毕业设计（论文）-发动机曲轴静强度有限元分析

XXXXX学士学位论文（设计）本科毕业设计题目发动机曲轴静强度有限元分析学院机械工程学院专业车辆工程学生姓名学号年级指导教师职称20年5月11日发动机曲轴静强度有限元分析摘要：曲轴是发动机中最昂贵、最重要的零件之一，是曲柄连杆机构重要组成部分之一，运动转化重要组成部分。曲轴的尺寸参数影响着发动机各系统的参数，而且发动机的各方面性能也受曲轴的影响。随着发动机性能的不断提升和强化，曲轴的工作条件也越来越苛刻。所以，曲轴的结构静强度分析在发动机的设计和改进过程中占有很重要的地位。随着计算技术的不断进步和研究人员的不懈努力下，静强度计算发动机曲轴取得了良好的进展，尤其是体现在曲轴的静态应力方面的计算。本文将采用有限元分析方法，对发动机曲轴的静强度进行分析，内容如下：1）在大量阅读有关文献的基础上，了解了国内外相关研究的方向和进展，确定了论文的任务和目标;2）对于单气缸发动机曲轴问题，UG进行三维实体造型，然后倒入ANSYS进行有限元分析。结果表明：在使用球墨铸铁为材料的情况下，曲轴的静强度安全系数变形安全系数满足要求；如若材料选为40Cr的曲轴，其静强度安全系数和变形安全系数也满足要求，从理论上看不会发生破坏。关键字：曲轴；静强度；有限元分析EngineCrankshaftFiniteElementAnalysisofStaticStrengthAbstract:thecrankshaftisoneofthemostexpensive,themostimportantpartsoftheengine,isoneofanimportantpartoftheconnectingrod,motiontransformationisanimportantpart.Thesizeofthecrankshaftparametersaffectingthewholeenginesizeandweight,andtheinfluenceonengineperformanceandreliability.Withtheimprovingoftheengineperformanceandstrengthened,andtheworkingconditionsofcrankshaftisbecomingmoreandmoredemanding.Therefore,thestructuralstaticstrengthanalysisinthedesignoftheenginecrankshaftandoccupiesveryimportantpositionintheprocessofimprovement.Alongwiththeadvanceofcomputingtechnologyandthetirelesseffortsoftheresearchers,enginecrankshaftgoodprogresshasbeenmadeinthecalculationofstaticstrength,particularlyinthestaticstressofthecrankshaftcomputing.Finiteelementanalysismethodisadoptedinthispaper,thestaticstrengthanalysisofenginecrankshaft,contentisasfollows:1)onthebasisofalotofreadingliteratures,tounderstandthedirectionandprogressoftherelatedresearchathomeandabroad,todeterminethetasksandgoalsofthethesis;2)onthecrankshaftofasinglecylinderengineproblems,hascarriedonthethree-dimensionalsolidmodelinginUG,byimportingtheANSYSdivisiongrid,suchaspretreatmentandthefiniteelementanalysis.Resultsshowthatundertheconditionoftheuseofnodularcastironasthematerial,thestaticstrengthsafetycoefficientofcrankshaftmeetrequirements;Theselectionofthematerialsof40crcrankshaft,itsstaticstrengthmeettherequirements,thesafetycoefficientintheorynotbreak.Keywords:Crankshaft；StaticStrength；theFiniteElementAnalysisI目录TOC\o"1-3"\h\u绪论 11软件及使用方法的介绍 31.1有限元方法和ANSYS软件 31.1.1有限元法的一般求解步骤 31.1.2有限元法的发展趋势 41.1.3有限元分析软件－ANSYS 51.2有限元方法 61.2.1计算模型 61.2.2边界条件处理 71.3UG软件介绍 71.3.1UG软件概述 71.3.2UG软件的基本功能 71.4小结 92曲轴实体模型的建立 102.1发动机曲轴的设计参数 102.2曲轴的设计要求 112.3本章小结 113曲轴强度的单体有限元分析 123.1创建有限元模型 123.1.1创建有限元模型 123.1.2定义材料属性及划分网格 153.2曲轴边界条件的计算，施加载荷并求解 193.2.1曲轴边界条件的计算 193.2.2施加载荷及载荷选项、设定约束条件 214两种材料分析计算结果 244.1变形应力云图 244.2数据整理及结果分析 28结论 30参考文献 31致谢 32绪论1引言曲轴是发动机中最昂贵、最重要的零件之一，是曲柄连杆机构重要组成部分之一，运动转化重要组成部分。曲轴的尺寸参数影响着发动机各系统的参数，而且发动机的各方面性能也受曲轴的影响。曲轴的破坏可引起发动机其它零件的失效，尤其是连杆造成连杆卡死在气缸中，造成发动机严重的破坏事故[1]。特别是随着发动机性能的发展与强化，曲轴的工作条件或环境也越来越苛刻。由于曲轴是承担能量转化以及直线运动转化为曲线运动的最关键部件，并且在发动机中发动机产生的能量是由它直接传导而出。因此，在曲轴的设计必须适当选择曲柄尺寸参数，结构，材料和技术，以获得更经济的效果。对于曲轴这样形状比较复杂的强度分析问题，解析法是能做，但相对于有限元法显得太困难了，甚至不和实际相差很大。有限元分析法在强度分析中已经成为一种通用的分析方法。由于计算机和计算力学的快速发展,三维有限元法得到了广泛的应用,可以计算成千上万,数十万甚至数百万的单位的数学模型,它可以很容易地接近实际情况更准确。2研究背景曲轴是发动机中最昂贵、最重要的零件之一，是曲柄连杆机构重要组成部分之一，运动转化重要组成部分。曲轴的尺寸参数影响着发动机各系统的参数，而且发动机的各方面性能也受曲轴的影响。随着发动机性能的不断提升和强化，曲轴的工作条件也越来越苛刻。所以，曲轴的结构静强度分析在发动机的设计和改进过程中占有很重要的地位。随着计算技术的不断进步和研究人员的不懈努力下，静强度计算发动机曲轴取得了良好的进展，尤其是体现在曲轴的静态应力方面的计算[1]。3研究目的和意义研究的目的：（1）熟悉发动机静强度有限元分析的规范化步骤；（2）根据分析数据，对该曲轴的设计及改进提出合理的建议；本课题研究的意义：（1）提高发动机曲轴的可靠性；（2）提高汽油机的使用寿命；（3）可方便的分析曲轴静强度并为设计提供可靠的理论依据4国内外研究现状和发展趋势国内外研究现状：曲轴静强度的研究主要有两大现状：1、采用了大量的经验，计算与实验相结合，并考虑更多的因素，从方便的角度尝试，获得曲柄实际生产的安全系数;2、结合现代的设计计算方法，如有限元法等，对曲轴强度进行深入的研究。如疲劳研究，动力有限元分析，接触有限元分析等。发展趋势：曲轴是发动机中最昂贵、最重要的零件之一，是曲柄连杆机构重要组成部分之一，运动转化重要组成部分。曲轴的尺寸参数影响着发动机各系统的参数，而且发动机的各方面性能也受曲轴的影响。随着发动机性能的不断提升和强化，曲轴的工作条件也越来越苛刻。所以，曲轴的结构静强度分析在发动机的设计和改进过程中占有很重要的地位。