搜索
大连理工大学研究生考查课作业院系：机械工程学院课程名称：有限元方法与应用研究生姓名：学号：作业成绩：任课教师(签名)于申、张有为交作业时间：2017年5月31日基于ANSYS/SOLIDWORKS软件曲轴的有限元分析基于ANSYS/SOLIDWORKS软件曲轴的有限元分析摘要：曲轴被广泛应用于汽车行业中，是汽车发动机内重要的零部件之一，其品质好坏直接影响着发动机和整车的性能。本文首先应用SOLIDWORKS软件建立了曲轴的三维实体模型，其次利用ANSYS软件完成了曲轴的有限元分析，得到了曲轴静力学和模态分析结果，其四缸曲轴的分析结果可为曲轴设计、优化提供一定的理论依据和参考。关键字：ANSYS曲轴有限元分析SOLIDWORKS中图分类号：TH133.2FiniteElementAnalysisofCrankshaftBasedonANSYS/SOLIDWORKSSoftwareAbstract:Crankshaftiswidelyusedintheautomotiveindustry,andisanimportantcomponentinthecarengine.Itwillhaveadirectimpactonthequalityoftheengineandvehicleperformance.Inthispaper,Crankshaft3dmodelingiscreatedbyusingthree-dimensionalmodelingSOLIDWORKSsoftware.Then,thefiniteelementanalysisofthecrankshaftiscompletedbyANSYSsoftware.Meanwhile,theresultsofthestaticandmodalanalysisareobtained,whichcanprovideacertaintheoreticalbasisandreferencefordesignandoptimizationofcrankshaft.Keywords:ANSYSCrankshaftFiniteelementanalysisSOLIDWORKS1引言曲轴是汽车发动机的关键零件之一，其性能好坏直接影响到汽车发动机的质量和寿命。曲轴在发动机中承担最大负荷和全部功率，承受着强大的方向不断变化的弯矩及扭矩，同时经受着长时间高速运转的磨损，因此要求曲轴材质具有较高的刚性、疲劳强度和良好的耐磨性能。工作时，曲轴承受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷的冲击作用。同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好。近年来，随着制造工业的不断发展，制造业正面临着由于经济全球化带来的激烈的市场竞争，生产者对产品的质量要求也越来越高，尤其是在汽车、航空航天等要求比较高的部门，疲劳强度的高低直接或间接地影响着产品的质量[14]。本文主要分析四缸曲轴，利用SOLIDWORKS软件强大的三维建模能力，对四缸曲轴进行三维建模，并将建好的三维模型导入到ANSYS软件中，利用ANSYS软件强大的分析能力，对四缸曲轴在工作中受力状况进行分析，一方面验证了曲轴设计的合理性，另一方面为曲轴的设计和改进提供理论依据[5]。2曲轴有限元分析的理论基础2.1曲轴有限元分析基本步骤曲轴有限元分析的基本步骤主要包括以下几步：基于ANSYS/SOLIDWORKS软件曲轴的有限元分析步骤一：创建有限元模型(l)创建几何模型;(2)定义材料属性;(3)划分网格(节点及单元)步骤二：施加载荷并求解(l)施加载荷及载荷选项，设定约束条件;(2)求解;步骤三：查看结果(l)查看分析结果;2.2曲轴受力分析对曲轴施加的载荷主要包括三个部分，分别为连杆作用力，输出扭矩的反作用扭矩及重力[6]。(1)连杆作用力曲轴所承受的气体压力、活塞与连杆往复运动的惯性力，在工况计算时，转换到曲轴的连杆轴颈部位。假设作用在轴颈上的压力的合力为Qc，假定连杆轴颈作用力载荷(压力)沿连杆轴颈按二次抛物线规律分布；沿轴颈圆周120°角范围内按余弦分布。如下图1所示。图1连杆轴颈受力分布图Fig.1Forceofconnectingrodjournal沿曲轴轴线方向设压力分布曲线的方程为：Z=a𝑥2+𝑏𝑥+𝑐设轴向受力长度为2L，将x=L,x=−L代入上式得：2200aLbLcaLbLc当x=0时，z=qmax，所以c=qmax，代入得：b=0;a=−𝑞max/𝐿2又8800084cos(3/2)3LLcxxQqdsdxqdx其中：dsRd；Qc为作用在轴颈上的总载荷。因qx=ax2+bx+qmax=qmax(1−x2L2)，带入上式得：𝑄𝑐=169𝑞𝑚𝑎𝑥𝑅𝐿由此可得：qmax=9Qc/(16RL)沿圆周方向：qx0=qxcos(3θ/2)基于ANSYS/SOLIDWORKS软件曲轴的有限元分析其中：x=−L~L，θ=−60°~60°因此，在轴颈上的加载函数为：20291cos3/216cxQxqLRL(2)输出扭矩的反作用扭矩曲轴的功率通过飞轮端输出,在飞轮端面上有个较大的扭矩T=9550𝑃𝑛其中P为发动机的标定功率,单位Kw。n为转速，r/min。反作用扭矩的大小等于输出扭矩,方向与输出扭矩相反。(3)曲轴的重力以重力加速度的形式加到载荷中，大小为9.8N/kg。3曲轴三维模型的建立3.1SOLIDWORKS中曲轴的三维建模如图1所示，建立的曲轴三维模型。在SOLIDWORKS2013软件中根据曲轴自身的结构特点及各自几何尺寸完成建模过程。首先通过建立单个连杆轴颈、曲轴轴颈、曲轴臂和平衡块，其次通过平移、旋转和镜像操作，生成曲轴的主体部分，最终生成完整模型，曲轴参数见表1，三维模型见图2。表1曲轴主要尺寸参数Tab.1Crankshaftmainsizeparameters参数数值/mm主轴颈直径60连杆轴颈直径50曲柄宽度118曲柄半径46曲柄壁厚20图2曲轴三维模型图Fig.23DModeldiagramofcrankshaft3.2SOLIDWORKS文件导入到ANSYS中基于ANSYS/SOLIDWORKS软件曲轴的有限元分析ANSYS软件自身具有建模的功能，但曲轴的结构模型较为复杂，在ANSYS中建立曲轴的三维模型比较麻烦。因此，结合SOLIDWORKS软件，利用其强大的三维建模能力建立曲轴模型，再将建立好的模型导入到ANSYS软件中。SOLIDWORKS与ANSYS进行模型数据交换的方法很多。常用的方法有三种，如下：方法1:把在SOLIDWORKS中建立好的模型保存为IGES格式，由于ANSYS软件中内置了IGES交换过滤器，因此，IGES格式的文件可以输入到ANSYS中。但此种导入的方法在导入结构复杂的模型时经常会造成元素的丢失，甚至影响到网格的划分；方法2：把在SOLIDWORKS中建立好的模型保存为X_T格式，这种方法和方法一类似，也会导致某些复杂零件元素的丢失；方法3:利用ANSYSWORKBENCH和SOLIDWORKS之间的无缝链接，该方法的数据交换最为完整，没有数据丢失，本文采用此种方法。具体做法如下：将SOLIDWORKS中建立好的曲轴模型→ANSYS→WORKBENCH→NEWSIMULATION便可将模型完全导入到ANSYSWORKBENCH中。导入结果如图3所示：图3导入ANSYS后的三维实体模型Fig.33DsolidmodelofimportANSYS4曲轴有限元分析4.1静力学分析及结果4.1.1模型属性设定模型属性设定这里采用的曲轴的材料为铸造合金钢，其材料特性如表2:表2曲轴材料特性Tab.2Propertiesofcrankshaftmaterial属性名称数值/单位弹性模量1.9×1011𝑁/𝑚2泊松比0.26基于ANSYS/SOLIDWORKS软件曲轴的有限元分析密度7300kg/𝑚3屈服强度2.4128×108𝑁/𝑚2张力强度4.4808×108𝑁/𝑚2热导率38W/(𝑚∙𝐾)比热440J/(kg∙K)抗剪模量7.8×1010𝑁/𝑚24.1.2网格的划分网格划分对于有限元数值模拟分析非常重要。