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基于ANSYS的柴油机曲轴有限元分析作者：陈涛来源：《科技资讯》2011年第28期摘要:本课题针对某四缸直列柴油机进行有限元静强度分析。
曲轴采用三维建模软件PRO/E对柴油机曲轴进行了符合实际情况的三维建模。
曲轴模型通过数据接口导入ANSYS,在ANSYS中对曲轴模型进行有限元网格划分。
对曲轴进行静强度分析,研究了单个曲拐的变形和应力状态,检验了曲轴在实际工况下的强度及安全系数。
为柴油机改进设计提供了有价值的理论依据。
关键词:曲轴有限元分析 ANSYS 静强度分析中图分类号:TK423.3 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)10(a)-0109-01曲轴是发动机中最重要的运动部件之一。
曲轴在工作中承受着汽缸内周期性变化的气体压力、往复运动质量及旋转质量惯性力引起的周期性变化的载荷,并对外输出扭矩,因此承受交变的拉伸、压缩、弯曲和扭转的复合应力。
随着柴油机的不断强化,曲轴的工作条件愈加苛刻,保证曲轴的工作可靠性至关重要,其设计是否可靠,对柴油机的使用寿命有很大影响,因此在研制过程中需给予高度重视。
由于曲轴的形状及其载荷比较复杂,对其采用经典力学的方法进行结构分析往往有局限性。
目前先进的方法是利用有限元进行分析预测,评价这些零部件的强度和刚度。
有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法,是分析各种结构问题的强有力的工具,使用有限元法可方便地进行分析并为设计提供理论依据。
1 曲轴实体模型建立及导入1.1 基于PRO/E的曲轴三维实体建模本文的曲轴模型是在PRO/E中建立的,曲轴的主体模型是根据曲轴的结构特点,可先建立一个单拐模型,再通过旋转、平移、合并而成;最后将主体模型与前、后端模型合并成曲轴的整体模型。
在对曲轴进行简化时,参考一些机械结构的计算经验,认为小圆角和细油孔对曲轴整体结构动特性影响很小,在建模时忽略圆角及直径较小的油道,协调好计算精度与计算工作量之间的矛盾。
文章编号：1006-1355（2010）06-0063-04四缸柴油机曲轴的自由模态分析周海超，左言言，鲍林晓（江苏大学振动噪声研究所，江苏镇江212013）摘要：利用CATIA软件建立四缸柴油机曲轴的三维模型，然后再用ANSYS软件对曲轴进行自由模态分析，得出前8阶固有频率和振型。
通过试验手段对实体曲轴的自由模态进行测量得出曲轴的固有频率。
最终将有限元分析结果和试验结果对比表明，两者所得固有频率吻合性较好，有限元分析计算结果是可信的，为曲轴的强迫振动分析和结构优化设计奠定基础。
关键词：振动与波；柴油机；曲轴；有限元法；模态分析中图分类号：TK42；O241.82文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1355.2010.06.015 Free-Vibration Modal Analysis of a Crankshaft of4-CylinderDiesel EngineZHOU Hai-chao,ZUO Yan-yan，BAO Lin-xiao(Institute of Noise and Vibration,Jiangsu University,Zhenjiang Jiangsu212013,China)Abstract:The3D model of a crankshaft of four-cylinder diesel engine is established with CATIA software.Then a free-vibration modal analysis of the crankshaft is carried out with ANSYS code,and the inherent frequencies and the vibration modes of the first8orders are obtained.The free-vibration modes of the crankshaft are verified by testing.Mutual comparison shows that the results of FEA estimation are in good agreement with those of testing.Thus,the result of FEA is creditable.This work can be considered as a preliminary work of forced vibration analysis and structure optimization for crankshafts.Keywords:vibration and wave;Diesel engine;crankshaft;finite element method;modal analysis曲轴是内燃机的主要零件之一，曲轴的破坏事故可能引起内燃机其它零件的严重损坏。