5主要研究内容主要研究内容主要包括8个部分：1）对有限元分析软件（ANSYS）的研究；2）基于三维软件（UG）的某发动机的曲轴的三维建模；3）参考大量文献的基础上，在两种工况下，计算出拉压的受载的大小；4）将模型导入到有限元分析软件中；5）对曲轴模型进行约束和加载分析；6）针对某单缸发动机曲轴不同材料的情况，使用CAD软件UG三维实体建模,利用CAE软件ANSYS有限元分析；7）分析计算了QT800-2和40Cr2种材料的曲轴在最大载荷工况下的变形和应力，并要校核这2种材料所对应的曲轴应力集中部位的静强度安全系数[2]；8）得出分析结论。1软件及使用方法的介绍1.1有限元方法和ANSYS软件1.1.1有限元法的一般求解步骤有限元法求解问题，概括起来分为以下几个步骤:(1)结构离散化结构离散化分为结构的有限元分析,设置在指定点的元素节点,使相邻单元的相关参数有一定的连续性,构成一组单元,代替原来的结构,以及弹性体的边界约束位于弹性体的边界节点约束。结构离散化的基本原则有两条:①几何近似。要求物理模型的几何形状近似真实结构。②物理近似。离散元素特征类似于实际结构的应力分布和变形的区域条件、材料特性等物理性能。产生节点和单元主要有如下4步:设置材料基本属性;设置单元属性;设置网格控制选项;产生网格。在设置材料的性能和单元特性的时候，材料属性有弹性模量，泊松比，密度，热膨胀系数。根据场合和单元类型选择的计算需要输入材料特性、单位名称、自由度、实常数等[2]。单元选择一般需要考虑以下因素:①维数。分为二维或者三维单元。②单元特征形状。我们所知的单元有4种形状:点、线、面和体单元。有一个节点为点单元，如一个点;直线或者弧线为线单元，通常有2到3个节点。有三角形和四边形的为面单元，三点确定一个平面;体单元是四面体或者六面体。(2)单元分析[3]单元的分析是使用机械理论研究单元,从建立单元位移模型,推导了单元应变、应力和单元等效节点载荷向量的计算公式。(3)单元刚度矩阵是由变分原理推出的。(4)整合所有离散化的代数方程。(5)在力作用下对每个单元的节点的位移矢量进行求解。(6)由节点位移、材料的属性逆向计算出单元的应变和应力。完整的有限元分析流程如图1-1所示。图1-1有限元分析流程图1.1.2有限元法的发展趋势目前，结构的有限元分析的倾向于分析系统，该分析并不限定于这些组件。出现较高的性能的计算机和计算分析更强大的有限元软件使工程师创建更大，更准确，更复杂的模型，为工程师们提供及时，成本低，准确，信息化解决方案。随着计算机技术的进步，特别是完善和应用精密的有限元理论，从静态到动态的有限元分析，线性和非线性复杂系统的简单模型，并逐步扩大应用范围。1）求解能力强。有限元模型增加几何细节将加强仿真模型和实际之间的连接结构。在实践中，任何模拟需要的计算机资源是巨大的，决定性的因素是离散的几何结构（节点和元件等的数量）的程度的有限元模拟的用于计算的复杂性的尺寸和材料模型。国外在20世纪90年代，约有80万自由度线性发动机曲轴在2001年分析了500万度的活塞组件的非线性自由度仿真模型。随着计算机技术和有限元技术的发展和提升，该模型可以计算分析达到100万以上的自由度。2）分析的分界线越来越模糊。在应力和运动的模拟分析之间，传统的分界线将越来越模糊。可以做运动模拟分析软件也可以用来分析结构,如一个系统设置结构、流体力学、动力学、温度场和磁场分析软件的集成。同时，相同模型用于多种分析将引起人们的重视。在汽车工业中，同样的模型可以用来进行结构静力学和动力学分析，耦合场分析是这一趋势的最明显的表现。3）系统分析。系统分析的出现,使整个系统,子系统和组件之间的关系应考虑,管理它们之间的影响,影响将反映在整个系统组件之间的分析。当分析部分，要考虑转移到刚度在计算模型的影响，功率的其它部分应该包括相关的其他部分。此外,为了实现系统整体性能的理解需求,还应该系统内部装配分析。1.1.3有限元分析软件－ANSYS1）有限元分析软件大型通用有限元分析软件如SAP，美国ABAQ，LS-DYNA，ANSYS和NANASTR就是分析能力相当强大的CAE软件系统，不仅对强度曲轴，它也可以用在许多其它类型的，如各种结构，流体和具有问题的电磁场的非线性问题的分析中使用。