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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。
基于ANSYS的直列四缸发动机曲轴强度分析
王乐;王立伟;赵飞鹏;梁健伟;王洋
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2022(51)7
【摘要】在汽车发动机的众多构件当中,曲轴是发动机中最重要、承载最复杂的零件之一,也是典型的易损件之一,被喻为发动机的脊梁骨,其强度会影响到整机的工作性能。
以某直列四缸发动机曲轴为例,运用了SolidWorks软件建立了直列四缸发动机的三维模型,并且应用Ansys Workbench软件模拟分析了直列四缸发动机点火后的静态特性。
首先介绍了直列四缸发动机曲轴,然后进行有限元分析,建立有限元模型和各部件之间的约束,包括曲轴与连杆之间的转动副、连接杆与活塞之间的转动副和活塞与缸体之间的移动副等,随后进行网格划分,施加力与约束等,最后进行应力求解,得出其在点火做功时的应力应变云图和位移云图,并且研究其应力和应变状态。
通过Ansys分析结果可以看出其应力、应变分布及位移变化,这对于后面的设计优化曲轴结构具有重要意义。
【总页数】5页(P179-182)
【作者】王乐;王立伟;赵飞鹏;梁健伟;王洋
【作者单位】西安石油大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U464.133
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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。
直列四缸发动机曲轴a n s y s分析Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998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.引言曲轴（如图1所示）是发动机中最重要、承载最复杂的零件之一。
其造价约占一台发动机总价的20%-30%，它的使用寿命决定发动机的使用寿命。
在工作过程中，曲轴承受着气缸内的气体压力及往复和旋转质量惯性力引起的周期性变化载荷。
这些扭转力矩和大小、方向不断变化的弯曲力，在曲轴内产生交变的弯曲及切应力，使曲轴发生疲劳破坏。
同时，在周期性变化的载荷作用下，曲轴可能在发动机转速范围内发生共振，加速曲轴的疲劳破坏。
由于曲轴是发动机中典型的易损件之一，其强度和振动特性都会影响到整机的工作性能，因此对曲轴进行有限元分析，研究曲轴的应力和应变状态，了解其固有频率和模态振型，对于设计和优化曲轴结构有重要意义。
图1 曲轴实物图曲轴的基本结构如图2所示，主要由前端轴、主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡重和后凸缘盘等部分构成，前端轴主要用来安装止推垫圈、启动抓和皮带轮等部件；曲柄用来连接主轴颈和连杆轴颈；平衡重的作用是平衡曲轴工作时产生的离心惯性力及其力矩；后凸缘盘用来安装飞轮等部件。
1 2 3 4 5 6图2 曲轴基本结构1-前端轴 2-主轴颈 3-平衡重 4-曲柄 5-连杆轴颈 6-后凸缘盘2.曲轴有限元模型的建立本文所研究曲轴为某直列四缸发动机整体式曲轴，含有5个主轴颈，4个连杆轴颈、曲柄和平衡重。
由于曲轴的具体尺寸参数设计较为复杂，本文不详细叙述。
同时，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模型。
为了减少应力集中，曲轴上不同截面的结合处都有半径不同的倒角，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，大大增加了模型的单元数量且生成的网格形状也不理想，降低了求解精度。
因此，建模时忽略了对分析结果影响较小的特征，如轴颈上的油孔和后凸缘盘上的环槽。
现给出曲轴结构的主要设计尺寸如表1。
表1 曲轴结构设计尺寸设计参数主轴颈长度主轴颈直径连杆轴颈长度连杆轴颈直径曲柄厚度平衡重厚度尺寸/mm 35 80 40 66 25平衡重的二维设计尺寸如图3所示。
