基于ANSYS Workbench的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸有限元分析

白順平，楊 振，陳國(guó)磊

(1.新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100;2.長(zhǎng)城汽車有限公司，河北 保定 071000)

0 引言

曲軸通過(guò)將發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)矩并傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)的其他部件，為汽車的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，因此保證曲軸的正常工作對(duì)于保障發(fā)動(dòng)機(jī)工況正常具有重要意義。本文針對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸開展有限元分析，觀測(cè)其工作能否滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的正常使用要求[1]。

1 曲軸的建模

所研究對(duì)象為V12發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，其主要尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 曲軸的尺寸參數(shù) mm

通過(guò)SolidWorks軟件建立曲軸的三維模型，如圖1所示。

圖1 曲軸的三維模型

在建模過(guò)程中，對(duì)模型進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化，以保證有限元分析結(jié)果的正確，并減少計(jì)算時(shí)間，這些簡(jiǎn)化包括：

(1) 去除了有限元分析不需要的曲拐倒圓角結(jié)構(gòu)。

(2) 曲軸為鍛造曲軸，因此建模將其設(shè)計(jì)為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。

(3) 只對(duì)影響曲軸受力分析的主要部件進(jìn)行建模，省去了對(duì)曲軸力學(xué)性能影響不大的活塞連桿組等結(jié)構(gòu)。

2 曲軸的有限元分析

有限元法通過(guò)將連續(xù)介質(zhì)劃分為網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)，在單元節(jié)點(diǎn)之間作迭代分析進(jìn)而得到整體結(jié)構(gòu)的形變和應(yīng)力分布，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于線性結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能分析[2,3]。本文利用Workbench軟件對(duì)曲軸開展靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，以保證曲軸的正常工作。

本曲軸采用的材料為42CrMoH，其物理以及力學(xué)屬性為：密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=212 GPa，泊松比μ=0.28，屈服極限930 MPa。

2.1 曲軸有限元靜力學(xué)分析

2.1.1 網(wǎng)格劃分

利用自由劃分網(wǎng)格方法對(duì)曲軸模型劃分網(wǎng)格，得到的有限元模型如圖2所示，共得到159 588個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和96 439個(gè)網(wǎng)格單元。

圖2 曲軸的有限元網(wǎng)格模型

2.1.2 載荷施加

在曲軸進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析過(guò)程中，對(duì)曲軸左側(cè)斷面施加固定約束，然后施加載荷。已知曲軸在一個(gè)功沖程中最大扭矩為5 kN·mm，兩處主軸頸的受力各為5 kN，大小相等，方向相反，這些載荷來(lái)自于與軸徑連接的連桿。將軸徑受力簡(jiǎn)化為集中載荷施加在軸徑處，受力及約束情況如圖3所示。

圖3 曲軸的載荷施加

2.1.3 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)求解，得到曲軸的應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖，分別如圖4和圖5所示。

從圖4中可以看出，最大應(yīng)力值發(fā)生在主軸頸以及連桿軸頸的過(guò)渡圓角處，且其值為642.73 MPa；從圖5可知，曲軸的最大應(yīng)變約為0.003，分布位置在第一、第二曲柄處；曲軸其余部位的應(yīng)變量與應(yīng)力值均小于此處。根據(jù)已知的曲軸材料參數(shù)，應(yīng)力值小于其屈服極限930 MPa，表明曲軸結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，使用安全性較高，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 曲軸的應(yīng)力云圖

圖5 曲軸的應(yīng)變?cè)茍D

2.2 曲軸模態(tài)分析

曲軸在工作過(guò)程中高速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，約為40.81 Hz。當(dāng)轉(zhuǎn)速與曲軸的固有頻率相近時(shí)，結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生共振，產(chǎn)生疲勞破壞。因此為了保證曲軸的正常工作，對(duì)曲軸進(jìn)行模態(tài)分析，以保證曲軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

2.2.1 曲軸的自由模態(tài)分析

對(duì)曲軸在Modal模塊中進(jìn)行自由模態(tài)分析，得到曲軸的前10階模態(tài)振型，如圖6所示，對(duì)應(yīng)的固有頻率及最大變形見表2。

圖6 曲軸的自由模態(tài)前10階振型

表2 曲軸各階模態(tài)的固有頻率及最大變形

在自由約束條件下，曲軸前6階模態(tài)的固有頻率很小，幾乎可以忽略不計(jì)。但是第7階固有頻率與曲軸的工作頻率較為接近，因此存在一定共振危險(xiǎn)，所以需要進(jìn)一步開展約束工況下的曲軸模態(tài)分析。

2.2.2 曲軸的約束模態(tài)分析

對(duì)曲軸進(jìn)行附加約束條件下的模態(tài)分析，求得其前10階振型，如圖7所示，對(duì)應(yīng)的固有頻率及最大變形如表3所示。

圖7 曲軸的約束模態(tài)前10階振型

表3 曲軸約束模態(tài)的固有頻率及最大變形

通過(guò)對(duì)曲軸約束工況下的模態(tài)分析可知，曲軸的各階固有頻率均遠(yuǎn)離曲軸的工作頻率，因此以約束模態(tài)為準(zhǔn)，認(rèn)為曲軸在使用過(guò)程中不會(huì)因?yàn)楣ぷ鳡顩r產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間共振而發(fā)生破壞。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)曲軸開展靜力學(xué)分析和動(dòng)力力模態(tài)分析可知，曲軸的最大應(yīng)變?yōu)?.003，最大應(yīng)力值為642.73 MPa，滿足曲軸工作的靜強(qiáng)度要求。同時(shí)約束模態(tài)分析顯示，曲軸在正常工作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生共振破壞，因此認(rèn)為曲軸可以正常使用。