2）ANSYS软件介绍博士JohnSv、-anson创立ANSYS公司于1970年,总部位于宾夕法尼亚州匹兹堡市,ANSYS有限元程序是公司的主要产品。ANSYS软件是集结构，热，流体，电磁，声，于一身的大型通用有限元分析软件，可广泛应用在核工业，铁路，石油化工，航空航天，机械制造，能源，交通，国防，造船，电子，土木工程，生物医药，轻工，矿山，水利，家电等一般工业及科学研究。尽管ANSYS程序功能强大，应用范围很广，但其友好的图形用户界面（GUI）及优秀的程序构架使其易学易用。该方案采用方便地访问SYS为基础的耐OT如果标准GUI各种控制功能和选项。你和我可以很容易地通过交互式GUI程序，命令，用户手册和资源访问各种功能。与此同时,软件提供了一个完整的在线指令和超文本方式帮助系统,为了帮助有经验的用户在先进的应用程序。ANSYS软件是罕见的核工业由美国委员会（NRC）的大型通用有限元分析软件QC认证，首家通过压力容器的中国标准化技术委员会，并根据17部委认证的国家国务院，ANSYS软件后数年前进入中国，20％的年增长速度，以高等院校，科研，企业，事业单位的机构。3）ANSYS软件的结构(1)处理器ANSYS按功能模块分为9个处理器，这些处理器分别执行不同的任务。只要按照步骤,很容易建立自己的分析任务,得到解决方案。有两种方法进入处理器，图形用户交互方式和命令方式。(2)文件格式输入当创建一个分析任务时，ANSYS软件将会自动创建大量文件，这些文件的任务通过添加字符命令该任务的文件名或不同类型的文件的识别要用不同的扩展名。在所有导入模型文件格式中，UG格式的模型一般在ANSYS中划分网格的时候出错的几率比较大，而用SolidWorks建模直接导入ANSYS中问题出的很少，所以推荐使用SolidWorks建模。从而方便划分网格和分析计算。(3)输入方式ANSYS提供了很多种输入方式，人性化的分析任务栏：主菜单模式，功能，快捷键，模式和命令模式，或这些方法的组合。ANSYS中快捷键输入方式，有很多，界面操作也很方便。单元模块，材料属性，网格划分，计算分析模块都能方便操作。输入方式中主菜单模式，可以直接键盘输入；而命令方式可以直接在命令栏中输入命令。1.2有限元方法1.2.1计算模型曲轴是空间组件,从模型近似的逼近实际模型和应力分布规律的逼近，三维有限元分析法最为理想。有限元网格划分,不影响曲轴尺寸的圆角，倒角可以忽略不计，有圆角和表面过渡处应力集中区域需网格加密。常用的两种方法:一是在应力集中区域直接加密网格;另一种是使用粗网格计算,然后拿出一块局部区域进行应力集中的细化计算。1.2.2边界条件处理（1）负载边界条件集中在表面力对主轴轴颈的作用和曲柄销的作用。最初的计算，以集中力作用在主轴颈的形式。现在基本上是一个连续梁的方法来计算，并设定作用在轴颈的负载被分布负载如图1-1所示，在轴方向均匀或抛物线分布，120°圆周方向余弦分布。利用三维有限元方法特别用于接触与连杆轴颈关系进行了分析，得到的结论是：在沿曲柄销的轴线的接触力的接触面的尺寸不同圆周接触角，更靠近中间接触表面，接触角小，较大的接触力[4]。（2）曲轴的支承情况很复杂,一般把主轴承视为刚性，对主轴颈施加刚性约束。图1-1曲轴的负载边界条件1.3UG软件介绍1.3.1UG软件概述UG（Unigraphics

NX）是EDS公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics

NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。1.3.2UG软件的基本功能1、工业设计和风格造型NX为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。利用NX建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状，并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。2、产品设计NX包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。NX具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。