直列四缸发动机曲轴a n s y s分析本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March有限元分析课程报告直列四缸发动机曲轴有限元分析姓名：学号：分数：年月日目录1.引言 .......................................................................................................错误!未定义书签。
2.曲轴有限元模型的建立........................................................................错误!未定义书签。
3.曲轴网格划分 .......................................................................................错误!未定义书签。
确定物理场和网格划分法.............................................................错误!未定义书签。
确定全局网格参数设置.................................................................错误!未定义书签。
确定局部网格参数设置.................................................................错误!未定义书签。
网格质量检查 ................................................................................错误!未定义书签。
调整网格划分 ................................................................................错误!未定义书签。
课名：CADCAM工程设计技术
题目：CAD/CAM小组的设计总结报告组号：第八组
组员：董鹏程、张永进、陈彩云
院系：机械与车辆学院
专业：机械工程
四缸发动机建模与仿真
一、四缸发动机具体参数
四缸发动机，又可称为四缸引擎，是一种能够把一种形式的能转化为另一种更有用的能的机器。
通常是把化学能转化为机械能。
有时发动机既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器，比如汽油发动机，航空发动机。
动机总的主要部分就是气缸，这里就是整个汽车的动力源泉。
设计使用软件：PTC Creo4.0
整体效果图：
二、发动机零件
1.曲轴：1件
2.连杆：4件
3.活塞：4件
4.凸轮轴：1件
5.气阀：8件
6.飞轮：1件
7.导轮：1件
8.张紧轮：1件
9.偏心轴：1件
10.发动机缸体：1件
11.油盘：1件
12.阀门盖：1件
13.零件1
14.火花塞：4件
15.皮带：1件
三、发动机运动学仿真
1.滑块连接：活塞、气阀
2.销连接：曲柄、凸轮轴、导轮
3.两个圆柱连接：连杆
4.凸轮机构：凸轮轴+气阀
5.皮带机构：曲柄+导轮+凸轮轴+张紧轮
6.电动机：曲柄
四、分工列表
1.设计建模阶段
董鹏程：发动机缸体，油盘
张永进：曲柄，连杆，阀门盖，PRT0006，PRT0001
陈彩云：活塞，气阀，凸轮轴，飞轮，张紧轮，偏心轴2.装配阶段
董鹏程、张永进
3.运动学仿真阶段
董鹏程、张永进
4.相关材料整理
张永进、陈彩云。
基于ANSYS Workbench的某活塞发动机曲轴有限元模态分析作者：付贵，郭湘川来源：《科技创新与应用》2018年第06期摘要：曲轴是活塞发动机非常关键的部分，曲轴的振动特性对发动机有很大的影响。
本文以某型发动机曲轴为研究对象，利用Solidworks软件进行活塞发动机曲轴的三维建模，然后再导入ANSYS Workbench有限元软件进行模态分析，得出曲轴的固有频率和振型，为曲轴的设计与优化提供了理论依据。
关键词：有限元；ANSYS Workbench；曲轴；模态分析中图分类号：TB123 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）06-0020-02Abstract： Crankshaft is a very important part of a piston engine. The vibration characteristic of crankshaft has a great influence on the engine. Taking the crankshaft of a certain engine as the research subject， the 3D modeling of the crankshaft of the piston engine is carried out by using SolidWorks software. Then the modal analysis is carried out by introducing the ANSYS Workbench finite element software to obtain the natural frequency and mode shape of the crankshaft， which provides the theoretical basis for the design and optimization of the crankshaft.Keywords： finite element； ANSYS Workbench； crankshaft； modal analysis引言曲轴是活塞发动机中非常关键的组成部分。
