直列四缸发动机曲轴
a n s y s分析
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有限元分析课程报告直列四缸发动机曲轴有限元分析
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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。
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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 Element
Size
Smoothing Transition
Span Angle
Center
Coarse 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