网格的大小、形状作为网格设定的主要参数，直接影响着计算结果的准确性和和计算过程所用的时间。网格太细密，计算过程会花费大量的时间，同时对于复杂结构，会造成不同网格划分之间连接的困难。因此，应该合理选择网格的大小。本文分析的曲轴尺寸较大，所以网格划分并不需要过于细密，这里，对曲轴选用的是自动网格划分。另外，由于曲轴结构比较复杂,如果实体建模时各种小的倒角和圆角以及油孔都考虑进去,网格划分时非常复杂，会产生很多不良的单元曲轴网格，所以如图1图2的三维模型所示，忽略各种小的倒角和圆角，便于网格的划分。选择Solid10node92单元作为分析单元，网格划分图如图4所示：图4网格划分图Fig.4Meshingdiagram4.1.3施加载荷和约束对于四缸机而言,如图5，一般的发火顺序是1-3-4-2或者1-2-4-3，根据动力学分析可知，曲轴运行中所受的力包括连杆轴承作用力、主轴承支撑力、外载荷的扭转反力、转动惯性和重力。连杆轴承的最大作用力是发生在气缸爆发做功时，即曲轴连杆机构运行至上止点附近时，此时曲轴所受应力最大，变形也最大，由经验可知曲轴的四缸机一般是第二、三缸受到最大爆发压力作用时曲轴所受的应力最大，为了减小计算量，此处只采用第三缸受到爆发压力做功时的工况，进行计算曲轴的静力强度。其它工况方法类似。基于ANSYS/SOLIDWORKS软件曲轴的有限元分析图5曲轴简易图Fig.5Simplediagramofcrankshaft(1)施加约束曲轴运动时，为了提高其刚性，在主轴处会有支撑，如图5所示，也就是说限制住了曲轴主轴的径向移动，但是在轴向也是有少量位移的。因此施加约束限制曲轴的主轴颈径向的自由度，不限制曲轴主轴颈轴向的自由度，施加约束结果如图6所示：图6曲轴约束施加图Fig.6DiagramofCrankshaftConstraints(2)施加载荷由2.2曲轴受力分析可知，连杆轴颈在120°范围内受不均匀分布的压力，经过估算，各连杆轴颈所受合力如表3所示，最后的有限元分析结果如图7所示。表3曲轴连杆轴颈合力大小（单位KN）Tab.3crankshaftconnectingrodjournalstrength(unitKN)连杆曲颈号1234合力10-117012注：负号表示连杆轴颈受拉，反之受压。基于ANSYS/SOLIDWORKS软件曲轴的有限元分析(a)沿X方向位移分析(b)沿Y方向位移分析(c)沿Z方向位移分析(d)合位移分析(e)沿X方向应力分析(f)沿Y方向应力分析(g)沿Z方向应力分析(h)等效应力分析基于ANSYS/SOLIDWORKS软件曲轴的有限元分析图7曲轴力学性能分析Fig.7Mechanicalpropertiesanalysisofcrankshaft由经验可知曲轴的四缸机一般是第二、三缸受到最大爆发压力作用时曲轴所受的应力最大，因此，此处所发生的位移变化也是最大的，如表4所示表4位移应力变化Tab.4Changesofdisplacementandstress参数数值最大合位移17.63mm最大应力155560MPa由曲轴位移图解所示：连杆轴颈三的弯曲变形曲率最大，且连杆曲颈三和四的扭转变形也比较明显。在连杆曲颈三的几何中心点处的径向位移：X向2.642mm,Y向10.318mm，Z向1.888mm，其主轴颈的位移较小。对于连杆轴颈形变位移而言，相对较大，可能会发生断裂，我们可以尝试改变材料来避免这种缺陷，也可以优化结构。由曲轴应力图解显示：最大应力位于连杆轴颈的圆角处，由于为了划分网格方便，本曲轴并未倒圆角，所以造成此处应力较大，因此，实际情况中会做