基于ANSYS Workbench的某活塞发动机曲轴有限元模态分析曲轴是活塞发动机非常关键的部分，曲轴的振动特性对发动机有很大的影响。
本文以某型发动机曲轴为研究对象，利用Solidworks软件进行活塞发动机曲轴的三维建模，然后再导入ANSYS Workbench有限元软件进行模态分析，得出曲轴的固有频率和振型，为曲轴的设计与优化提供了理论依据。
标签：有限元；ANSYS Workbench；曲轴；模态分析Abstract：Crankshaft is a very important part of a piston engine. The vibration characteristic of crankshaft has a great influence on the engine. Taking the crankshaft of a certain engine as the research subject，the 3D modeling of the crankshaft of the piston engine is carried out by using SolidWorks software. Then the modal analysis is carried out by introducing the ANSYS Workbench finite element software to obtain the natural frequency and mode shape of the crankshaft，which provides the theoretical basis for the design and optimization of the crankshaft.Keywords：finite element；ANSYS Workbench；crankshaft；modal analysis引言曲轴是活塞发动机中非常关键的组成部分。
基于ANSYS的汽车发动机曲轴性能分析发表时间：2019-05-09T16:23:53.313Z 来源：《科技新时代》2019年3期作者：王鹏飞，王新凯[导读] 曲轴是汽车发动机中最重要、承受载荷最大的零件之一。
曲轴的强度和刚度对发动机的性能有着重要的影响。
（山东科技大学交通学院山东青岛 266590）摘要：曲轴是汽车发动机中最重要、承受载荷最大的零件之一。
曲轴的强度和刚度对发动机的性能有着重要的影响。
利用SolidWorks 建立了一个发动机的四缸曲轴模型，并将曲轴模型保存为（.xt）格式导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中，最后对曲轴模型进行了静力学和模态的分析。
通过ANSYS研究曲轴的应力和应变，了解其固有频率，对于设计和优化曲轴的结构有重要意义。
关键词：发动机曲轴；ANSYS；有限元；静力学分析；模态分析引言曲轴是发动机中最重要的部件。
它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。
曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。
因此要求曲轴有足够的强度和刚度，轴颈表面需耐磨、工作均匀、平衡性好。
1 曲轴模型的建立利用SolidWorks软件对曲轴进行了建模，对一些的结构做了相应的简化。
所建立的曲轴模型为四缸发动机的整体式曲轴，共有有5个主轴颈，4个连杆轴颈及相关的曲柄和平衡重。
主轴颈直径为60mm，长为60mm；连杆轴径直径为60mm，长为20mm。
代入相应的参数后进行计算，可得到发动机曲轴在爆发压力下受到的最大轴向力约为54500N。
根据在有限宽度的轴颈内应力的分布规律并忽略部分压力的突变，采用以沿轴线均匀分布，沿圆周方向120°范围内呈余弦分布的载荷边界条件。
图4 等效应力图由总的应变图知曲轴的最大应变量8.8694×〖10〗^(-6)m,发生在曲轴连杆中心。
在z轴方向上最大应变量发生在曲轴连杆轴径与曲柄相连处及曲轴的配重处，y轴上最大应变量发生在曲轴连杆轴径与曲柄相连处。
本文的研究对象为四缸发动机中的缸体，利用软件Mechanical APDL（ANSYS 14.0）对缸体的结构进行有限元分析，对缸体分别进行了静态力学分析，模态分析，瞬态热力学分析。
为机架的结构优化设计提供理论依据。
