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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。
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。
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。
基于ANSYS的WD615发动机曲轴的应力分析及可靠性分析摘要：曲轴作为发动机最重要的部件，其静刚度的好坏直接影响发动机的工作性能及使用寿命。
目前我国对发动机曲轴的静态特性的要求日渐苛刻，曲轴的疲劳失效将使发动机运转发生故障。
本文运用Ansys有限元分析软件对WD615发动机曲轴进行应力分析，主要分析其在承受最大外力载荷时所发生的应力集中和变形情况，为提高发动机的可靠性和使用寿命提供理论依据，具有实际应用价值。
关键词：曲轴；应力分析；有限元法引言曲轴为发动机的重要部件之一，在发动机的设计以及改进的过程中占有很重要的地位，它是发动机的主要旋转部件。
WD615发动机曲轴结构比较复杂，工作过程中曲轴内部会产生弯曲应力以及扭转应力，应力集中达到一定程度的时候，曲轴会产生失效或者断裂。
本文对WD615发动机曲轴进行应力分析，求解WD615发动机曲轴部件的局部应力和曲轴整体的应力分布以及曲轴在工作状态中的变形量。
1.WD615发动机曲轴的工作状态分析发动机工作过程中，气缸内气体燃烧产生气体爆发力并作用到活塞上，再通过连杆作用到曲轴上，曲轴在工作的过程中内部会产生弯曲应力和扭转应力，如果应力超过发动机曲轴能够承受的极限载荷，曲轴就会产生失效或者断裂现象。
曲轴刚度也很重要，刚度不足将会加剧曲轴的纵向振动和扭振振动，使与曲轴相连的柴油机零部件的工作条件出现恶化，增大柴油机的噪声。
2.WD615发动机曲轴的静态应力分析本文对发动机曲轴的静态应力分析是基于Ansys的有限元结构分析，用Solidworks软件建立曲轴的三维模型，将其导入到Ansys软件建立了WD615曲轴的有限元模型，然后定义分析类型和材料的力学性能，并且还要施加力载荷以及约束边界条件，最后得出应力分析的结果。
2.1 WD615发动机曲轴有限元模型的前处理WD615发动机曲轴为整体锻造模锻件，材料采用优质45 钢。
燃烧最高压力达3000～6000kPa。
9内燃机中连接曲轴和活塞的连杆模态分析9.1 实践任务和目的车用内燃机中连接曲轴和活塞的连杆在发动机工作时，往复摆动的频率范围33.3～100r/s ，如果连杆的固有频率在此范围内会出现共振使得连杆断裂造成事故，连杆的尺寸如图9.1所示，质量密度为7800kg/m 3，泊松比为0.3，弹性模量为210GPa ，试对该连杆进行模态分析，并确定其各阶固有频率。
9.2实验环境Ansys14.0及其以上版本软件，win7以上版本操作系统9.3实践准备1）连杆建模在三维设计软件（本书选择的软件为Creo3.0）中根据图9.1所示的连杆尺寸建立三维模型，然后在对称面将连杆分为上下对称的两个部分，删除下面部分保留上面部分，然后将文件另存为igs 格式文件，并将文件命名为rod.igs ，本书将该文件保存在光盘目录test9下面，建立的三维模型如图9.2所示。
图9.1连杆尺寸图9.2连杆对称上部三维模型2）本实验单位量纲确定本实验采用的单位为Kg-mm-s，相应量纲单位换算如下：E=210GPa=210×109N/m2=210×109(kg.m/s2)/m2=2.1×1011(kg /(s2m))=2.1×1011(kg /(s2×103×mm))=2.1×108(kg /(s2mm))；ρ=7800kg/m3=7.8×103kg/(109mm3)=7.8×10-6kg/mm3；9.4实验内容和步骤Step1 改变工作名和工作路径①拾取菜单Utility Menu→File→Change Johname，弹出“Change Jobname”对话框，在“[/FILNAME]”文本框中输入rod，单击“OK”按钮完成工作名设定。
②拾取菜单Utility Menu→File→Change Directory，弹出“浏览文件夹”对话框，在对话框中选中预先建立的工作目录文件“test9”，单击“确定”按钮完成工作路径设置。
基于ANSYS软件的柴油机曲轴有限元分析
作者：CAD世界网文章来源：CAD世界网点击数：690 更新时间：2007-8-6
1 引言
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。
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。
6105高速柴油机曲轴为全支承式，总长929mm，连杆颈直径为63mm，主轴颈直径为70mm，分别在第1、第3、第4、第6连杆轴颈上设有非轴线对称平衡块。