NX优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。3、仿真、确认和优化NX允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能，制造商可以改善产品质量，同时减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建，以及对变更周期的依赖。4、NC加工UGNX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架，它为UGNX所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等。该模块同时提供通用的点位加工编程功能，可用于钻孔、攻丝和镗孔等加工编程。该模块交互界面可按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁，并可定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使初加工、半精加工、精加工等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺。UG软件所有模块都可在实体模型上直接生成加工程序，并保持与实体模型全相关。UGNX的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有主流NC机床和加工中心，该模块在多年的应用实践中已被证明适用于2～5轴或更多轴的铣削加工、2～4轴的车削加工和电火花线切割。5、模具设计UG是当今较为流行的一种模具设计软件，主要是因为其功能强大。模具设计的流程很多，其中分模就是其中关建的一步。分模有两种：一种是自动的，另一种是手动的，当然也不是纯粹的手动，也要用到自动分模工具条的命令，即模具导向。自动分模的过程(1)分析产品，定位坐标，使Z轴方向和脱模方向一致。(2)塑模部件验证，设置颜色面。(3)补靠破孔(4)拉出分型面(5)抽取颜色面，将其与分型面和补孔的片体缝合，使之成为一个片体。(6)做箱体包裹整个产品，用5缝好的片体分割。(7)分出上下模具后，看是那个与产品重合，重合的那边用产品求差就可以了。手动分模的步骤就大概就这样，手动分模具有很大的优势，是利用MOLDWIZARD分模所达不到的，在现场自动分模基本上是行不通。但是里面的命令是比较的好用的，我们可以用的有关命令来提高我们的工作效率。1.4小结本章阐述了曲轴强度研究的现状，介绍了有限元分析曲轴强度的方法及本文中使用的计算软件－ANSYS，并对本篇论文的主要工作做了简要介绍，并对ANSYS软件的发展、软件的用途、输入方式、输出方式等一些列类容做了简要的陈述；并且对UG软件做了一部分概述，以及主要的功能，而本篇论文主要涉及UG中的模型的建立。2曲轴实体模型的建立2.1发动机曲轴的设计参数考虑到整体式曲轴的受力分析要用到结构力学的三弯矩方程，所以本论文对某单缸发动机做曲轴的静强度有限元分析。针对某单缸发动机曲轴的设计参数如表2-1所示：表2-1曲轴的设计参数气缸数1标定转速3600r/min活塞直径D65mm连杆中心距L84mm连杆总质量m0．325kg活塞和活塞环总质量m0．39kg曲柄半径R22.5mm曲臂厚度h17mm过渡圆角半径2mm主轴颈直径d25mm连杆轴颈半径r15mm连杆质心到大头中心距L4.5mm连杆比λ0.268爆发压力4MPa主轴颈长度25mm曲柄销直径30mm曲柄销长度17mm根据表中曲轴的各方面数据在UG中对曲轴进行模型的建立得到下图2-1：图2-1曲轴的三维模型图2.2曲轴的设计要求（1）的曲轴扭转阻尼器的前部安装一般，各种辅助装置，例如发动机油泵，冷却水泵等，通过齿轮或滑轮安装在驱动器的前部，所述气门正时齿轮也装在前面的曲轴。（2）为了防止曲轴的轴向位移，之间的曲轴身体需要设定一个推力轴承，所述离合器的轴向推力的轴向分量和螺旋齿轮产生的。通常情况下，推力轴承侧面或中心轴承皇帝两侧轴承布置。推轴承间隙收盘大多0.05-0.2mm。