摘 要

曲轴是柴油机中最重要的零件之一。柴油机的整体尺寸、质量、成本和可靠性等与曲轴的尺寸参数紧密相关。曲轴在工作中受力复杂，不仅要承受周期性变化的气体爆发压力、活塞连杆组的往复惯性力、旋转惯性力、附件不规则阻力矩，还承受着扭矩转动以及弯曲振动。而且由于曲轴形状复杂、应力集中严重，易产生大小和性质不同的疲劳应力，严重时会造成材料的疲劳破坏。因此，对曲轴疲劳强度的研究显得尤为重要。

本论文旨在建立曲轴参数化建模系统，并对曲轴进行有限元分析，寻找曲轴最易发生疲劳破坏点。主要研究工作如下：

（1）运用PRO/E三维设计软件，建立四冲程曲轴简化模型。

（2）根据曲柄连杆机构的运动原理，对曲轴进行受力分析，为有限元分析做准备。

（3）运用版本相互支持的PRO/E与ANSYS，通过两者之间的接口，实现PRO/E 5.0与ANSYS13.0的无缝连接，将曲轴模型从PRO/E中导入ANSYS。

（4）运用ANSYS13.0对直列四冲程曲轴进行有限元分析（静力分析），列出分析的位移图和应力图。

通过以上四方面的工作，得出直列四冲程曲轴工作状态下的最大应力及其对应的部位。为进一步优化设计曲轴提供了可靠的依据。将发动机曲轴的强度有限元分析并与理论分析进行比较。显示出有限元分析方法快速有效的特点。

关键词：曲轴；有限元；强度

Abstract

The crankshaft is one of the most important parts of the diesel engine. The overall size, quality, cost and reliability of the diesel engine are closely related to their size of the crankshaft. During the work, the crankshaft bears the complex force, not only the outbreak pressure of cyclical changing gas, reciprocating inertia force of the piston rod group, rotary inertia force, irregular resistance moment of the accessories, rotation of torque, and bending vibration. And because of the complex shape of the crankshaft, it has severe stress concentration. It is easily to suffer fatigue stress with different size and nature. What’s more, the severe case is the damage of material fatigue. Therefore, the study of the crankshaft fatigue strength is particularly important. This paper aims to establish the three-dimensional model of a crankshaft to find the point of the crankshaft which has the most possibility to occur fatigue failure. The main research work are following:

(1) Using the PRO / E 3D design software to establish a four-stroke crankshaft simplified model.

(2) According to the movement principle of the crank, we can analysis the stress of crankshaft, to prepare for the element analysis.

(3) Using the two versions which can support each other to achieve a seamless connection of PRO / E 5.0 and ANSYS13.0 through the interface between the two. Then import the crankshaft model into ANSYS from the PRO / E.

(4) Using ANSYS13.0 to analyse the four-stroke crankshaft (static analysis), and list the analysis of the displacement diagram and stress diagram.

Through the four aspects of the study, we can get the maximum stress and their corresponding parts, which offer a reliable basis of further optimizing the design of the crankshaft. Compared with the theoretical analysis and finite element analysis of the engine crankshaft, shows the finite element analysis method is fast and effective.

Keywords: crankshaft; finite element; strength

目录

第一章 前言 1

1.1 课题的研究目的和意义 1

1.2 曲轴介绍 1

1.3 国内外曲轴强度的研究现状 2

1.3.1 国外曲轴强度研究情况分析 2

1.3.2 国内曲轴强度研究现状 3

1.4 本文主要工作 4

第二章 软件介绍 5

2.1 ANSYS简介 5

2.1.1 软件功能介绍 5

2.1.2 前处理模块PREP7 5

2.1.3 求解模块SOLUTION 6

2.1.4 后处理模块POST1 7

第三章 曲柄连杆机构 9

3.1 曲柄连杆机构的运动分析 9

3.2 活塞的运动计算 9

3.3 分析计算连杆的运动 10

3.4 曲柄连杆机构在工作过程中的受力分析 11

第四章 曲轴静态性能有限元分析 14

4.1 曲轴的建模 14

4.1.1 曲轴结构的简化 14

4.1.2 曲轴的参数 14

4.1.3 实体曲轴结构的建立 14

4.2 有限元模型 15

4.2.1 模型文件导入方法 15

4.2.2 创建单元类型 16

4.2.3 定义材料属性 17

4.2.4 网格划分 18

4.3 载荷与边界条件 19

4.3.1 设置边界条件 19

4.3.2 载荷的施加 21

4.4 计算结果分析 21

4.4.1 位移分析 22

4.4.2 应变分析 28

4.4.3 应力分析 30

第五章 有限元分析与理论分析的比较 34

5.1 理论分析 34

5.2 有限元分析 34

5.3 传统方法与有限元方法的比较 35

第六章 全文总结与展望 36

6.1 全文总结 36

6.2 展望 36

致谢 37

参考文献 38

第一章 前言

1.1 课题的研究目的和意义

曲轴是柴油机的最主要的运动部件。由于曲轴形状复杂、应力集中严重，易产生大小和性质不同的疲劳应力，严重时会造成材料的疲劳破坏。因此，曲轴应有足够的疲劳强度。柴油机的尺寸重量和曲轴的尺寸参数紧密相关，柴油机工作时的可靠性也相当大程度上取决于曲轴的强度。随着柴油机技术的发展，对曲轴的要求也越来越高。柴油机各个主要运动部件所承受的载荷也越来越大，因而曲轴的工作条件也越来苛刻，对曲轴的强度研究也显得越来越重要。

本论文旨在建立曲轴参数化建模系统，并对曲轴进行有限元分析，寻找曲轴最易发生疲劳破坏点。运用PRO/E三维设计软件绘制四冲程曲轴简化模型，导入ANSYS有限元软件，通过网格划分、确定约束和施加载荷，得到与实际情况相符合的位移，应力，应变云图，分析得出曲轴应力集中的部位，并将发动机曲轴的强度有限元分析与理论分析进行比较。