4125A型柴油机曲轴结构有限元模态分析毕业设计论文.docx

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4125A型柴油机曲轴结构有限元模态分析毕业设计论文

毕业设计（论文）

课题名称4125A型柴油机曲轴结构有限元模态分析

摘要

曲轴是发动机的主要受力构件之一，也是发动机重要的构成部件，其尺寸和参数决定着发动机整体构成以及其性能和机构尺寸与发动机的寿命和可靠性。

曲轴的工作环境决定曲轴受力比较复杂，曲轴不仅要受压力，惯性力还要受弯矩，由于曲轴受力比较复杂，所以在对曲轴进行设计时要求也比较高。

为了避免曲轴在工作时发生共振，导致曲轴失效需要对曲轴进行模态分析，这样可以求出曲轴共振频率，以及曲轴在工作时的振型及其载荷的变化规律，从而在设计时可以规避共振对曲轴损坏，这对提高曲轴的寿命和可靠性是很有效的。

该课题研究的是4125A型柴油机曲轴有限元分析。

通过ANSYS有限元分析软件对此柴油机的曲轴进行建模然后进行静力学分析和模态分析，由此可以了解曲轴在工作时所受的工作载荷，以及工作危险截面和曲轴工作的共振频率、振型。

这样可以了解曲轴的实际工作情况，就可以在进行曲轴设计时合理的安排曲轴的结构和尺寸，在设计时采取各种措施提高曲轴危险截面的强度更好的规避曲轴的共振区间，以提高曲轴设计和工作的可靠性，减少开发周期，从而提高柴油机曲轴的设计质量。

1.运用ANSYS14.0建立曲轴的三维实体模型以及确定网格单元的相关参数

类型。

2.先在ANSYS中确定网格划分精度和网格划分密度等，然后对所建立的三

维实体模型进行网格划分，限制模型的自由度以及对其进行加载力。

3.用ANSYS中的相关模块对所建立的三维实体模型进行静力学分析和模

分析，就可以的得到相应的结果

关键字：

曲轴；模态分析；有限元分析

ABSTRACT

Crankshaftisoneofthemaincomponentsoftheengineandtheimportantengineofthestresscomponents,thesizeandparametersdeterminesengineoverallstructure,performanceandorganizationsizeandenginelifeandreliability.Crankshaftworkingenvironmentdecidedtoentertainthecrankshaftcomplex,thecrankshaftmustnotonlypressure,inertiaforcebutalsobythemoment,becausethecrankshaftacceptmorecomplex,sointhedesignofthecrankshaftrequirementsarerelativelyhigh,inordertoavoidshowingoffthecrankshaftatworkwhenresonanceoccurs,resultinginfailureofthecrankshafttothemodalanalysisofthecrankshaft,sothatwecanfindtheresonancefrequencyofthecrankshaft,andcrankshaftatworkandthemodeofvibrationloadvariation,whichinthedesigncanavoidresonanceofcrankshaftdamage,whichtoimprovetheservicelifeandthereliabilityofthecrankshaftisveryeffective.

Thepaperisonthestudyof4125Adieselenginecrankshaftfiniteelementanalysis.ThroughthefiniteelementanalysissoftwareANSYSinthisregarddieselenginecrankshaftmodelingandstaticanalysisandmodalanalysis,thenwecanknowtheworkloadofcrankshaft,anddangerousworksectionandcrankshaftofresonancefrequency,vibrationmode.Thustheactualworkingconditionofcrankshaftcanbeinforthecrankshaftdesignreasonablearrangementofthecrankshaftstructureandsizetoimprovethecrankshaftdesignandworkingreliability,Atdesigntime,takevariousmeasurestoimprovethestrengthofcrankshaftresonanceintervaltoavoidthedangeroussectionofthecrankshaft，reducethedevelopmentcycle，Soastoimprovethedesignqualityofthecrankshaftofthedieselengine.

（1）TheuseofANSYS14.0tobuildthree-dimensionalmodelofthecrankshaftandthe

parameterdeterminationunitandgridtype.

（2）firstinANSYSdeterminethemeshingaccuracyandmeshdensity,thencarrieson

thegriddivisionofthethree-dimensionalsolidmodelestablished,therestrictedmodeldegreesoffreedomandtheforloading.

（3）UsingANSYSmodulein3Dmodelbasedonthestaticanalysisandmodal

analysis.