（3）主轴颈的曲轴的曲率半径R大的弯曲疲劳强度的曲柄臂，用于提高曲轴的疲劳强度增加鱼片是非常有益的，但对表面耐磨损性有不利的影响，以保证穿境而采取的最大圆角。总则不小于2mm，否则就不能进行处理。2.3本章小结本章对所选曲轴内型，以及该型曲轴的设计参数，以及在设计曲轴时所应注意的要求等，做了简明扼要的说明。3曲轴强度的单体有限元分析ANSYS分析过程包含三个主要的步骤:（1）创建有限元模型1）创建几何模型;2）定义材料属性;3）划分网格(节点及单元)。（2）曲轴边界条件的计算，施加载荷并求解1）曲轴边界条件的计算；2）对构件约束及载荷的施加;3）求解。（3）查看结果1）查看分析结果;2）检验结果(分析是否正确)。3.1创建有限元模型3.1.1创建有限元模型曲轴强度的有限元计算,根据曲轴的结构特点,载荷分布和分析的目的,使用不同的计算模型。三维有限元分析采用的计算模型一般有3种。第1种为1／4或半曲拐模型。它主要考虑弯曲荷载的影响,认为曲轴的形状和负载相对曲柄对称面。第2种为单拐模型。它分析曲轴上受载荷最严重的单个曲拐，优点在于计算规模小。但这种方法很难确定主轴颈正确细分表面边界条件,细分表面接近过渡圆角会影响计算精度的准确性。第3种方法应用整体曲轴模型，这是最现实的曲轴有限元分析模型的计算精度最高,但规模计算,它在常规条件下是很难计算的。为了计算整体曲轴模型，我们需要对模型作一定程度的简化，忽略小的影响因素，突出主要影响因素。由于计算机技术的不断提高,可以方便计算三维曲轴整体有限元分析模型。首先,根据曲轴图纸使用CAD软件UG三维建模、特定的建模,因为曲轴形状构造的复杂性,在限元软件中建模（毕竟不是专业的建模软件）将会很难保证和利用曲轴结构相同。为了减少应力集中，曲轴上不同曲表面的结合处都有倒角，但是如果在建模时考虑这些倒角和油孔，将会造成非常密集的网格，从而造成很多的单元网格，计算机在每个网格上花费的时间一样的话，则增加了计算时间。由于单元过于密集造成单元网格不规范，计算精度大打折扣。由以上原因可知仅考虑主轴颈，曲轴轴颈与曲臂连接处的过渡圆角。CAD模型的导入有三种方式：IGES格式模型的导入、X-T格式模型的导入和SAT格式模型的导入。本文采用X-T格式模型的导入。用户可以直接在Ansys中建立模型。当然，作为一种可供替换的方案，也可以先在用户擅长的CAD系统里建立实体模型，把模型存为Ansys可以导入的格式文件，然后把这个模型输入到Ansys中。使用下面的GUI可以实现把x-t格式的模型导入到ANSYS中。GUI：File→Import→PARA首先要将使用UG画好的三维图另存为ANSYS软件可以识别的X-T格式，如图3-1所示。然后执行操作GUI：File→Import→PARA，在图3-2导入X-T的对话框中选择需要导入的模型，最后点击Ok即可。将CAD模型成功导入ANSYS中，将如图3-3所示:图3-1格式转换图3-2导入X-T的对话框图3-3CAD模型成功导入Ansys中图3-4实体模型转换图3-5实体模型转换对话框图3-6导入ANSYS后的实体模型保存所得模型，执行GUI操作：File→Saveas在弹出对话框将模型命名为QUZHOU.db3.1.2定义材料属性及划分网格1、定义单元类型本文采用常用的三维8节点实体单元－SOLID185，SOLID185具有二次的位移函数，与SOLID9520节点的正方体单元兼容。该单元为8节点,每个节点有三个自由度:X,Y,Z方向的角度。SOLID185单元与塑料、蠕变、辐射、扩张压力增强,大变形和大应变特征,除了节点坐标,SOLID185单元还需要输入正确的材料属性。材料的正交异性方向与单元坐标方向一致。定义单元类型具体操作：GUI：MainMenu→Preferences→ElementType→Add/Edit/Delete，在弹出的对话框中点击Add，弹出LibraryofElementTypes对话框，选择Solid→8node185，然后点击Ok键，关闭ElementTypes对话框。如图3-7所示。3-7选择单元类型对话框2、定义材料属性将建好的实体模型以.prt格式导入ANSYS进行网格划分。通过两种不同材料的曲轴的计算来说明不同材料的曲轴静强度的影响是不同的,两种材料分别为40cr、QT800-2和球墨铸铁。2种材料的主要特征常数如表2-1所示[6]。