图3 平衡重设计尺寸考虑到在ANSYS中直接进行曲轴建模的复杂性，本文通过SolidWorks建立三维几何模型，并与ANSYS Workbench无缝连接，进行有限元分析。
曲轴三维建模后如图4所示。
图4 曲轴三维实体图本文中曲轴材料为QT-800，其基体组织为珠光体或索氏体，主要用于所受载荷较大、受力复杂的汽车、拖拉机的曲轴、连杆、凸轮轴等等场合。
表2列出了QT-800的材料性能参数。
表2 QT-800材料参数材料抗拉强度/MPa抗拉屈服强度/MPa硬度/HBS弹性模量/ 密度/ 泊松比QT-800 ≥800 ≥480 245-355 7850 在workbench中设置曲轴材料参数如图5所示。
图5 曲轴材料参数3.曲轴网格划分有限元网格划分是将整体模型结构离散化,是数值分析的前提，也是至关重要的一步，它直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。
一个良好的网格划分，不但可以保证分析结果的精度，同时也能够大大降低后期处理的计算量。
本文中采用ANSYS 中自带的Mesh模块对曲轴进行网格划分。
ANSYS 是一个单独的工具平台，为ANSYS的不同求解器提供相应的网格文件。
自起，Workbench中可以直接划分网格（Direct Meshing）。
直接划分网格最大的优点之一就是能单独地划分几何体的网格，而之前划分网格时只能整个模型同时一起划分，显然，直接控制网格划分具有更大的柔性。
确定物理场和网格划分法在网格划分之前必须确定物理场的类型，Workbench中提供Mechanical、CFD、Electron-magnetics和Explicit四种物理场类型。
由于本文对曲轴结构进行静力学和模态分析，因此选择Mechanical网格划分法求解静力学结构场。
确定全局网格参数设置全局网格设置通常用于整体网格划分的部署，包括网格尺寸函数size，边界层函数Inflation，平滑度函数Smooth等等。
现设置全局网格具体参数见表3，如图6所示。
表3 全局网格参数Relevance Center ElementSizeSmoothing TransitionSpan AngleCenterCoarse Default Medium Fast Coarse图6 全局网格参数设置界面确定局部网格参数设置整个曲轴由5个主轴颈，4个连杆轴颈，4个曲柄和平衡重，1个前端轴和后凸缘盘。
为了整体较好的网格划分结果，需要对整个模型进行分割，不同部分进行不同方法划分网格。
曲轴轴颈部分为一系列规则的圆柱体，采用Sweep Method划分法；曲柄、平衡重、前端轴和后凸缘盘形状较为不规则，采用Automatic Method划分法，即在四面体和扫掠型划分之间自动切换，当几何体不规则时，程序自动产生四面体。
由于曲柄、平衡重、后凸缘盘（含螺纹孔）和前端轴（含键槽）形状较为复杂，对这几处采用Body Sizing进行局部加密。
整体曲轴网格划分后如图7所示，共包含45121个单元，82631个单元节点。
图7 曲轴网格划分网格质量检查本文网格质量检查，采用Skewness（偏度）进行度量。
Skewness基于归一化的角误差，适用于所有的面和单元形状，也适用于所有棱柱和棱锥，是最基本的网格质量检查项，其值位于0与1之间，0最好，1最差。
度量等级详见表4。
表4 Skewness网格质量度量等级极好很好好可接受坏不可接受网格划分后，网格质量如表5所示。
网格划分质量分布如图8所示，整体网格质量较好，小于的单元个数为42775，不可接受单元个数为3，占总体‰,但可以发现网格质量较差处多位于连杆轴颈处，因此后续分析中可能会出现应力奇异现象或者网格加密不收敛。
因此对于此网格划分，需要进一步调整，使其连接处网格质量提高。
表5 网格质量度量方法最小值最大值平均值标准差Skewness图8 网格质量分布图调整网格划分重新确定全局网格参数设置，采用高级尺寸函数(Advanced Sizing Function),此函数主要控制曲面在曲率较大的地方的网格。
其中Proximity and Curvature函数采用曲率法确定细化边和曲面处的网格大小，同时又控制模型邻近区网格生成，对于窄薄处网格也有较好的划分效果。