Keywords:

Crankshaft;ModalAnalysis;Finiteelementanalysis

在ANSYS中对所建立的三维实体模型进行网格划分，限

1绪论

1.1现代设计理论和方法在柴油机设计中的应用

柴油机是所有热机中热效率最高的，也是当今人类社会中应用最广的一种热机，它广泛地应用于包括汽车在内的各个领域。

近年来，由于市场激烈的竞争，许多企业希望通过提高转速和增压等各种方法来提高柴油机的动力性能指标，以及改善它的经济性和排放性能等指标。

在对通用非增压柴油机进行增压改进时，首先考虑的是原发动机主要受力零部件的结构强度以及动力性能是否满足增压的要求，这要求柴油机厂商通过技术积累以及结合国内外先进技术来提高自己的设计和制造水平。

当下市场竞争越来越激烈，这就要求不断退出性能更高的产品并且缩短自身产品开发周期，以满足市场需求。

同时，为了提高产品质量以及降低生产成本，再设计产品时需做大量的分析实验和数据的处理，这都增加了设计的工作量，依靠传统手段进行分析和设计是不能满足现代设计要求的。

所以当前各大发动机生产厂商在做产品设计时，大量采用现代设计理论和方法[1]。

柴油机设计的一个基本要求便是要保证其主要零部件在设计的使用期限内可靠的工作，同时又尽可能的减小柴油机的体积、重量。

为了达到这一要求，就需要在设计过程中评估柴油机各个零部件的强度性能以及其可靠性，这就需要掌握零件的热负荷和机械负荷等性能以及其应力、应变的情况。

传统设计方法的特点有：

静态的、手工式的、经验的，而现代设计方法具有科学和动态特点。

这就是说，传统设计方法是被动的和重复的分析产品性能，而现代设计方法则可能做到主动的设计产品和参数[2]。

现代柴油机设计的重点应放在综合应用现代设计方法和理论，将复杂的柴油机工程问题抽象出来，然后建立该工程问题的物理和数学模型，并通过在计算机上进行分析、模拟实际的工程状况，这样就可以在设计阶段就将柴油机产品的性能以及未来产品品质确定下来。

而无需试制出产品在检验产品的性能，现代设计方法和理论中的有限元分析技术和模态分析在柴油机设计上得到了不同程度的应用[3]。

随着计算机技术、数值计算方法以及有限元分析软件的发展。

当前的国内外软件已经从单纯的结构设计，发展到变量设计和参数化设计阶段，在建立机体模型时所需要花费的时间较少，大部分设计时间是用在对原机体进行调整和修改，利用3DCAD技术可大大提高设计的效率，曲轴的三维实体模型不但可以对曲轴进行静力学分析，还可以进行动力学分析计算，并且可以方便的转化为二维的工程图[4]。

1.2柴油机曲轴有限元分析的目的和意义

目前，柴油机设计应用更加向着大功率、高转速、轻质量的方向发展，与此同时它的刚度也不断减小，这使得曲轴等零部件的振动更加剧烈了，这直接影响了柴油机的可靠性和寿命。

所以在柴油机进行产品设计开发过程中对其进行强度分析和模态分析就成为设计过程中必不可少的环节，因此，对柴油机进行动态特性的研究，揭示出外界振源与结构本身固有特性之间的关系具有重要的意义[5]。

这向产品设计人员设计出低振动、高强度的柴油机提供了理论基础。

曲轴是柴油机的重要部件之一，其尺寸参数在很大程度上影响着柴油机整体的尺寸和重量，曲轴也在很大程度上决定了柴油机的寿命和可靠性，且曲轴承担着在柴油机中承担着燃料化学能向动能转换的功能，因此，改善曲轴的性能在柴油机设计与改进中占有很重要的地位。

曲轴也是柴油机中受力最复杂的零件，它承受着气缸内气体作用力、旋转运动惯性力以及往复运动惯性力引起的周期性变化载荷且要对外输出扭矩，所以曲轴要承受交变的扭转、弯曲和压缩的复合应力，同时还会产生扭转振动和弯曲振动。

在周期性交变载荷的作用下，曲轴在柴油机工作频率会内产生共振、附加动态应力，导致曲轴过早的出现扭转疲劳破坏和弯曲疲劳破坏。

掌握曲轴在工作过程中载荷变化规律和振动规律，对提高曲轴寿命和可靠性具有十分重要的意义。

1.3柴油机曲轴有限元分析国内外研究现状

当今世界科学技术飞速发展，汽车工业作为技术和知识密集型产业一直都是技术发展及应用的最前端。

随着计算机技术的发展，利用有限元方法解决结构静、动态特性分析计算成为一种有效的辅助设计的手段与方法[6]。

有限元方法是结构分析的一种数值方法，随着计算机的发展应运而生，并得到了广泛应用[7]。

有限元方法是结构分析的一种计算方法，它是矩阵方法在结构动力学和弹性力学领域的应用和发展，它的基本思想是将弹性体划分为有限个计算单元，并对每个单元用有限个参数来描述其力学特性，而整个连续弹性体的力学特性可以认为是这些小单元力学特性总和，由此建立起连续体的力平衡关系，这种方法常用于复杂弹性振动系统[8]。

