基于ANSYS Workbench的某活塞發動機曲軸有限元模態分析

付貴，郭湘川

摘 要：曲軸是活塞發動機非常關鍵的部分，曲軸的振動特性對發動機有很大的影響。本文以某型發動機曲軸為研究對象，利用Solidworks軟件進行活塞發動機曲軸的三維建模，然后再導入ANSYS Workbench有限元軟件進行模態分析，得出曲軸的固有頻率和振型，為曲軸的設計與優化提供了理論依據。

關鍵詞：有限元；ANSYS Workbench；曲軸；模態分析

中圖分類號：TB123 文獻標志碼：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

曲軸是活塞發動機中非常關鍵的組成部分。發動機工作原理是通過燃油燃燒推動活塞直線往復運動，再通過連桿推動曲軸使其做轉動運動，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氣爆發力等，這些力都是呈周期性變化的，從而會引起曲軸振動，當振動頻率與曲軸自身固有頻率相同時，就會產生共振現象，使得曲軸容易發生疲勞破壞。對曲軸的模態分析即為振動特性分析，為振動故障分析及結構動態特性的優化設計提供依據[1]。

本文通過Solidworks對曲軸進行了三維建模，然后建立了約束狀態下的有限元模型，最后導入ANSYS Workbench中進行了約束狀態下的有限元模態分析，得出了約束狀態下的頻率和振型。模態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生，也為曲軸的瞬態動力學分析以及變負荷瞬態工況下曲軸的受力情況、應力與疲勞壽命預測提供一定的參考[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系列軟件建模的復雜性，本文利用Soli

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

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

根據設計資料，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，抗拉強度為600MPa，屈服強度為330MPa。網格采用智能劃分方法，類型為四面體網格，精度為中等，曲軸的有限元模型如圖3所示。

2 有限元模態分析

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

2.1 邊界條件的設置

曲軸的模態分析中，邊界約束條件不同會導致結果不同。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個主軸頸處設置無摩擦約束（Frictionless support）。

2.2 計算結果分析

通過ANSYS Workbench計算得出了曲軸在約束狀態下前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，隨著階數的增加，固有頻率依次增大。曲軸的各階模態振型如圖4所示，從振型來看，模態振型的變形基本都是曲軸的彎曲和扭轉，隨著階數的增加，變形也是呈變大趨勢。其中第1、2階模態振型，最大變形出現在左側螺旋槳連接端，其他階最大變形均出現在曲柄臂或者曲柄臂與曲軸大徑的連接處。

3 結束語

本文利用Solidworks對曲軸進行了三維建模，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疲勞裂紋。約束狀態下的模態分析所得出的固有頻率能夠給曲軸的設計與優化提供理論依據，避開固有頻率防止其產生共振帶來疲勞破壞，也為振動故障分析及結構動態特性的優化設計提供依據。

參考文獻：

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