表2-1曲轴材料的主要特征常数材料抗拉强度极限弹性模量泊松比40Cr900206.80.29QT800-2800169.00.286具体GUI操作：MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels，在弹出的对话框中选择Structural→Linear→Elastic→Isotropic，设置材料的弹性模量EX为2.068xe11Pa，泊松比为0.29。定义材料密度GUI操作：Structural→Linear→Elastic→Density，设置材料的密度DENS为7850Kg/m3，具体如图3-8、图3-9所示。图3-8弹性模量及泊松比对话框图3-9密度对话框3、网格划分在前两步的基础上划分网格，GUI：MainMenu→Preprocessor→Meshing→MeshTool，在MeshTool对话框勾选SmartSize，选择3级精度，点击Mesh按钮，出现MeshVolumes对话框，点击PickAll，点击Ok。如图3-10所示。划分网格完成后的模型如图3-11所示。图3-10网格划分对话框图3-11单拐曲轴的网格划分图3.2曲轴边界条件的计算，施加载荷并求解3.2.1曲轴边界条件的计算曲轴的工作条件是在不断周期性变化的缸内做工的内能、往复运动的连杆的惯性力，还有旋转的曲柄销等旋转惯性力，等一些列复杂的工作环境。曲轴的变形形式有很多，最主要的是弯曲变形和扭转变形。由大量实验数据可知，最主要形式为弯曲变形，本论文主要涉及弯曲变形。所以作用在曲轴上的横力（横力弯曲）主要有3种[7-9]。活塞、活塞环、连杆等作用在曲轴上的气体压力（方向垂直曲柄销向下)P=-Dp=13273.23N（3-1）连杆和活塞组在整个1/4个行程中的往复惯性力P=m(1+)R=384.31N（3-2）P=m(1+)R=1581.17N（3-3）旋转的连杆大头的旋转惯性力P=mR=886.08N（3-4）曲轴所受最大的压力载荷，在做功冲程开始上止点附近(着火后)，其值为Q=P-=10421.67N（3-5）曲轴所受的最大拉伸载荷，在进气冲程开始的上止点（排气终了进气开始），其值为2851.56N（3-6）如上所述的2中最大压力所对应的2种工况如下所示，如图3-12所示。图3-12曲轴2种计算工况示意图由销轴受力可知，忽略曲面过渡处的应力影响，设力边界条件为：载荷沿曲柄销轴线方向按二次抛物线规律分布；沿曲柄销圆周120˚范围内按余弦规律分布[10-12]，受力情况如图3-13所示：图3-13曲轴轴颈压力分布图沿曲轴轴曲线方向的压力分布曲线方程为：（3-7）设轴向受力长度为2L，将z=-L，将L代入式(3-7)得（3-8）（3-9）又当x=0时，z=，所以c=，代入式(3-8)、(3-9)得：又（3-10）式(3-10)中：为作用在曲柄销上的总的压力载荷。因（3-11）（3-12）式(3-12)代入式(3-11)得沿曲柄销圆周方向的压力方程为（3-13）式中：3.2.2施加载荷及载荷选项、设定约束条件（1）在ANSYS里面建立如式(3-13)所示的力场。根据上面的公式有效的分布,每个离散单元可以获得的应力,然后分配给每个节点,边界等效节点力。由于曲柄销上的单元很多，节点很多，分配到每个节点的话计算很复杂的且不容易实现。因此我们需要对载荷进行简单处理，及运用ANSYS中分布载荷作用在曲柄销上下圆周方向120˚范围内的压力[13-15]。对曲柄销的圆周方向上下120˚范围内加载如上所示压力值。（2）在曲轴两侧主轴颈处施加约束。对曲轴两主轴轴颈分别约束住x，y，z3个方向的位移。从而保留了x方向的转动自由度，符合实际工作情况。所有的约束如图所示天蓝色紫色区域所示,这是程序自动将其转化为相应的节点的约束的效果。（3）约束具体操作步骤为GUI：MainMenu→Preprocessor→Loads→DefineLoads→Apply→Structural→Displament→OnAreas，弹出一对话框，选择相应的面，然后点击Ok，如图3-14所示。然后在弹出的AppyU,ROTonAreas对话框（如图3-15所示）图3-14面选取示意图图3-15自由度约束对话框载荷的施加MainMenu→Preprocessor→Loads→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnAreas，弹出一对话框，选择相应的面如图3-16所示，然后点击Ok，输入数据。3-16载荷的施加示意图综上所述对于2种计算工况对应的边界条件如图3-17（1）、（2）所示。连杆轴颈处是施加载荷区域，主轴颈区域是施加位移约束区域。(1)曲轴压工况对应的边界条件(2)曲轴拉工况对应的边界条件图3-17两种工况对应的边界条件