作为一种现代设计方法，有限元技术越来越广泛地应用于汽车设计工程领域。

由于其具有较高的简单的应用方法和广阔的计算能力深受工程界的欢迎，也是最有效的强度计算方法[9]。

柴油机零部件设计是有限元技术最早应用的领域之一[10]。

在发达国家和地区有限元技术早已成为一种基本的设计手段，如在柴油机产品开发中，有限元技术的应用提高了柴油机零部件设计的可靠性，缩短了设计周期，大大推动了柴油机工业的发展[11]。

尽管目前柴油机有限元技术应用有了较大的进展，但在实际应用中也存在许多的问题，主要有：

（1）采用特定类型的单元进行有限元分析时，计算精度和网格的密度之间没有可供参考的量化关系。

但对复杂的缸盖、机体等分析模型，通常情况下，硬件资源很难达到所要计算的要求。

今后，对特定的分析课题，这方面的研究具有重要的选题价值[12]。

（2）对大多数几何结构复杂的零件如曲轴等，自动生成的有限元网格一般为四面体单元（该种单元精度不高），要达到一定的计算精度则网格必须具有相当的密度或提高单元的阶次，这样增大了计算量。

六面体的使用可以在较小的计算规模下达到较高的计算精度，但这种单元的网格自动划分是比较困难的。

复杂零部件六面体单元的完全自动划分仍是有限元前处理技术方面一个很有意义的课题[13]。

（3）柴油机曲轴的工作状态一般都比较复杂，全面准确地确定它的边界条件非常困难，特别是作动态分析，确定诸如激励等边界条件时，问题更为突出。

另外，对铸造件的分析，铸造残余应力的确定无论从理论计算上还是实验都存在一定困难，影响此类零部件的分析精度[14]。

（4）基于有限元法的优化分析是近年来CAA（计算机辅助分析）领域的一项重要研究课题。

有限元方法已经成为结构优化设计中常用方法。

但是由于优化分析往往需要大量的迭代计算，特别是对于最具工程实用意义的CAD技术，在几何结构优化设计的迭代过程中需要重构有限元模型，这样一方面增加了计算量，另一方面几何量变化后有限元模型的重新生成存在困难[15]。

但其分析结果能到满足生产实际的要求。

1.4本论文的研究内容

该课题研究的是4125A型柴油机曲轴有限元分析。

通过ANSYS有限元分析软件对此柴油机的曲轴进行建模然后进行静力学分析和模态分析，由此可以了解曲轴在工作时所受的工作载荷，以及工作危险截面和曲轴工作的共振频率、振型。

这样可以了解曲轴的实际工作情况，就可以在进行曲轴设计时合理的安排曲轴的结构和尺寸，在设计时采取各种措施提高曲轴危险截面的强度更好的规避曲轴的共振区间，以提高曲轴设计和工作的可靠性，减少开发周期，从而提高柴油机曲轴的设计质量。

在本课题研究是所做的具体工作如下：

1.运用ANSYS14.0建立曲轴的三维实体模型以及确定网格单元的相关参数

类型。

2.用ANSYS中的相关模块对所建立的三维实体模型进行静力学分析和模

分析,就可以的得到相应的结果。

3.先在ANSYS中确定网格划分精度和网格划分密度等，然后对所建立的三

维实体模型进行网格划分，限制模型的自由度以及对其进行加载力。

2有限元理论及其分析软件

2.1有限元分析法

2.1.1弹性力学基本假设

由于结构有限元分析是以弹性力学为理论基础的，它必然遵守弹性力学的基本假设[11]：

（1）连续性假设：

组成固体的物质不留空隙地充满固体的体积，这样才能保证应力、应变、位移等物理量作为位置的连续函数表示它们的变化规律。

（2）匀质性假设：

整个固体内到处有相同的物理性质，这样才能保证各点具有相同的弹性。

（3）各向同性假设：

物体在各个方向都具有相同的物理性质，这样才能保证在每个方向上都有相同的弹性。

（4）完全弹性假设：

载荷取出后变形的物体能够完全恢复原形而没有任何剩余变形量，这样才能保证单元的应力、应变符合胡克定律。

2.1.2有限元法的基本原理

实体离散化是有限元法的基本思想，也就是把弹性连续体分割为有限个实体单元，并且这些单元之间仅在节点处相连。

根据物体的几何形状特征、边界约束特征、载荷特征等，单元有各种类型，节点一般在单元边界上，节点的位移分量作为结构的基本未知量。

这样就组成有限单元集合体，并引进节点约束条件与等效节点力，因为节点数目有限，就将原来的无限多自由度的不间断的实体等效转换成有限多自由度的有限元计算模型。

2.2ANSYS软件的介绍

ANSYS软件是由20世纪70年代诞生的美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computerAideddesign）软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等

