函數(shù)為體積最小化，施加對(duì)稱約束。圖3.15搖臂2的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)置根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的參數(shù)設(shè)置，得到如下計(jì)算結(jié)果，如圖3.16所示，迭代22步之后的材料密度云圖。圖3.16迭代22步后的密度云圖取密度閥值為0.3，得到如圖3.17所示的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。圖3.18為體積隨著迭代次數(shù)變化的曲線。圖3.17密度閥值為0.3的優(yōu)化結(jié)果圖3.18體積隨迭代次數(shù)變化的曲線3.4.4建造拓?fù)鋬?yōu)化新結(jié)構(gòu)根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，返回CATIA中重新建造搖臂結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)搖臂3如如3.19所示。圖3.19拓?fù)鋬?yōu)化后重建搖臂3模型注：按理說，優(yōu)化后需重新分析，但考慮到后續(xù)內(nèi)容，暫且先不分析。針對(duì)優(yōu)化前和優(yōu)化后的質(zhì)量做一個(gè)對(duì)比，如表3.2所示。表3.2優(yōu)化前后質(zhì)量對(duì)比優(yōu)化前（搖臂2）優(yōu)化后（搖臂3）變化百分比質(zhì)量（kg）0.4840.431-11%3.5搖臂結(jié)構(gòu)的疲勞分析3.5.1疲勞分析簡(jiǎn)介早在一百多年以前，人們就開始關(guān)注材料的疲勞破壞現(xiàn)象了，相當(dāng)多的科學(xué)家和技術(shù)人員對(duì)金屬的疲勞現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究，得出了許多關(guān)于金屬斷裂和疲勞破壞的相關(guān)理論，由德國(guó)的工程師奧古斯都沃勒提出的疲勞極限概念，為常規(guī)的疲勞設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。由于疲勞破壞產(chǎn)生的因素多種多樣，而且這些因素又相互獨(dú)立，使得簡(jiǎn)單疲勞破壞理論不能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的依據(jù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有將近80%以上的機(jī)械零件失效是由于材料的疲勞破壞引起的。由此可見，在產(chǎn)品開發(fā)階段，對(duì)產(chǎn)品疲勞壽命的預(yù)測(cè)是及其重要的。疲勞破壞一般是由于零件承受交變載荷而導(dǎo)致的，前期研究零件的疲勞破壞主要是通過試驗(yàn)，以試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，可以利用有限元數(shù)值模擬的方法，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行產(chǎn)品的疲勞強(qiáng)度分析和壽命預(yù)測(cè)，有限元技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著零件疲勞領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。在汽車新產(chǎn)品的開發(fā)過程中,需要對(duì)零部件樣品進(jìn)行大量的臺(tái)架試驗(yàn)和整車耐久性試驗(yàn),不僅試驗(yàn)費(fèi)用高、周期長(zhǎng),而且問題大多是出現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成之后,對(duì)設(shè)計(jì)改進(jìn)帶來一定難度.通過有限元疲勞分析,可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期對(duì)零部件和整車的耐久性進(jìn)行預(yù)測(cè),找到結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),提出合理的改進(jìn)方案,還可以大幅度降低或最終取代部分疲勞試驗(yàn)[20]。3.5.2疲勞載荷類型零部件在動(dòng)態(tài)載荷下發(fā)生的疲勞破壞，這種載荷稱為疲勞載荷。根據(jù)疲勞載荷的振幅和方向變化的不一樣，可以分為兩種形式。一種是載荷的大小、方向隨時(shí)間周期性變化，這種載荷稱為交變載荷。還有一種形式是載荷的大小、方向隨時(shí)間隨機(jī)的變化，這種載荷稱為隨機(jī)載荷。交變載荷是最簡(jiǎn)單，也是最基本的疲勞破壞形式，由于交變載荷對(duì)零件產(chǎn)生的局部應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。零件長(zhǎng)期在疲勞載荷的作用下工作，即使最大的工作應(yīng)力比材料的許用應(yīng)力要小，但由于是長(zhǎng)期作用，也會(huì)產(chǎn)生斷裂或裂紋，即發(fā)生疲勞破壞。3.5.3疲勞極限與S-N曲線疲勞極限是材料學(xué)里的一個(gè)及其重要的物理量，表現(xiàn)一種材料對(duì)周期應(yīng)力的承受能力。