基于ANSYS Workbench下曲轴的模态分析

胡斌，疏剑，贾会星，龚厚仙

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

引言

在现代汽车发动机中,曲轴是最重要转动部件之一。它不仅连接连杆等部件，也承受着复杂，交变的冲击载荷。现代汽车的快速发展，对发动机的振动和控制噪声要求越来越高[1]。通过经典的力学设计方法，很难适应现代发动机曲轴的性能要求。本文对某款四缸发动机中曲轴进行建模，再利用ANSYS WorkBench软件对曲轴进行模态分析。以下为曲轴的参数：

表1 曲轴的参数指标（mm）

一、曲轴的模态分析

（一）三维模型的建立与简化

利用UG软件高效的建模，对四缸发动机的曲轴进行三维造型。完成曲轴的实体造型之后，通过ANSYS Workbench与三维软件的接口，输出STP实体文件的格式，导入到ANSYS Workbench下。

曲轴的结构相对来说比较复杂，存在很多工艺孔，工艺角，安装定位孔和油道。如果在进行有限元模型建立的时候，考虑这些细微之处，则会使得有限元模型的网格非常的粗糙，导致计算精度的降低。在这里对曲轴进行合理的几何处理是完全有必要的。所以对曲轴中的工艺孔，工艺角及油道，进行几何清理。利用UG软件的同步建模命令中删除面命令对曲轴的实体模型进行几何清理。如图所示1曲轴简化后的三维模型[2]。

图1 曲轴简化后三维模型

（二）曲轴网格的处理

在UG软件当中进行了特征清理之后，导出曲轴格式为STP203的格式。利用ANSYS Workbench中提供的几何接口，导入UG输出的STP格式下的曲轴。

综合考虑在有限元软件中，六面体网格的质量，计算精度和计算结果的正确性是远大于四面体网格。所以在ANSYS Workbench，采用六面体网格进行研究。如图2所示曲轴的有限元模型。

图2 曲轴的有限元模型

（三）工况的设置

理论和实践的证明：阻尼对结构系统的固有频率和振型影响不大，所以在求解结构固有频率和振型时，可以不计阻尼的影响。模态分析研究的是结构固有属性，跟有无外载荷，没有关系[3]。结构无阻尼自由振动方程：

［K］—结构刚度矩阵：

[U]—结点加速度矢量：

[U]—结点位移矢量；

根据以上结构无阻尼自由振动方程，通过手工算得到刚度与质量矩阵，然后进行计算得到特征值与特征向量。而特征值与特征向量就是所对应的固有频率和振型变化，但是手工计算量大，时间长，容易出错等问题，所以本文中采用ANSYS Workbench软件对曲轴进行模型分析。结构无阻尼自由振动方程可在ANSYS Workbench中只需在曲轴两端加约束，约束X，Y，Z方向的转动和移动。如图3所示ANSYS Workbench中加载。

图3 曲轴工况设置模型

（四）求解

定义该曲轴的材料为40Cr，弹性模量为 。泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。选择的方法根据ANSYS Workbench有限元软件进行求解时，该软件会选择默认的求解器，我们可以对该默认求解器进行设置，一般设置为第一种求解器方式进行求解，即Block Lanczos求解方法[4]。

（五）结果观察

在ANSYS Workbench求解完成后，进入后处理模块，观察模态分析的曲轴各阶模态的固有频率和振型的情况，该曲轴前三阶固有频率和振型如图4所示。

图4 曲轴前三阶振型图

二、结论

1）根据有限元软件ANSYS Workbench软件得出的前三阶曲轴的固有频率和振型。从振型图看出，曲轴的共振之后出现的最大变形在靠近前段轴的曲柄和平衡重。

2）得到曲轴的前三阶固有频率，可以为曲轴的优化设计和谐响应分析提供理论依据。