本文采用ANSYS有限元软件，在静应力计算部分采用整体曲轴模型进行有限元分析和模态分析，并就单元选择及网格划分对应力的影响做了分析比较。
2 整体曲轴有限元模型的建立
传统的曲轴分析，国内外多采用单拐或1 /2单拐模型。
但这种方法还不能反映整体曲轴内部应力场的分布状态，有些学者也采用连续梁理论对曲轴进行分析计算，但把象曲轴这样复杂的结构简化成连续梁，计算结果显然是不准确的。
因此，为了较为准确地计算曲轴强度和了解曲轴内部的应力状况，本文采用曲轴三维整体模型，对曲轴进行静强度和刚度的有限元分析。
2.1有限元网格的划分
由于曲轴结构复杂，利用有限元软件进行建模时很难保证与图纸上的曲轴结构完全一致，因此建模时必须简化。
为了减少应力集中，曲轴上不同截面的结合处都有半径不一的倒角，如果在建模时考虑这些倒角和油孔，则会使有限元的网格非常密集，这就大大地增加了模型的单元数量，花费大量的求解时间，而且生成的网格形状也不理想，降低了求解精度，因此在整体曲轴建模时仅考虑主轴颈、曲轴轴颈与曲拐连接处的过渡圆角。
采用ANSYS有限元软件，根据曲轴的结构特点，结合有限元分析软件中所提供的单元类型，选择10节点的四面体单元Solsd92。
在建模时，首先采用较疏的网格实体模型进行网格划分，然后将连杆轴颈和曲轴主轴颈的圆角处进行网格细划。
剖分后形成的曲轴有限元网格见图1。
图中的曲轴模型共有114622个节点，71982个单元。
2.2载荷状况的确定
式中:F—对应于不同的l作用于曲柄销上的力;
F均布—假设力为均布时，平均分布于每个节点上的力;
l—力作用点对应曲轴中心对称面的弧长。
根据以上所得力的分布公式，可求得各个离散单元的受力，然后将其分配到各个节点上，从而得到等效节点边界力。
考虑曲轴惯性力的影响，输入以额定转速2500n/min时的角速度261. 7rad/s，有限元程序会自动将惯性力加在每一个节点上。
2.3.2支撑边界条件
将主轴承对曲轴的支撑视为弹性支座，设弹簧刚度为K，认为K值在曲轴纵向对称面内沿主轴颈均布，对于图1的曲轴有限元模型，可视K 均分在曲轴纵向对称面内主轴颈中截面左右的两个对称点上，本文中我们取K值为3X1.0E+11N/m，这一刚度接近于主轴承的实际刚度。
在进行有限元分析时，为模拟曲轴的全支撑情况，约束弹簧对主轴颈的径向位移;为模拟止推轴承的作用，可将曲轴左端面靠近轴心的对称四个节点的Z向位移为0，以防止曲轴沿轴向产生刚体位移。
(边界条件见图4)
3 曲轴整体模型计算结果分析
3.1变形分析算
通过对各缸发火时的静力分析可得出，在3缸发火时，变形量最大，为0.87mm，位于第一、六曲柄臂配重处，三缸变形示意图如图5所示。
3.2应力分析
按第四强度理论计算的等效应力较大值，发生在主轴颈与曲柄相连的过渡圆角处，及连杆轴颈与曲柄相连的过渡圆角处，最大值为三缸发火
时，位于第三连杆轴颈与曲柄相连处过渡圆角的下部，其值为σmax= 215MPa，如图6。
而且在曲轴工作的整个循环中，第三、四连杆轴颈过渡圆角处发生应力极大的情况也很频繁。
3.3施加扭转时应力分析
发动机工作中，由曲轴后端传出扭矩，曲轴必然受到一定的扭转力，在三缸发火时的有限元模型上施加扭转力，方向与曲轴工作旋转方向相反，作用在曲轴后端与飞轮连接的法兰盘边缘。
由公式Me=9550P/n可得Me=706.7N·m,通过ANSYS程序分析，施加扭转力后，应力值有了一定的提高，但影响不是很大，最大应力值为236MPa。
4 疲劳强度校核
整体曲轴的断裂，在多数情况下首先在曲柄销圆角出现疲劳裂纹，随后裂纹向曲柄臂发展而导致整根曲轴的断裂。
只在个别情况下因曲轴支承的局部损坏引起支座弯矩急剧增加而造成主轴颈圆角损坏。
这主要是由于主轴颈圆角应力以压应力为主，致使其抗交变载荷的能力增强。
因此，通常仅对承载最大曲柄的曲柄销圆角进行疲劳强度计算就能满足要求。
曲柄销圆角弯曲疲劳强度安全系数可用下式计算。
σmax,σmin为有限元计算出的对应于缸内压力与往复惯性力的合力的最大值99129N与最小值5406N时的应力值。
此处加均布面载荷并考虑惯性力σmax,σmin分别为236MPa和24. 3MPa, kσ为有效应力集中系数，取2.08,εσ为尺寸系数，取o.68,β为构件表面质量系数，取1.65,Ψσ为材料对应力循环不对称的敏感系数取0.25;代入(2),(3),(1)得nσ=1.574-1.749。
满足通常要求的1.3—1.8的范围，因此认为该曲轴的强度能达到要求。
5 结论
通过对6105柴油机曲轴三维有限元分析得到如下结论:该曲轴的应力集中主要出现在连杆轴颈下侧与主轴颈上侧过渡圆角处，该曲轴的强度能达到要求;扭转作用对发动机曲轴应力值的影响较小;网格的划分及单元选择对有限元分析结果有较大的影响;运用单拐曲轴有限元模型计算的应力值大于整体曲轴模型，因此采用单拐曲轴模型进行有限元分析得出的结果是偏于安全的;传统的认为仅以简单的缩轴颈距离而降低曲轴应力的做法是不能成立的。
同时，经过实践检验证明:有限元法计算的数值是正确的、有效的，它使人们对零部件关键参数的理解和设计更进了一。
