基于ANSYS Workbench下曲軸的模態(tài)分析

胡斌，疏劍，賈會(huì)星，龔厚仙

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

引言

在現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中,曲軸是最重要轉(zhuǎn)動(dòng)部件之一。它不僅連接連桿等部件，也承受著復(fù)雜，交變的沖擊載荷?，F(xiàn)代汽車的快速發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和控制噪聲要求越來越高[1]。通過經(jīng)典的力學(xué)設(shè)計(jì)方法，很難適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的性能要求。本文對(duì)某款四缸發(fā)動(dòng)機(jī)中曲軸進(jìn)行建模，再利用ANSYS WorkBench軟件對(duì)曲軸進(jìn)行模態(tài)分析。以下為曲軸的參數(shù)：

表1 曲軸的參數(shù)指標(biāo)（mm）

一、曲軸的模態(tài)分析

（一）三維模型的建立與簡(jiǎn)化

利用UG軟件高效的建模，對(duì)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸進(jìn)行三維造型。完成曲軸的實(shí)體造型之后，通過ANSYS Workbench與三維軟件的接口，輸出STP實(shí)體文件的格式，導(dǎo)入到ANSYS Workbench下。

曲軸的結(jié)構(gòu)相對(duì)來說比較復(fù)雜，存在很多工藝孔，工藝角，安裝定位孔和油道。如果在進(jìn)行有限元模型建立的時(shí)候，考慮這些細(xì)微之處，則會(huì)使得有限元模型的網(wǎng)格非常的粗糙，導(dǎo)致計(jì)算精度的降低。在這里對(duì)曲軸進(jìn)行合理的幾何處理是完全有必要的。所以對(duì)曲軸中的工藝孔，工藝角及油道，進(jìn)行幾何清理。利用UG軟件的同步建模命令中刪除面命令對(duì)曲軸的實(shí)體模型進(jìn)行幾何清理。如圖所示1曲軸簡(jiǎn)化后的三維模型[2]。

圖1 曲軸簡(jiǎn)化后三維模型

（二）曲軸網(wǎng)格的處理

在UG軟件當(dāng)中進(jìn)行了特征清理之后，導(dǎo)出曲軸格式為STP203的格式。利用ANSYS Workbench中提供的幾何接口，導(dǎo)入U(xiǎn)G輸出的STP格式下的曲軸。

綜合考慮在有限元軟件中，六面體網(wǎng)格的質(zhì)量，計(jì)算精度和計(jì)算結(jié)果的正確性是遠(yuǎn)大于四面體網(wǎng)格。所以在ANSYS Workbench，采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行研究。如圖2所示曲軸的有限元模型。

圖2 曲軸的有限元模型

（三）工況的設(shè)置

理論和實(shí)踐的證明：阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率和振型影響不大，所以在求解結(jié)構(gòu)固有頻率和振型時(shí)，可以不計(jì)阻尼的影響。模態(tài)分析研究的是結(jié)構(gòu)固有屬性，跟有無外載荷，沒有關(guān)系[3]。結(jié)構(gòu)無阻尼自由振動(dòng)方程：

［K］—結(jié)構(gòu)剛度矩陣：

[U]—結(jié)點(diǎn)加速度矢量：

[U]—結(jié)點(diǎn)位移矢量；

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)無阻尼自由振動(dòng)方程，通過手工算得到剛度與質(zhì)量矩陣，然后進(jìn)行計(jì)算得到特征值與特征向量。而特征值與特征向量就是所對(duì)應(yīng)的固有頻率和振型變化，但是手工計(jì)算量大，時(shí)間長(zhǎng)，容易出錯(cuò)等問題，所以本文中采用ANSYS Workbench軟件對(duì)曲軸進(jìn)行模型分析。結(jié)構(gòu)無阻尼自由振動(dòng)方程可在ANSYS Workbench中只需在曲軸兩端加約束，約束X，Y，Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)。如圖3所示ANSYS Workbench中加載。

圖3 曲軸工況設(shè)置模型

（四）求解

定義該曲軸的材料為40Cr，彈性模量為 。泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。選擇的方法根據(jù)ANSYS Workbench有限元軟件進(jìn)行求解時(shí)，該軟件會(huì)選擇默認(rèn)的求解器，我們可以對(duì)該默認(rèn)求解器進(jìn)行設(shè)置，一般設(shè)置為第一種求解器方式進(jìn)行求解，即Block Lanczos求解方法[4]。

（五）結(jié)果觀察

在ANSYS Workbench求解完成后，進(jìn)入后處理模塊，觀察模態(tài)分析的曲軸各階模態(tài)的固有頻率和振型的情況，該曲軸前三階固有頻率和振型如圖4所示。

圖4 曲軸前三階振型圖

二、結(jié)論

1）根據(jù)有限元軟件ANSYS Workbench軟件得出的前三階曲軸的固有頻率和振型。從振型圖看出，曲軸的共振之后出現(xiàn)的最大變形在靠近前段軸的曲柄和平衡重。

2）得到曲軸的前三階固有頻率，可以為曲軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)和諧響應(yīng)分析提供理論依據(jù)。