基于ANSYS Workbench的某活塞发动机曲轴有限元模态分析

付贵，郭湘川

摘 要：曲轴是活塞发动机非常关键的部分，曲轴的振动特性对发动机有很大的影响。本文以某型发动机曲轴为研究对象，利用Solidworks软件进行活塞发动机曲轴的三维建模，然后再导入ANSYS Workbench有限元软件进行模态分析，得出曲轴的固有频率和振型，为曲轴的设计与优化提供了理论依据。

关键词：有限元；ANSYS Workbench；曲轴；模态分析

中图分类号：TB123 文献标志码：A 文章编号：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

曲轴是活塞发动机中非常关键的组成部分。发动机工作原理是通过燃油燃烧推动活塞直线往复运动，再通过连杆推动曲轴使其做转动运动，曲轴连杆示意图如图1所示。曲轴所承受的力有惯性力和燃气爆发力等，这些力都是呈周期性变化的，从而会引起曲轴振动，当振动频率与曲轴自身固有频率相同时，就会产生共振现象，使得曲轴容易发生疲劳破坏。对曲轴的模态分析即为振动特性分析，为振动故障分析及结构动态特性的优化设计提供依据[1]。

本文通过Solidworks对曲轴进行了三维建模，然后建立了约束状态下的有限元模型，最后导入ANSYS Workbench中进行了约束状态下的有限元模态分析，得出了约束状态下的频率和振型。模态分析的意义是为了在工程中要避开这些频率来防止共振的发生，也为曲轴的瞬态动力学分析以及变负荷瞬态工况下曲轴的受力情况、应力与疲劳寿命预测提供一定的参考[2]。

1 有限元模型的建立

1.1 建立曲轴的三维模型

考虑到ANSYS系列软件建模的复杂性，本文利用Soli

dworks对曲轴进行三维建模，为了降低网格划分的难度和提高分析效率，在建模过程中对模型进行了一定的简化，

去掉了一些对分析没有太大影响的螺纹孔、键槽等特征，简化后的三维模型如图2所示。

1.2 有限元模型的建立

根据设计资料，本文分析的曲轴所用材料为QT600-2，材料密度为7.12×103kg/m3，弹性模量为169GPa，泊松比为0.286，抗拉强度为600MPa，屈服强度为330MPa。网格采用智能划分方法，类型为四面体网格，精度为中等，曲轴的有限元模型如图3所示。

2 有限元模态分析

本文进行的模态分析是曲轴在约束状态下的模态分析，约束状态下的曲轴更接近于工作状态下的情况。模态分析主要是为了找到曲轴约束工作状态下的固有频率，避免其产生共振而导致破坏。

2.1 边界条件的设置

曲轴的模态分析中，边界约束条件不同会导致结果不同。曲轴在工作时，轴的两端安装了向心推力轴承防止曲轴轴向移动，曲轴上5个主轴颈与滑动轴承配合，通过压力油膜润滑。因此，在曲轴两端施加轴向位置约束，本文中轴向约束是X方向，设置X方向位移为0，另外为了模拟5个轴颈处的滑动轴承约束，在5个主轴颈处设置无摩擦约束（Frictionless support）。

2.2 计算结果分析

通过ANSYS Workbench计算得出了曲轴在约束状态下前12阶的固有频率和振型，前12阶的固有频率和最大变形如表1所示。从表中可知，曲轴的最小固有频率为25.529Hz，随着阶数的增加，固有频率依次增大。曲轴的各阶模态振型如图4所示，从振型来看，模态振型的变形基本都是曲轴的弯曲和扭转，随着阶数的增加，变形也是呈变大趋势。其中第1、2阶模态振型，最大变形出现在左侧螺旋桨连接端，其他阶最大变形均出现在曲柄臂或者曲柄臂与曲轴大径的连接处。

3 结束语

本文利用Solidworks对曲轴进行了三维建模，考虑到

分析的效率，在利用ANSYS Workbench软件建立有限元

模型时简化了一部分对分析没有太大影响的孔类特征。通过模态振型图可知，螺旋桨连接端以及曲柄臂与大径连接处容易出现疲劳裂纹。约束状态下的模态分析所得出的固有频率能够给曲轴的设计与优化提供理论依据，避开固有频率防止其产生共振带来疲劳破坏，也为振动故障分析及结构动态特性的优化设计提供依据。

参考文献：

[1]王正杰，刘志明.基于ANSYS Workbench的V8发动机曲轴有限元模态分析[J].机械设计和制造，2012（8）：11-13.

[2]吳卓，刘晓芬.基于Pro/E和ANSYS Workbench的四缸发动机曲轴有限元模态分析[J].新技术新工艺，2013（9）：89-91.

[3]郭建华.基于ANSYS的发动机曲轴有限元模态分析[J].哈尔滨师范大学自然科学学报，2017（1）：34-38.

[4]王启兴，马星国，尤小梅，等.基于Pro/E和ANSYS的某型柴油机曲轴模态分析[J].机械工程与自动化，2016（3）：53-55.

[5]陈然，曹咏弘，孙华东，等.基于ANSYS的内燃机曲轴的模态分析[J].煤炭工程，2015，47（4）：108-109.

[6]刘昌领，陈建义，李清平，等.基于ANSYS的六缸压缩机曲轴模态分析及谐响应分析[J].流体机械，2012，40（8）：17-21.

[7]吕端，曾东建，于晓洋，等.基于ANSYS Workbench的V8发动机曲轴有限元模态分析[J].机械设计与制造，2012（08）：11-13.