主要内容包括：用Pro/e打开四缸发动机的装配图和缸体零件图，如下图1-1，1-2所示。
图1-1 四缸发动机装配图图1-2 缸体的零件图将proe里面的文件格式保存为igs实体格式。
并导入ANSYS中。
拾取菜单Utility Meun -- file -- import -- IGES。
弹出如图1-3对话框。
单击ok，选择导入的路径如下图1-4，选择好文件以后开始导入。
图1-3 导入图形对话框图1-4 选择所要导入的文件定义单元类型：拾取菜单栏Main Menu -- Preprocessor -- Element Type -- Add/Edit/Delete。
如图1-5所示，单机Add按钮，在弹出的对话框，选择单元类型。
在左侧列表中选Solid，在右侧列表中选20 node 186。
命令：ET，1，Solid186图1-5 定义单元类型定义材料属性：拾取菜单Main Menu -- Preprocessor -- Material Props -- Material Models 如图1-6所示，在右侧列表中依次拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，在弹出的对话框中，在“EX”文本中输入2e11（弹性模量），在“PRXY”文本框中输入0.3（泊松比），单击ok按钮。
再拾取右侧列表中“Structural”下“Density”，在弹出的对话框中，在“DENS”文本框中输入7800（密度），单机ok按钮。
命令：MP，EX，1，2e11MP，PRXY，1，0.3MP，DENS，1，7800图1-6 定义材料属性网格划分：拾取菜单Main Menu -- Preprocessor -- Meshing -- MeshTool。
目录1.绪论 (2)1.1研究背景 (2)1.2研究内容 (2)1.3所用软件的介绍 (2)2曲轴的CATIA三维建模 (3)2.1.创建第一平衡重 (3)2.2创建第一曲拐及第二平衡重 ..................... 错误!未定义书签。
2.3创建第二轴颈及第三平衡重 (6)2.4创建第二曲拐及第四平衡重 (8)2.5通过镜像创建四缸发动机的全部曲拐及平衡重 (10)2.6创建曲轴前端特征 (11)2.7创建曲轴后端特征 (19)2.8 完成曲轴的完整模型，并保存 (22)3.曲轴的ANSYS有限元分析 (23)3.1CATIA文件导入ANSYS并显示实体 (23)3.2网格划分及添加约束 (23)3.3进行模态分析前处理 (24)3.4开始进行模态分析 (25)3.5进行扩展模态分析 (26)3.6结果分析 (35)4.结论 (35)参考文献.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．361.绪论1.1研究背景1.2研究内容某曲轴的有限元分析或模态分析，用catia软件进行三维实体建模，然后生成的实体导入有限元分析软件Ansys中进行曲轴的强度分析和模态分析。
1.3所用软件的介绍(1)CATIA软件：CATIA是法国达索飞机公司开发的高档CAD/CAM软件。
目前在中国由IBM公司代理销售。
CATIA软件以其强大的曲面设计功能而在飞机、汽车、轮船等设计领域享有很高的声誉。
CATIA的曲面造型功能体现在它提供了极丰富的造型工具来支持用户的造型需求。
比如其特有的高次Bezier曲线曲面功能，次数能达到15，能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求。
而我们现在所用到的CATIA的功能是三维实体建模！(2)Ansys软件：ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I －DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。
软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
2曲轴的CATIA三维建模打开CATIA软件，新建一零件图，即“part”模式。
进行零件建模程序。
2.1 创建第1平衡重（1）选取XY平面为草图参考平面，然后单击工具栏中的“草图”图标，进入草图绘制模式。
（2）用工具栏上的“圆”命令，以原点为圆心，绘制直径为“42”的圆。
图 2-1（3）退出“草图”将该面拉伸成厚为“21”柱体。
单击生成的柱体的一圆截面，进入“草图”模式，绘制平衡重的草图形状。
图2-2（4）退出草图，完成对新建明面形状的拉伸。
生成平衡重的三维模型。
厚度为19图2-32.2创建第一曲拐及第二平衡重（1）单击新生成的实体的另一表面，并进入“草图”模式，绘制曲拐的草图。
图2-4（2）退出“草图”编辑，拉伸曲拐实体。
图2-5（3）单击曲拐的另一端面，进入“草图”编辑。
绘制第二平衡重。
图2-6（4）退出草图，用“凸台”命令拉伸生成实体。
厚为19图2-72.3创建第二轴颈及第三平衡重（1）单击新实体的另一端面，进入“草图”命令。
绘制第二段轴颈。
图2-8（2）退出草图，拉伸实体。