在疲勞試驗(yàn)中，應(yīng)力交變循環(huán)大至無限次而試樣仍不破壞時(shí)的最大應(yīng)力叫做疲勞極限[21]。大量的試驗(yàn)表明，在交變應(yīng)力作用下，材料是否發(fā)生疲勞破壞，不僅與最大應(yīng)力值有關(guān)，還與循環(huán)特性r及循環(huán)次數(shù)N有關(guān)。在一定的循環(huán)特性下，交變應(yīng)力的最大值越大，材料在破壞前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)越少，反之，材料在破壞前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)越多。對(duì)同一種材料在保證循環(huán)特性不變的前提下，改變材料所承受的最大交變應(yīng)力，依次記錄材料發(fā)生疲勞破壞前所對(duì)應(yīng)的最大的循環(huán)次數(shù)。以材料最大應(yīng)力為縱坐標(biāo)，循環(huán)次數(shù)N為橫坐標(biāo)，將記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成一條曲線，這條曲線就稱為疲勞曲線，即S-N曲線，如圖3.20所示。圖3.20材料的S-N曲線從曲線圖中可以看出，當(dāng)逐漸降低到某一值時(shí)，曲線趨于水平，此時(shí)對(duì)應(yīng)的為該循環(huán)特性下的疲勞極限，對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)稱為循環(huán)基數(shù)。一般情況下，對(duì)于鋼及鑄鐵材料，取N等于2106-2107作為循環(huán)基數(shù)。3.5.4影響疲勞極限的因素用光滑小試件測(cè)定的材料的疲勞極限并不能代表實(shí)際構(gòu)件的疲勞極限，實(shí)際構(gòu)件的疲勞極限受到的影響因素較多，它不但與材料有關(guān)，而且還受到構(gòu)件的幾何形狀、尺寸大小、表面質(zhì)量、加工方式、工作環(huán)境和其他一些因素的影響。3.5.5疲勞分析步驟利用Ansys-workbench平臺(tái)，對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析，步驟如下:（1）建立工程材料屬性，包括S-N曲線；（2）建立或?qū)霂缀文Ｐ?；?）定義網(wǎng)格控制；（4）施加載荷和約束；（5）選擇需要得到的結(jié)果，包括FatigueTool、Safefactor等；（6）求解；（7）查看結(jié)果。3.5.6Ansys-workbench搖臂結(jié)構(gòu)疲勞分析定義S-N曲線疲勞分析是以靜力分析為基礎(chǔ)，先定義的基本屬性（彈性模量、泊松比、密度等），然后就是材料的S-N曲線了。搖臂的材料為50鋼，屬于中碳鋼。在Ansys-workbench的EngineeringData模塊中，有默認(rèn)的StructuralSteel（結(jié)構(gòu)鋼）的材料屬性，而50鋼也屬于結(jié)構(gòu)鋼一類，故采用默認(rèn)的StructuralSteel的S-N曲線，如圖3.21所示。圖3.21StructuralSteel的S-N曲線定義疲勞載荷類型疲勞載荷分為交變載荷和隨機(jī)載荷。隨機(jī)載荷是大小和方向不隨時(shí)間周期周期變化的載荷，變化沒有規(guī)律，不能用明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述，而交變載荷正好相反，有明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)搖臂的實(shí)際受力工況，當(dāng)凸輪軸到達(dá)輪廓最高點(diǎn)時(shí)，此時(shí)搖臂受力最大，隨著凸輪軸回落，搖臂所受載荷逐漸減小，但整體受力方向不變。由于無法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，不能得到搖臂所受載荷的實(shí)際變化情況，故只能大致模仿其受力工況，故采用正弦曲線的變化形式施加在搖臂上，大小在0-1之間變化，正弦曲線如圖3.22所示。圖3.22搖臂載荷譜曲線疲勞分析結(jié)果設(shè)計(jì)搖臂疲勞循環(huán)壽命為1.0107次，對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行求解，得出結(jié)果如圖3.23所示。圖3.23搖臂3的疲勞分析結(jié)果由結(jié)果可知，最小安全系數(shù)出現(xiàn)在長(zhǎng)臂端拐角處，安全系數(shù)只有0.89，在短臂下部位也出現(xiàn)了安全系數(shù)小于1.0的情況，搖臂其他部位安全系數(shù)足夠。針對(duì)上述安全系數(shù)不滿足要求的情況，做出以下改進(jìn)：（1）加大長(zhǎng)臂端拐角處倒角尺寸；（2）對(duì)短臂下部為處的“拱形”進(jìn)行填充。經(jīng)過改進(jìn)，得到的搖臂4結(jié)果如圖3.24所示。圖3.24改進(jìn)后的搖臂4模型將更改后的搖臂4再次進(jìn)行疲勞分析，得出結(jié)果，如圖3.25所示。圖3.25搖臂4疲勞分析結(jié)果由結(jié)果可知，經(jīng)改進(jìn)后，最低安全系數(shù)為1.19，仍然出現(xiàn)在長(zhǎng)臂端拐角處，但整體滿足疲勞設(shè)計(jì)要求，改進(jìn)效果明顯。