4两种材料分析计算结果针对2个不同工况，当运动中的曲柄位于进气冲程上死点（排气末了及进气开始）时，曲柄销受最大合成拉力作用。当曲柄位于爆发冲程上死点附近（做工开始点火后）时，曲柄销受最大合成压力的作用，分别对2种工况进行计算并施加载荷。对轴颈圆周方向120°包角的分布力，对曲轴两主轴轴颈限制x、y、z方向的自由度过后，从而保留了z方向的转动自由度。对拉压工况下采用轴颈圆周方向上下包角120°的面载荷进行加载。保证以上约束条件，和加载方式，从而更好地模拟实际的曲轴工作环境，从而减少分析误差。4.1变形应力云图采用40Cr材料的曲轴压工况，约束条件为两同时限制x、y、z自由度，加载方式为曲柄销上方120˚包角压力。主轴颈应力云图如图4-1、所示：图4-1采用40Cr材料的压工况应力云图采用40Cr材料的曲轴压工况变形云图如图4-2所示：图4-2采用40Cr材料的压工况变形云图采用40Cr材料的曲轴拉工况，约束条件为两同时限制x、y、z自由度，加载方式为曲柄销下方120˚包角压力。应力云图如图4-3所示：图4-3采用40Cr材料的拉工况应力云图采用40Cr材料的曲轴拉工况变形云图如图4-4所示：图4-4采用40Cr材料的拉工况变形云图采用QT800-2材料的曲轴拉工况，约束条件为两同时限制x、y、z自由度，加载方式为曲柄销下方120˚包角压力。应力云图如图4-5所示：图4-5采用QT800-2材料的拉工况应力云图采用QT800-2材料的曲轴拉工况变形云图如图4-6所示：图4-6采用QT800-2材料的拉工况变形云图采用QT800-2材料的曲轴压工况，约束条件为两同时限制x、y、z自由度，加载方式为曲柄销上方120˚包角压力。应力云图如图4-7所示：图4-7采用QT800-2材料的压工况应力云图采用QT800-2材料的曲轴压工况变形云图如图4-8所示：图4-8采用QT800-2材料的压工况变形云图4.2数据整理及结果分析（1）计算结果如表4-1所示：4-1两种材料在两种工况下静强度及扰度最大值（1）两种材料在两种工况下静强度最大值（Mpa)材料工况拉工况压工况40Cr181272QT800-2181279（2）两种材料在两种工况下挠度度最大值（mm)材料工况拉工况压工况40Cr0.01890.0245QT800-20.02310.02622种材料所受到的最大应力值和出现最大应力值的部位是相同的。压工况的最大应力值是279MPa，拉工况的最大应力值是-181MPa。对曲轴弯曲变形下的扰度可知压工况最大0.0262mm，拉工况最大0.0231mm，材料均为QT800-2而曲轴最大许用扰度计算式为：（4-1）（L-为主轴颈跨距）（2）有限元计算结果显示，应力最大的区域集中在曲轴主轴颈靠近曲拐两侧过渡圆角处。最大变形量为曲柄销中部。对曲轴进行静强度安全系数校核。以及变形量安全系数校核可知。由静强度计算公式可得表4-2所示：表4-2两种材料静强度安全系数材料计算所得安全系数许用强度安全系数40Cr3.232-2.5QT8002.872.5由变形量安全系数计算公式可知：可得表4-3所示：表4-3材料QT800-2两种工况变形安全系数工况计算所得安全系数许用强度安全系数压工况1.962拉工况2.232从表4-2可知这2种材料在两种工况下静强度，以及表4-3中材料QT800-2在两种工况下的变形量都满足设计要求，但QT800-2压工况下，变形量略低于许用安全系数。相对而言两种曲轴材料40Cr作为曲轴的材料更为安全一些。结论1)针对某单缸发动机曲轴发生断裂的情况，利用CAD软件UG对其进行三维实体建模，再利用CAE软件ANSYS进行了有限元分析。2)计算了QT800-2和40Cr2种材料的曲轴在最大载