基于ANSYS Workbench的某活塞發(fā)動機(jī)曲軸有限元模態(tài)分析

付貴，郭湘川

摘 要：曲軸是活塞發(fā)動機(jī)非常關(guān)鍵的部分，曲軸的振動特性對發(fā)動機(jī)有很大的影響。本文以某型發(fā)動機(jī)曲軸為研究對象，利用Solidworks軟件進(jìn)行活塞發(fā)動機(jī)曲軸的三維建模，然后再導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元軟件進(jìn)行模態(tài)分析，得出曲軸的固有頻率和振型，為曲軸的設(shè)計與優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有限元；ANSYS Workbench；曲軸；模態(tài)分析

中圖分類號：TB123 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0020-02

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

曲軸是活塞發(fā)動機(jī)中非常關(guān)鍵的組成部分。發(fā)動機(jī)工作原理是通過燃油燃燒推動活塞直線往復(fù)運動，再通過連桿推動曲軸使其做轉(zhuǎn)動運動，曲軸連桿示意圖如圖1所示。曲軸所承受的力有慣性力和燃?xì)獗l(fā)力等，這些力都是呈周期性變化的，從而會引起曲軸振動，當(dāng)振動頻率與曲軸自身固有頻率相同時，就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使得曲軸容易發(fā)生疲勞破壞。對曲軸的模態(tài)分析即為振動特性分析，為振動故障分析及結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)[1]。

本文通過Solidworks對曲軸進(jìn)行了三維建模，然后建立了約束狀態(tài)下的有限元模型，最后導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行了約束狀態(tài)下的有限元模態(tài)分析，得出了約束狀態(tài)下的頻率和振型。模態(tài)分析的意義是為了在工程中要避開這些頻率來防止共振的發(fā)生，也為曲軸的瞬態(tài)動力學(xué)分析以及變負(fù)荷瞬態(tài)工況下曲軸的受力情況、應(yīng)力與疲勞壽命預(yù)測提供一定的參考[2]。

1 有限元模型的建立

1.1 建立曲軸的三維模型

考慮到ANSYS系列軟件建模的復(fù)雜性，本文利用Soli

dworks對曲軸進(jìn)行三維建模，為了降低網(wǎng)格劃分的難度和提高分析效率，在建模過程中對模型進(jìn)行了一定的簡化，

去掉了一些對分析沒有太大影響的螺紋孔、鍵槽等特征，簡化后的三維模型如圖2所示。

1.2 有限元模型的建立

根據(jù)設(shè)計資料，本文分析的曲軸所用材料為QT600-2，材料密度為7.12×103kg/m3，彈性模量為169GPa，泊松比為0.286，抗拉強(qiáng)度為600MPa，屈服強(qiáng)度為330MPa。網(wǎng)格采用智能劃分方法，類型為四面體網(wǎng)格，精度為中等，曲軸的有限元模型如圖3所示。

2 有限元模態(tài)分析

本文進(jìn)行的模態(tài)分析是曲軸在約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，約束狀態(tài)下的曲軸更接近于工作狀態(tài)下的情況。模態(tài)分析主要是為了找到曲軸約束工作狀態(tài)下的固有頻率，避免其產(chǎn)生共振而導(dǎo)致破壞。

2.1 邊界條件的設(shè)置

曲軸的模態(tài)分析中，邊界約束條件不同會導(dǎo)致結(jié)果不同。曲軸在工作時，軸的兩端安裝了向心推力軸承防止曲軸軸向移動，曲軸上5個主軸頸與滑動軸承配合，通過壓力油膜潤滑。因此，在曲軸兩端施加軸向位置約束，本文中軸向約束是X方向，設(shè)置X方向位移為0，另外為了模擬5個軸頸處的滑動軸承約束，在5個主軸頸處設(shè)置無摩擦約束（Frictionless support）。

2.2 計算結(jié)果分析

通過ANSYS Workbench計算得出了曲軸在約束狀態(tài)下前12階的固有頻率和振型，前12階的固有頻率和最大變形如表1所示。從表中可知，曲軸的最小固有頻率為25.529Hz，隨著階數(shù)的增加，固有頻率依次增大。曲軸的各階模態(tài)振型如圖4所示，從振型來看，模態(tài)振型的變形基本都是曲軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)，隨著階數(shù)的增加，變形也是呈變大趨勢。其中第1、2階模態(tài)振型，最大變形出現(xiàn)在左側(cè)螺旋槳連接端，其他階最大變形均出現(xiàn)在曲柄臂或者曲柄臂與曲軸大徑的連接處。

3 結(jié)束語

本文利用Solidworks對曲軸進(jìn)行了三維建模，考慮到

分析的效率，在利用ANSYS Workbench軟件建立有限元

模型時簡化了一部分對分析沒有太大影響的孔類特征。通過模態(tài)振型圖可知，螺旋槳連接端以及曲柄臂與大徑連接處容易出現(xiàn)疲勞裂紋。約束狀態(tài)下的模態(tài)分析所得出的固有頻率能夠給曲軸的設(shè)計與優(yōu)化提供理論依據(jù)，避開固有頻率防止其產(chǎn)生共振帶來疲勞破壞，也為振動故障分析及結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

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