從疲勞分析中提取FatigueSensitivity（疲勞敏感性）曲線，如圖3.26所示，圖中橫坐標(biāo)顯示從0.8-1.5，表示載荷的變動(dòng)范圍，縱坐標(biāo)表示對(duì)于每一個(gè)循環(huán)載荷所對(duì)應(yīng)的最低疲勞壽命。從圖中可以看出，當(dāng)載荷變動(dòng)范圍在0.8-1.18的范圍內(nèi)，搖臂結(jié)構(gòu)是滿足設(shè)計(jì)的疲勞壽命的，當(dāng)承受超過1.18倍的載荷時(shí)，循環(huán)壽命逐漸減小，表示在此循環(huán)載荷下已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)的無限次循環(huán)要求了。圖3.26搖臂4的疲勞敏感性曲線將疲勞分析改進(jìn)前與改進(jìn)后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表3.3所示。表3.3疲勞分析改進(jìn)前后結(jié)果對(duì)比改進(jìn)前（搖臂3）改進(jìn)后（搖臂4）相對(duì)變化百分比最小安全系數(shù)0.891.1933.71%質(zhì)量(kg)0.4310.4453.25%3.6搖臂結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析3.6.1模態(tài)分析簡(jiǎn)介模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。每一個(gè)實(shí)體構(gòu)件都有自身的振動(dòng)模態(tài)，它是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析可以弄清楚結(jié)構(gòu)物體在某一受振頻率范圍內(nèi)的各階固有頻率和振型，根據(jù)固有頻率和振型可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此皮旅范圍內(nèi)的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備。模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析中的基礎(chǔ)內(nèi)容，工程上進(jìn)行模態(tài)分析主要用于[22]：（1）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之前可以預(yù)先避免可能引起的共振。（2）有助于在其他動(dòng)力分析中估算求解控制參數(shù)（如時(shí)間不長(zhǎng)）等。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定了結(jié)構(gòu)對(duì)于各種動(dòng)力載荷的響應(yīng)情況，所以建議在準(zhǔn)備進(jìn)行其他動(dòng)力分析之前首先要進(jìn)行模態(tài)分析。（3）無阻尼模態(tài)分析基本方程：（）=0對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，其固有固有頻率和振型都能從上面的矩陣方程式力得到。這個(gè)方程的根是，即特征值。特征值的平方根是，它就是結(jié)構(gòu)的自然圓頻率（弧度/秒），進(jìn)而可得出自然頻率f=/2。另外，在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)一定要注意只是一個(gè)相對(duì)值，而非絕對(duì)值。3.6.2模態(tài)分析步驟在Ansys-Workbench中的Mechanical進(jìn)行搖臂的模態(tài)分析，具體操作步驟如下：（1）建立模型或?qū)肽Ｐ?；?）定義材料屬性，材料密度一定要設(shè)置正確；（3）假如存在接觸，則要定義接觸對(duì)；（4）劃分網(wǎng)格；（5）如果存在載荷要施加載荷；（6）添加要得到的結(jié)果；（7）求解；（8）查看結(jié)果。3.6.3Ansys-workbench搖臂結(jié)構(gòu)模態(tài)分析根據(jù)搖臂的實(shí)際受力工況，搖臂始終處于承受循環(huán)應(yīng)力的狀態(tài)下工作，故應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。求解有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析前，必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，再將得到的結(jié)果輸入到模態(tài)分析板塊，完成有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，如圖3.27所示。圖3.27有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析根據(jù)模態(tài)分析理論，低階頻率下的振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響最大[23]。故對(duì)搖臂只進(jìn)行前六階的有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，各階固有頻率表3.4所示，振型如圖3.28所示。