基于ANSYS的柴油機曲軸有限元分析

摘 要:本課題針對某四缸直列柴油機進行有限元靜強度分析。曲軸采用三維建模軟件PRO/E對柴油機曲軸進行了符合實際情況的三維建模。曲軸模型通過數(shù)據(jù)接口導入ANSYS，在ANSYS中對曲軸模型進行有限元網(wǎng)格劃分。對曲軸進行靜強度分析，研究了單個曲拐的變形和應力狀態(tài)，檢驗了曲軸在實際工況下的強度及安全系數(shù)。為柴油機改進設計提供了有價值的理論依據(jù)。

關鍵詞:曲軸 有限元分析 ANSYS 靜強度分析

中圖分類號:TK423.3\t\t文獻標識碼:A\t\t\t文章編號:1672-3791(2011)10(a)-0109-01

曲軸是發(fā)動機中最重要的運動部件之一。曲軸在工作中承受著汽缸內周期性變化的氣體壓力、往復運動質量及旋轉質量慣性力引起的周期性變化的載荷，并對外輸出扭矩，因此承受交變的拉伸、壓縮、彎曲和扭轉的復合應力。

隨著柴油機的不斷強化，曲軸的工作條件愈加苛刻，保證曲軸的工作可靠性至關重要，其設計是否可靠，對柴油機的使用壽命有很大影響，因此在研制過程中需給予高度重視。由于曲軸的形狀及其載荷比較復雜，對其采用經(jīng)典力學的方法進行結構分析往往有局限性。

目前先進的方法是利用有限元進行分析預測，評價這些零部件的強度和剛度。有限元法是根據(jù)變分原理求解數(shù)學物理問題的一種數(shù)值計算方法，是分析各種結構問題的強有力的工具，使用有限元法可方便地進行分析并為設計提供理論依據(jù)。

1 曲軸實體模型建立及導入

1.1 基于PRO/E的曲軸三維實體建模

本文的曲軸模型是在PRO/E中建立的，曲軸的主體模型是根據(jù)曲軸的結構特點，可先建立一個單拐模型，再通過旋轉、平移、合并而成;最后將主體模型與前、后端模型合并成曲軸的整體模型。

在對曲軸進行簡化時，參考一些機械結構的計算經(jīng)驗，認為小圓角和細油孔對曲軸整體結構動特性影響很小，在建模時忽略圓角及直徑較小的油道，協(xié)調好計算精度與計算工作量之間的矛盾。

1.2 模型導入ANSYS

曲軸的作用載荷和計算工況是相當復雜的，同時承受氣缸內的氣體壓力、往復和旋轉質量慣性力的作用。作用于曲軸上的載荷主要是通過連桿傳到曲軸上的氣體壓力，活塞連桿組，往復慣性力，連桿軸頸和曲柄旋轉慣性力等。準確確定載荷邊界條件比較困難。因此在很多情況下，對邊界條件的處理都進行簡化假設:(1)假設各力為集中力;(2)不考慮各軸頸扭矩及彎矩的作用;(3)各力均作用在曲拐平面內。

該柴油機曲軸鋼架有限元模型如圖1所示，活塞做功順序為1-2-4-3。

考慮到1缸和4缸，2缸和3缸做功時曲軸的受力基本上是關于主軸頸中部截面左右對稱的，故只需考慮1缸和3缸兩種載荷狀況即可。當柴油機曲軸轉過180°時的1缸和2缸，曲軸轉過540°時的4缸和3缸，可以近似看做關于不同位置的重復做功。所以這里對曲軸模型取第1缸單曲拐模型進行計算分析。

將模型導入ANSYS，網(wǎng)格劃分共有節(jié)點數(shù)17176，有限元單元數(shù)10437。

2 加載約束載荷及邊界條件處理

對有限元模型的加載有兩層含義:一是加約束;二是加載荷。根據(jù)受力分析，對已經(jīng)劃分完網(wǎng)格的數(shù)據(jù)模型進行簡化，模擬真實情況下實體所受到的約束與載荷。ANSYS中大多數(shù)載荷既可施加于實體模型上也可以施加于有限元模型上。但ANSYS的求解期望所有載荷應該依據(jù)有限元模型，因此，如果將載荷施加于實體模型，在開始求解時，ANSYS會自動將這些載荷轉換到節(jié)點和單元上。

由于曲軸主要是因彎曲而破壞的，所以不考慮扭轉應力。因此為簡便起見，可以假設對于發(fā)火的氣缸，當活塞處于上止點位置時、連桿軸頸載荷達到最大值;所以在此只考慮1缸發(fā)火狀況下活塞處于壓縮行程終了，在上止點位置時的受力狀況。

為了限制曲軸沿軸向的剛體位移，在曲軸單拐模型兩端軸心處施加軸向X、Y、Z方向位移約束。對曲軸軸頸上表面施加徑向載荷。

3 有限元分析

3.1 外載荷形變位移

對有限元模型分析因外載荷發(fā)生的位移載荷形變，查看曲軸單拐模型X、Y、Z位移。(1)X方向最大位移發(fā)生在曲拐軸頸上部，其最大值為0.0859mm;(2)Y方向最大位移發(fā)生在曲拐軸頸頂部，其最大值為0.2883mm;(3)Z方向最大位移發(fā)生在曲拐軸頸兩側的軸間部位，其最大值為0.0864mm。

3.2 據(jù)分析

曲軸單拐的X、Y、Z方向應力云圖說明曲軸在實際工況中受到活塞的壓力，對其產(chǎn)生局部細微的形變。

綜合分析，曲拐最大位移發(fā)生在Y方向最大位移發(fā)生在曲拐軸頸頂部，其值為0.2883mm，占主軸頸直徑80mm的比例為0.108%，其形變量在允許范圍內。

查看應力分析圖表示曲軸等效應力較大值發(fā)生在主軸頸與曲柄相連的過渡圓角處及連桿軸頸與曲柄相連的過渡圓角下部，最大值發(fā)生在短端主軸頸和曲柄臂之間的過渡圓角處，其數(shù)值為91.3Mpa。

根據(jù)《柴油機設計》中疲勞安全系數(shù)計算公式，求得曲軸的疲勞安全系數(shù)為1.38。使用40Cr制造的柴油機曲軸疲勞安全系數(shù)許用值為1.3～1.5之間，因此認為該曲軸強度能達到要求。

4 結語

通過對曲軸工況條件下的有限元分析，分析了曲軸單拐模型因受外載荷作用發(fā)生的位移形變，查看曲軸單拐模型X、Y、Z位移云圖，對曲軸的最大位移進行討論，驗證曲軸受外載荷作用發(fā)生的位移形變的幅度在允許范圍之內。根據(jù)第四強度理論應力云圖表明曲軸在工作中的最大等效應力未超過其許用應力，檢驗了曲軸在實際工況下的強度及安全系數(shù)。這在一定程度上說明曲軸在工作中是安全的。

參考文獻

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①作者簡介:陳濤(1988-)，男，漢族，學士，北方工業(yè)大學機電工程學院，研究方向為機械設計、CAD/CAM等。