厚为21图2-9（3）单击新生成轴颈的另一端面，进入草图编辑。
绘制新的实体的草图。
图2-10（4）退出草图，拉伸生成新实体。
图2-112.4创建第二曲拐及第四平衡重（1）单击第三平衡重的另一端面，进入草图绘制。
绘制第二曲拐的草图后，退出草图，进行拉伸，生成曲拐实体后，单击其另一端面进入草图绘制，绘制第四平衡重的草图，然后，退出，拉伸出实体。
图2-12 图2-132.5通过镜像创建四缸发动机曲轴的全部曲拐，平衡重（1）对以上步骤所生成的实体进行镜像，镜像的对称面选为第一轴颈的第一端面。
图2-14图2-152.6创建曲轴前端特征（1）单击新生成的完整曲轴的一端，继续创建轴颈。
在轴颈的另一端面后，创建新的实体。
图2-16图2-17（2）对新生成的实体进行细节处理。
选择YZ平面，进入草图绘制，利用“投影三维元素”，“弧”，“直线”等命令绘制草图。
图2-18（3）退出草图模式，利用工具栏上的“旋转槽”命令，选择合适的修剪方向，生成所要的实体。
图2-19（4）选择YZ平面，进入草图绘制模式，利用“投影三维元素”，“直线”命令，绘制螺纹的草图图2-20（5）退出草图，利用“旋转槽”命令，选择合适的方向，完成螺纹的创建。
图2-21（6）在新生成的实体的表面进行掏阶梯孔的操作。
图2-22图2-23图2-24 图2-25（7）在端面上创建圆周排列的六个小孔，相间角度为60°。
先由端面绘制草图。
后退出草图，完成一个小孔的实体化。
用“凹槽”命令。
图2-26图2-27（8）用“圆形阵列”命令，将小孔阵列为六个。
图2-28图2-292.7创建曲轴后端特征（1）在曲轴的后端端面，进入“绘制草图”绘制轴颈的草图，后拉伸为实体。
图2-30（2）在曲轴后端，创建带有键槽的一小段轴。
图2-31图2-32 （3）利用“平面”命令，创建新的平面。
图2-33（4）在新的平面上绘制草图图2-34（5）退出草图，用“凹槽”命令，选择正确的方向，生成实体凹槽。
图2-35（6）在最后的端面，生成一孔。
绘制草图，并由“凹槽”命令生成实体。
图2-36图2-372.8完成曲轴的完整模型，并保存。
图2-383曲轴的ANSYS有限元分析3.1 CATIA文件导入ANSYS并显示实体（1）将CATIA文件保存为“model”格式。
（2）由于版本之间的差异，在运行ANSYS之前，须将系统的时间改为2010年。
点击File>>Import>>CATIA,选择保存的“model”文件，打开。
（3）依次选择PlotCtrls>>Style>>SolidModelFacets>>Fine（4）依次选择Plot>>Volumes，生成实体。
图3-13.2 网格划分及添加约束（1）定义材料的属性。
定义网格类型为Solid Tetnode187（2）定义弹性模量 E=2.06e11 ，泊松比µ=0.3，密度ρ=7.9e3。
（3）选择自由网格划分，网格间距为“smartsize,10.”对实体进行网格划分。
（4）选择曲轴的两端轴面，加载全约束。
3.3 进行模态分析前处理（1）模态分析前处理。
Solution>>Analysis Type>>New Analysis>>Model图3-2（2）在Analysis Option 中，选择算法，选择“Block Lanzcons”,选择10阶矩阵运算。
图3-3（3）在算法选项中选择截止频率为“100000”图3-43.4 开始进行模态分析（1）依次选择“Solution>>solve>>Current LS。
跳过步骤中警告，观察运行代码，并等待运算结束。
图3-5（2）待出现“Solution done”提示，点击“Close”。
依次点击“General Postproc>>Results Summary”出现计算的结果，即曲轴的固有频率。
图3-63,5 进行扩展模态分析（1）依次选择“Solution>>Load step opts>>ExpansionPass>>Single Expand>>Expand Model”进行设置。
图3-7（2）选择每步操作都进行到每个子空间（Substep）图3-8图3-9 （3）再次进行运算，步骤同第一次运算。
图3-10图3-11（4）查看各种振型，依次选择“General Postproc>>Read Result>>First Set”>>Plot Result>>Contour Plot>>Nodal Solu。
十种振型列在下面，每查看一种振型，要选择“Next Set”图3-12图3-13图3-14 图3-15图3-16 图3-17图3-18 图3-19图3-20 图3-21图3-22 图3-233.6 结果分析由各振型图，可知，最大的形变为0.292e-4，各频率见列表。
图3-244结论（1）基于CATIA 进行三维建模，相比较在ANSYS 中建立三维模型而言，可以大大缩短建模时间，提高工作效率。
（2）在ANSYS 中进行模态分析，可以比较详细地了解系统固有频率，对生产设计时考虑系统的频率有一定的参考意义。
参考文献【1】刘相新孟宪颐《ANSYS基础与应用教程》科学出版社【2】王霄刘会霞《CATIA V5R17高级设计实例教程》冶金工业出版社。