表3.4搖臂的前6階固有頻率階次123456固有頻率（HZ）2334.32427.94872.97752.67883.611549一階二階三階四階五階六階圖3.28搖臂的各階振型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速4000r/min,由于凸輪軸的轉(zhuǎn)速為曲軸的1/2，則凸輪軸的對(duì)應(yīng)的最高旋轉(zhuǎn)速度為2000r/min,可得搖臂的受振動(dòng)頻率范圍為：0-33.33HZ。根據(jù)表3.4的各階固有頻率結(jié)果，其一階固有頻率就有2334.3HZ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)要大于搖臂的工作環(huán)境中的振動(dòng)頻率，故搖臂在工作過程中不會(huì)發(fā)生共振。3.7與成品搖臂分析數(shù)據(jù)對(duì)比成品搖臂如圖2.3所示，現(xiàn)進(jìn)行相應(yīng)的有限元分析：（1）靜力分析成品搖臂的分析結(jié)果如圖3.29所示：圖3.29成品搖臂靜力分析結(jié)果改進(jìn)后的搖臂4的靜力分析結(jié)果如圖3.30所示：圖3.30改進(jìn)后搖臂4的靜力分析結(jié)果由圖中可得：成品搖臂的最大應(yīng)力為102.4Mpa,最大總變形為0.092mm；搖臂4的最大應(yīng)力為128.1Mpa，最大總變形為0.134mm。（2）疲勞分析成品搖臂的分析結(jié)果如圖3.31所示：圖3.31成品搖臂的疲勞安全系數(shù)搖臂4的疲勞安全系數(shù)如圖3.25所示根據(jù)計(jì)算結(jié)果，成品搖臂的最小安全系數(shù)為1.25；搖臂4的最小安全系數(shù)為1.19。（3）模態(tài)分析成品搖臂的前6階固有頻率如表3.5所示，各階振型如圖3.32所示。表3.5成品搖臂前6階固有頻率階次123456固有頻率（HZ）1142.83079.53124.24256.16872.58606.6一階二階三階四階五階六階圖3.32成品搖臂各階振型（4）綜合對(duì)比將成品搖臂與搖臂4進(jìn)行綜合對(duì)比，如表3.6所示。表3.6成品搖臂與搖臂4的結(jié)果對(duì)比質(zhì)量（kg）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IzKg/mm2最大應(yīng)力Mpa最大變形mm最小疲勞安全系數(shù)一階固有頻率（HZ）搖臂40.445744.28128.10.1341.192334.3成品搖臂0.441744.91102.40.0921.251142.8由表3.6對(duì)比的結(jié)果可以看到，自行設(shè)計(jì)的搖臂4在質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、最大應(yīng)力和最小疲勞安全系數(shù)上沒有太大出入，符合設(shè)計(jì)要求。最大變形稍微有點(diǎn)偏大，但仍滿足設(shè)計(jì)要求，其一階固有頻率是成品搖臂的2倍，所以更加不會(huì)發(fā)生共振。整體看來，加強(qiáng)肋式的搖臂比懸臂梁式的搖臂更能發(fā)揮良好性能優(yōu)勢(shì)?？偠灾?，此次自行設(shè)計(jì)的搖臂4滿足設(shè)計(jì)要求，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)。第四章?lián)u臂的機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)4.1機(jī)械制造的概述隨著人類文明的發(fā)展與進(jìn)步，機(jī)器制造的生產(chǎn)方式也發(fā)生了改變。遠(yuǎn)古時(shí)候的人們首先使用的是用石頭制成的器具，后來為制造更適合人們需求的器具，不同的制造材料也逐漸被采用，土制器具、銅制器具、鐵制器具等等唄逐漸研究出來，不過當(dāng)時(shí)這些器具制造的科技含量不高，技術(shù)比較簡(jiǎn)單。隨著機(jī)械生產(chǎn)的完善和生產(chǎn)能力的提高，機(jī)械生產(chǎn)技術(shù)也不斷被改進(jìn)。直到第一次工業(yè)革命之后，機(jī)械制造成為了一項(xiàng)工業(yè)體系，并朝著大規(guī)模和自動(dòng)化的方向前進(jìn)。第二次工業(yè)革命的出現(xiàn)，使得電能得到了首次應(yīng)用，并推動(dòng)了機(jī)械制造工業(yè)的快速發(fā)展，使機(jī)械制造工業(yè)朝著高技術(shù)、高智能的方向前進(jìn)。機(jī)械制造行業(yè)是一個(gè)產(chǎn)品輪回的巨大體系，是工業(yè)發(fā)展的根基，是一個(gè)產(chǎn)品從原料到成品所包括的實(shí)施重點(diǎn)。機(jī)械制造技術(shù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全制造的一種方式，如果將科學(xué)創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制造方面，就能大幅度提升產(chǎn)品制造的生產(chǎn)能力提升產(chǎn)品質(zhì)量。高新科技技術(shù)與機(jī)械制造應(yīng)該做到相互融合，高新科技技術(shù)應(yīng)以機(jī)械生產(chǎn)作為根本，機(jī)械制造工業(yè)必須借助高新技術(shù)作為支撐，才能發(fā)展。如今，機(jī)械制造工業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)相當(dāng)高的技術(shù)平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航天、農(nóng)業(yè)、電子等等眾多領(lǐng)域，成為了衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的一種體現(xiàn)。