更改后全局网格具体参数如图9所示。
图9 更改后全局网格参数由于先前网格划分在轴颈处网格质量较差，于是推测为sweep方法下六面体网格与四面体网格过渡过程中，出现较差质量的网格。
因此，此次采用全四面体网格划分方法，如图10所示，最大单元尺寸为10mm。
图10 四面体划分方式整体曲轴网格划分后如图11所示，共包含82408个单元，125538个单元节点。
图11 更改后曲轴网格划分网格划分质量分布如图12所示，整体网格质量较之前明显改善，且网格质量较差处位于后凸缘盘边缘位置，此处不承受载荷，对后处理结果影响基本可以忽略。
网格划分后，网格质量与前一次划分做比较，如表6所示。
图12 更改后网格质量分布图表6 两次网格划分网格质量比较划分方法度量方法最小值最大值平均值标准差1 Skewness2 Skewness因此采用调整后的方法得到整个曲轴的网格划分。
4.曲轴强度分析载荷工况曲轴在工作过程中承受的载荷及边界条件有：主轴承支撑作用力、输出端反扭矩、平衡块离心力、曲柄和连杆轴颈的离心力、连杆对连杆轴颈的载荷等。
本文中直列四缸发动机点火顺序为1-3-4-2。
当1、2、3、4缸分别点火时活塞和曲轴位置示意如图9、10所示。
图9 1、4缸点火示意图图10 2、3缸点火示意图对于直列四缸发动机，当活塞处于上止点位置时连杆轴颈载荷达到最大值，因此只需考虑各个气缸分别处于压缩终了，活塞在上止点位置时的受力状况即可。
本文中发动机的最大扭矩转速，最大功率。
并以此计算工况。
由发动机动力学计算得，在点火上止点附近，由于爆发压力与活塞和连杆惯性的作用使得连杆轴颈受最大载荷。
按动力学法计算载荷，并假设作用在轴颈上的载荷为分布载荷，且根据有限宽度轴颈油膜压力应力分布规律并忽略油孔处压力峰值突变的影响，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，如图11所示。
图11 连杆轴颈载荷边界条件载荷及约束边界条件转速条件在Workbench中Static Structural中插入项Rotational Velocity，以主轴颈轴线为转轴，转速设为188rad/s（ramped），即，如图12所示。
图12 转动条件连杆轴颈载荷Workbench中自带了Bearing Load项，即轴承载荷。
其径向分量将根据投影面积来分布压力载荷，轴向载荷分量沿着圆周均匀分布。
由动力学计算可知，在点火上止点位置时，由于气体爆炸压力与惯性作用使得作用于连杆轴颈表面，方向沿径向指向转轴的最大载荷为；其他连杆轴颈主要受到连杆惯性力的作用，此时连杆轴颈所受最小载荷为。
对于不同气缸点火，对应有不同的连杆轴颈载荷条件，图13为1缸点火连杆轴颈示意图。
图13 1缸点火连杆轴颈示意图Workbench中可通过力矩/偶载荷(Moment)施加力矩/偶在任意实体表面，如果选择多个表面则力矩/偶将分摊在这些面上。
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，作用在曲轴前端轴和后凸缘盘上。
根据公式，因此作用在曲轴上的最大扭矩可以近似为，如图14所示。
图14 扭矩载荷支撑约束Workbench中常用的支撑约束为Cylindrical，即圆柱面约束，可以施加在圆柱表面，并可以指定轴向、径向或者切向自由度的约束状况，但此约束通常仅适用于小变形（线性）分析。
由于曲轴在实际工作中，变形量极小，因此可采用此种约束。
本文所研究曲轴为某直列四缸发动机整体式曲轴，含有5个主轴颈，并通过轴瓦、轴承安装在发动机箱体内，因此5个主轴颈处可施加轴向和径向固定，切向自由的圆柱面约束，如图15所示。
图15 主轴颈支撑约束有限元求解结果分析对于主应力和主应变，根据力学基础理论，应力张量可以转成只显示法向应力的形式。
这就是三个主应力，即，其值可以被指定，且三个主应力值带有方向。
常用于塑性材料的理论是最大等效应力和最大剪切应力。
本文采用最大等效应力分析。
等效应力Equivalent（von-Mises），也称von-Mises应力，其定义为：总变形量Total Deformation，其定义为：1缸点火结果分析1缸点火时，曲轴的等效应力图和总变形量图分别如图16、17所示。