4.2機(jī)械加工工藝基本步驟（1）根據(jù)零件和產(chǎn)品裝配結(jié)果，對(duì)零件進(jìn)行工藝分析（2）計(jì)算零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)，確定生產(chǎn)類型（3）確定毛坯種類和制造方法（4）確定毛坯尺寸和公差（5）擬定工藝路線（6）確定各工序的加工余量，計(jì)算工序尺寸及公差。（7）選擇各個(gè)工序的機(jī)床設(shè)備及刀具、量具等工藝裝備（8）確定各個(gè)工序的切削用量和時(shí)間定額（9）編制工藝文件。4.3搖臂的工藝分析和生產(chǎn)類型的確定4.3.1工藝分析如圖4.1所示為搖臂的零件工程圖，圖中已標(biāo)注了主要的尺寸、尺寸公差、形位公差以及粗糙度等，根據(jù)圖紙所示，做一下工藝分析。圖4.1搖臂的零件圖(1)為保證兩端面與的軸孔垂直度，應(yīng)以軸孔為基準(zhǔn)對(duì)兩端面進(jìn)行加工。(2)為保螺栓孔下端面與軸孔的平行度，應(yīng)以軸孔和螺栓上端面為基準(zhǔn)銑削下端面。(3)為保證螺栓孔與軸孔的垂直度，應(yīng)以軸孔和銑好的下端面為基準(zhǔn)鉆螺栓孔。(4)對(duì)于圓弧面的加工，可以采用制造專用夾具的方法進(jìn)行加工。4.3.2確定生產(chǎn)類型生產(chǎn)類型是指企業(yè)（或車間、工段、班組、工作地）生產(chǎn)專業(yè)化程度的分類。一般分為大量生產(chǎn)、成批生產(chǎn)和單件生產(chǎn)三種類型。生產(chǎn)類型的劃分，主要取決于生產(chǎn)綱領(lǐng)，即年產(chǎn)量。不同生產(chǎn)類型的零件的加工工藝有很大的不同[24]。零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)是指企業(yè)在計(jì)劃時(shí)間內(nèi)需要生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量和預(yù)定的進(jìn)度計(jì)劃。生產(chǎn)綱領(lǐng)不僅只包括計(jì)劃的年產(chǎn)量，還包括在生產(chǎn)中報(bào)廢的和備用的產(chǎn)品，其計(jì)算公式如下：（4.1）式中：——零件的年產(chǎn)量；——產(chǎn)品（這里為發(fā)動(dòng)機(jī)）的年產(chǎn)量；——每單位產(chǎn)品中，該零件的數(shù)量；——備品率（一般取2%-4%）；——廢品率（一般取0.3%-0.7%）；根據(jù)是式（4.1）的算法，就可以算出零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)，再查表，就可以確定零件的生產(chǎn)類型。根據(jù)搖臂的設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)確定產(chǎn)品年產(chǎn)量=10000臺(tái)，每臺(tái)產(chǎn)品中含有零件數(shù)=6，這里取備品率=3%，廢品率取=0.5%。將以上數(shù)據(jù)代入式（4.1）中，最后算的搖臂年產(chǎn)量=62109件/年。通過查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè)》，可知該搖臂的生產(chǎn)類型為大量生產(chǎn)。4.4選擇加工方法和制定工藝路線在零件加工之前先確定其定位基準(zhǔn)是至關(guān)重要的，一個(gè)好的定位基準(zhǔn)能更好的對(duì)零件進(jìn)行加工，并且能更好的達(dá)到零件所要求的形位公差，保證零件的質(zhì)量。定位基準(zhǔn)有兩種：粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)。粗基準(zhǔn)是零件在首次加工所選擇的毛坯面為基準(zhǔn)進(jìn)行加工，而精基準(zhǔn)就是在粗基準(zhǔn)加工之后的基礎(chǔ)上加工的基準(zhǔn)。4.4.1定位基準(zhǔn)的選擇1.粗基準(zhǔn)的選擇原則（1）為保證加工表面與不加工表面這間的位置精度，則應(yīng)以不加工表面為粗基準(zhǔn)。若工件上有很多個(gè)不加工表面，應(yīng)選其中與加工表面位置精度要求較高的表面為粗基準(zhǔn)。（2）為保證工件某重要表面的余量均勻，應(yīng)選重要表面為粗基準(zhǔn)。（3）應(yīng)盡量選光滑平整，無飛邊，澆口，冒口或其他缺陷的表面為粗基準(zhǔn)，以便定位準(zhǔn)確，加緊可靠。（4）粗基準(zhǔn)一般只在頭道工序中使用一次，應(yīng)盡量避免重復(fù)使用。2.精基準(zhǔn)的選擇原則（1）基準(zhǔn)重合原則盡量選擇設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為定位基準(zhǔn)，這樣就沒有基準(zhǔn)不重合誤差。但有時(shí)處于加工工藝的合理性要求，需要選擇非設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為定位基準(zhǔn)。定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不重合時(shí)，將產(chǎn)生不重合定位誤差，需分析定位誤差，并根據(jù)尺寸鏈關(guān)系計(jì)算定位工藝尺寸，判斷工藝條件是否滿足工藝尺寸的精度要求。（2）基準(zhǔn)統(tǒng)一原則為了減少夾具類型和數(shù)量，或者為了進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，在零件的加工過程中，對(duì)于多個(gè)加工工序，選擇統(tǒng)一的定位基準(zhǔn)。（3）自為基準(zhǔn)原則某些精加工和光整加工工序要求加工余量小而均勻，應(yīng)選該加工表面本身為精基準(zhǔn)，該表面與其他表面之間的位置精度由先行工序保證。（4）互為基準(zhǔn)原則當(dāng)兩個(gè)表面相互位置精度及尺寸、形狀精度要求較高時(shí)，可采用相互作為基準(zhǔn)的方法，多次加工。根據(jù)以上所述的粗、精基準(zhǔn)的定位原則，對(duì)該搖臂零件進(jìn)行基準(zhǔn)定位分析，的軸孔是搖臂的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，也是測(cè)量和裝配基準(zhǔn)，精度較高。為了遵循“基準(zhǔn)重合”原則，先選擇軸孔和其一端面為精基準(zhǔn)，選擇一端面為加工的粗基準(zhǔn)進(jìn)行加工。4.4.2重要表面加工方法的確定1.加工方法的選擇原則（1）選擇加工方法時(shí)，應(yīng)考慮各種加工方法的經(jīng)濟(jì)加工精度，并與加工表面的技術(shù)精度要求和粗糙度相適應(yīng)。（2）選擇的加工方法能保證加工表面的幾何形狀精度、表面位置精度的要求。（3）選擇的加工方法應(yīng)該與材料的可加工性相適應(yīng)。例如，硬度高的材料應(yīng)該采用磨削的方法加工。（4）選擇的加工方法應(yīng)該與零件的生產(chǎn)類型相適應(yīng)，當(dāng)零件為大批量生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)采先進(jìn)的加工方法和高效的機(jī)床設(shè)備。（5）選擇的加工方法應(yīng)該與企業(yè)的現(xiàn)有設(shè)備條件與工作人員的技術(shù)水平相適應(yīng)。2.加工方法的確定根據(jù)搖臂的設(shè)計(jì)要求，包括重要表的粗糙度和尺寸公差，通過查閱精度等級(jí)表和加工方法與粗糙度之間的關(guān)系等相關(guān)資料以及上述的加工方法選擇原則，最終確定該搖臂零件重要表面的加工方法如下，見表4.1所示：表4.1搖臂各重要加工表面加工方法的確定加工表面尺寸精度等級(jí)粗糙度加工方法的軸孔IT71.6鉆→鏜軸孔的一端面IT133.2粗銑→精車軸孔的另一端面IT133.2粗車→精車螺紋孔H56.3鉆螺栓孔上端面IT136.3粗銑→精銑螺栓孔下端面IT136.3粗銑→精銑的油孔IT126.3鉆R30的圓弧面IT120.8粗磨→精磨→拋光4.4.3制定工藝路線機(jī)加工工藝順序安排原則（1）先基準(zhǔn)面再其它一般第一道工序是為后續(xù)工序做準(zhǔn)備的，所以前面兩道工序總是先加工精基準(zhǔn)面，后續(xù)工序再精基準(zhǔn)為參考進(jìn)行加工。（2）先主后次優(yōu)先加工主要表面（工作表面、裝配表面等），后加工次要表面（螺栓孔、鍵槽面等），但要將它們安排在最終加工之前。（3）先粗后精重要表面要分粗加工和精加工，按照先粗后精的順序進(jìn)行加工。（4）先面后孔主要指支架和箱體類零件的加工。這類零件上既有孔也有面，這是應(yīng)先將平面（通常是用來裝配用的）加工出來，然后再以平面作為基準(zhǔn)加工孔。而且，如果在毛坯面上直接打孔，也容易損傷刀具，所以還是要先加工平面。確定工藝路線根據(jù)上述重要表面加工方法的確定和工序安排原則，現(xiàn)確定該搖臂的加工路線如下所示：工序1鍛造成毛坯。工序2檢驗(yàn)毛坯是否合格。工序3粗銑軸孔一端面。工序4以上一工序銑出的平面為基準(zhǔn)，鉆軸孔，直徑mm。工序5倒角。工序6調(diào)質(zhì)處理。工序7鏜軸孔，直徑mm，Ra1.6。工序8粗車另一端面，厚度35.5±0.05mm，帶倒角。工序9以軸孔mm和螺栓孔上平面為基準(zhǔn)，粗銑螺栓孔下平面，使螺栓孔下平面與軸孔中心距離為mm。工序10以軸孔mm和螺栓孔下平面為基準(zhǔn)，粗銑螺栓孔上平面。工序11鉆mm油孔，孔徑mm。工序12去毛刺。工序13粗磨圓弧面，mm，Ra6.3。工序14圓弧面高頻淬火。工序15以軸孔mm為基準(zhǔn)精車一端面，厚度35±0.5mm，帶倒角。工序16以軸孔mm為基準(zhǔn)精車另一端面，厚度35mm，帶倒角。工序17去毛刺、吹風(fēng)、擦拭。工序18中間檢驗(yàn)。工序19精銑螺栓孔下平面、鉆深孔±0.2mm，帶倒角。工序20精銑螺栓孔上平面,厚度27.8±0.4mm；鉆攻螺紋，帶倒角。工序21精磨圓弧面，，Ra1.6。工序22拋光圓弧面，，Ra0.8。工序23整體去毛刺。工序24終檢。4.4.4刀具與量具的選用根據(jù)制定的工藝路線，選擇加工工藝裝備見下表4.2所示：表4.2各加工工藝裝備工序號(hào)加工設(shè)備加工刀具量具工序3立式銑床端銑刀游標(biāo)卡尺工序4立式鉆床錐柄麻花鉆塞規(guī)工序5立式鉆床錐面锪鉆無工序7雙面金剛鏜床精鏜器內(nèi)徑指示表、塞規(guī)工序8普通車床車刀卡規(guī)工序9立式銑床中齒立柄銑刀位置量規(guī)工序10立式銑床中齒立柄銑刀無工序11臺(tái)鉆直柄麻花鉆塞規(guī)工序12工作臺(tái)齊頭扁銼無工序13平面磨床平行砂輪形狀量規(guī)工序15普通車床車刀卡規(guī)工序16普通車床車刀卡規(guī)工序19加工中心硬質(zhì)合金立銑刀、直柄硬質(zhì)合金麻花鉆、直柄錐面锪鉆塞規(guī)續(xù)表4.2工序20加工中心硬質(zhì)合金立銑刀、直柄硬質(zhì)合金麻花鉆、直柄錐面锪鉆游標(biāo)卡尺、垂直度量規(guī)工序21平面磨床平行砂輪形狀量規(guī)工序22拋光機(jī)無形狀量規(guī)工序23工作臺(tái)齊頭扁銼無結(jié)論隨著計(jì)算機(jī)功能的快速發(fā)展以及現(xiàn)代科學(xué)理論的不斷完善，計(jì)算輔助技術(shù)得到了重大的突破與應(yīng)用，各種功能的CAD/CAE/CAM軟件被不斷開發(fā)出來，并深入地應(yīng)用于新產(chǎn)品的研發(fā)與設(shè)計(jì)之中。這種研發(fā)模式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，得到人們的一致認(rèn)可，幾乎完全顛覆了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程。本文主要是對(duì)某款發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門搖臂進(jìn)行再設(shè)計(jì)工作，呈現(xiàn)新產(chǎn)品的開發(fā)過程，一個(gè)從無到有、從毛坯到成品的全部大致流程?；贑ATIA的零件設(shè)計(jì)模塊和曲面設(shè)計(jì)模塊完成搖臂的實(shí)體模型創(chuàng)建；利用HyperWorks對(duì)搖臂進(jìn)行靜力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化；利用ANSYS-Workbench對(duì)搖臂進(jìn)行疲勞分析和有預(yù)應(yīng)力情況下的模態(tài)分析；最后再對(duì)完成設(shè)計(jì)的搖臂進(jìn)行工藝分析及設(shè)計(jì)。通過本文的研究，有如下結(jié)論：（1）CATIA是一款強(qiáng)大的數(shù)字一體化模型創(chuàng)建CAD軟件，混合建模技術(shù)讓模型的創(chuàng)建更加有效快捷。根據(jù)搖臂在其裝配中的尺寸關(guān)系，再設(shè)計(jì)了另外一種結(jié)構(gòu)的氣門搖臂。（2）氣門搖臂的實(shí)際運(yùn)作工況相對(duì)比較復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、整體剛度和較長(zhǎng)的疲勞壽命。按照傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)流程，將會(huì)導(dǎo)致成本高，開發(fā)周期長(zhǎng)等問題，所以利用有限元軟件對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化是很有必要的，而且效果也是相當(dāng)行之有效的。（3）使用ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果可以判斷該結(jié)構(gòu)是否有優(yōu)化的可能性，再利用HyperWorks對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化后的結(jié)果再次導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行進(jìn)一步的力學(xué)性能校核，形成一個(gè)充分利用軟件優(yōu)勢(shì)的、高效便捷的分析回路?？偠灾疚闹饕獌?nèi)容是圍繞計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)而展開的，使用有限元分析軟件對(duì)氣門搖臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、優(yōu)化及校驗(yàn)，順便帶了部分工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容，初步完成了一件產(chǎn)品的全部設(shè)計(jì)路線。作者希望通過這些內(nèi)容向讀者展示一件產(chǎn)品的開發(fā)從無到有的大致全部過程，希望對(duì)有限元分析應(yīng)用這塊有所幫助。由于作者的能力和時(shí)間有限，不足之處在所難免，懇請(qǐng)多多指教。參考文獻(xiàn)[1]劉靜．FEM分析在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門搖臂設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．金城集團(tuán)有限公司．設(shè)計(jì)與研究．2014(1):33-38.[2]范子杰，桂良進(jìn)，蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014,5（1）:1-16.[3]張洪武，關(guān)振群，李云鵬．有限元分析與CAE技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004．[4]李雙壽，陸勁昆，王春樂.氣門搖臂激光表面合金化工藝研究[J].金屬熱處理，2004(5):45-48.[5]YutakaOgawa，etc.CeramicRockerArmInsertforInternalCombustionEngines.SAE,860397:2.848～2.857.[6]陸克久.工程陶瓷材料在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用[J].世界汽車,1999(1):12～14.[7]全永新.工程摩擦學(xué)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1986.[8]柴之龍.CA488發(fā)動(dòng)機(jī)氣門搖臂體的國(guó)產(chǎn)化研究[J].汽車工藝與材料，1996(6):13-16.[9]姜晉慶,張鋒編.結(jié)構(gòu)彈塑性有限元分析法[M].北京:宇航出版社,1990.[10]譚繼錦.汽車有限元法[M].北京：人民交通出版社，2005.[11]A.Coulibaly,B.Mutel.CAD/CAMSystemsastheBasisofIntegrationFeatureBasedTechnologiesinMechanicalEngineering[J].InternationalJournalofModelingandSimulation,1998,18(1):26-35.[12]毛兆杰.搖臂深孔加工設(shè)備的設(shè)計(jì)研究[D].江蘇：南京理工大學(xué)，2004.[13]林家讓.汽車構(gòu)造（發(fā)動(dòng)機(jī)篇）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.[14]廖曉山.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)[M].吉林：吉林人民出版社，1981.[15]GelinkERM,SchipperDJ.CalculationofSteibeckcurvesforlinecontact[J].TribologyInternational,2002,(33):175-181.[16]陸爽，孫明禮.ANSYSWorkbench13.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012[17]謝貽權(quán)，何福寶.彈性和塑性力學(xué)中的有限單元法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.[18]于開平，周傳月.Hypermesh從入門到精通[M].北京：科學(xué)出版社，2005.[19]Workbench./doc/5508612-5744358.html[20]黃名鋒，江迎春.基于有限元法的汽車構(gòu)件疲勞壽命分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2008,2:57-60[21]疲勞極限./article/baike/1358390642300.html[22]浦廣益.ANSYSWorkbench基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解（第二版）[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2013[23]劉麗賢，馬國(guó)鷺.某型電視機(jī)殼體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析及改進(jìn)[J].噪聲與振動(dòng)控制，2009,29:140-143[24]生產(chǎn)類型./news/html/?478.html致謝彈指一揮間，為期兩個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，歷時(shí)四年的大學(xué)生活即將告一段落，心里還難免有點(diǎn)小舍不得。在這感慨之余，我要對(duì)大學(xué)四年來教育我的老師們，幫助過我的同學(xué)們表示謝意，是他們陪伴在我的整個(gè)大學(xué)生活之中，可謂是良師益友，在我需要幫助的時(shí)候他們總會(huì)幫我將面臨的問題各個(gè)擊破，和他們?cè)谝黄鸶杏X充實(shí)并快樂著。我還要特別感謝我的指導(dǎo)老師也是我大學(xué)的導(dǎo)師姚勝華老師，在他的悉心關(guān)切和督促下，使我順利完成了大學(xué)最后的重要環(huán)節(jié)，也為我的大學(xué)生活畫上了圓滿的句號(hào)。感謝提供參考文獻(xiàn)的作者們，沒有你們的貢獻(xiàn)，我也完成不了今天的畢業(yè)設(shè)計(jì)，在此聊表謝意。感謝社會(huì)上的好人們，由于你們的存在，使得世界更加充滿和諧充滿愛，讓我身處在一個(gè)安全、歡融的環(huán)境下生活學(xué)習(xí)。最后我還要感謝我的父母，他們給予了我生命，將我撫養(yǎng)成人，并讓我接受教育，這才有了我的今天，謝謝他們的付出。養(yǎng)育之恩，日后定當(dāng)回報(bào)。此時(shí)此刻，想著馬上就要從一個(gè)當(dāng)了16年的學(xué)生的身份轉(zhuǎn)變成一個(gè)自給自足社會(huì)中的一員，心中無比激動(dòng)。再次感謝你們，因?yàn)橛心?，才有現(xiàn)在的我，我也即將滿懷憧憬踏入全新的環(huán)境，去繼續(xù)我的人生旅程。目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第一章總論 1第一節(jié)項(xiàng)目名稱及承辦單位 1第二節(jié)研究工作的依據(jù)與范圍 2第三節(jié)簡(jiǎn)要研究結(jié)論 3第四節(jié)主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo) 5