ANSYS是一个功能强大的设计分析以及优化并集热、流体、电磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件之一。

自20世纪70年代诞生以来，伴随着计算机技术和有限元思想的快速发展，以其易操作性、通用性、分析模拟准确使其在生产生活得到了广泛的运用。

ANSYS广泛运用于机械工程、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利工程、国防军工、电子、生物医学科研等领域[16]。

2.3ANSYS14.0的分析流程

（1）分析问题

在有限元分析之前，必须对所分析的问题进行考察：

所分析问题的领域、怎样建模、是否可以简化、载荷是集中载荷还是均匀载荷。

（2）建立分析模型

ANSYS14.0的建模有多种方法：

自上而下建模、自下而上的建模方法、参数化建模、从其他软件中导入。

1）定义单元类型

ANSYS14.0中提供了各种单元类型，如Link、Solid、Beam、Shell等不同的单元类型，我们需要根据分析类型确定单元类型。

2）定义单元常数

单元实常数是由不同的单元类型的特性所决定的，在ANSYS中不一定要定义实常数，需要根据不同的分析问题所确定。

3）定义材料的参数

ANSYS14.0提供的材料特性有：

线性的和非线性的;正交异性的或非弹性的;也有随温度变化的和不随温度变化的，如果定义线弹性材料只需定义其泊松比和杨氏模量。

4）创建几何图形

创建几何图形也就是建模，这是所有分析的前提，所有的分析都需要建立正确地三维模型。

（3）网格划分

网格划分是有限元分析重要的一环，网格化分的质量和精度直接影响计算的精度，所以在划分网格时需要进行网格的质量评估。

（1）施加载荷

1）定义分析类型和分析选项

在进行有限元分析时需要定义合适的分析类型，ANSYS14.0提供了模态分析、静力学分析、瞬态分析、谱分析、屈曲分析和谐响应分析等不同的分析类型。

2）施加载荷

施加载荷是有限元分析的重要组成部分，在ANSYS14.0中有自由度约束、力、表面分布载荷，惯性载荷等。

3）指定载荷步

载荷步是指进行求解的在和配置，指定载荷步就是指对载荷步进行控制。

（2）进行求解

在上面的设置完成后对模型进行相关分析。

（3）观察结果

当ANSYS计算完后就可以通过后处理器对计算结果进行观察、分析和评估。

计算结果可以以不同的形式表现出来如通过云图、图表和曲线等不同的形式表现出来[16]。

图2-1有限元分析流程

2.4影响有限元分析精度的因素

有限元分析精度主要取决于单元尺寸的选取和插值函数阶次，通常情况下，由于所解决实际工程问题一般都比较复杂，不容易确定，所以影响分析结果的因素也比较复杂，主要有：

1）单元类型的选取，不同的单元类型的插值精度和计算量是不同的，采用三维等插值函数精度较高,由于其力学模型更完善,同时计算量也比较大。

2）网格形式，包括网格类型的和网格精度以及网格划分的密度。

但是随着选择的计算精度提高和网格化分密度的细化，模型计算分析也会更复杂，所以在选择网格划分精度和网格划分密度时需要考虑计算机硬件所能达到的计算要求。

2.5提高有限元分析精度地方法

提高有限元分析的精度可以使得分析结果更精确，更符合工程实际，提高有限元分析精度的方法有：

1）充分考虑实际的工程问题，由于建模是会对模型进行简化，就需要确定影响数学物理方程的因素，使所建立的数学模型更合理。

这样才能使分析结果更接近实际。

2）通过各种相关软件建立更精确合理的三维实体模型，不同的软件对所建模操作复杂程度不同，选择操作简便，建模精度高的软件，以减小不合理模型对结果的影响。

3）通过理论分析确定合理的边界条件以及合理的加载边界条件，由于不同的模型在分析时边界条件和所受载荷差异较大，所以需认真分析模型的边界条件和所受载荷。

使模拟结果更精确。

4）通过材料实验，确定材料常数在不同条件下的变化情况。

5）选用更精确地差值函数,提高插值精度，不同的差值函数精度是不同的，阶数越高精度越高，但选择时需要考虑硬件水平。

6）合理安排精度和计算规模的协调问题。

3柴油机曲轴三维模型的建立

3.14125A型柴油机曲轴简介

本课题研究的是4125A型柴油机曲轴，相比于单缸机四缸柴油机稳定性好，同时柴油机燃油效率高，并且四缸机设计制造技术比较成熟，所以该曲轴广泛用于汽车、船舶等机械领域。

3.2曲轴三维实体模型相关参数

表3.1曲轴的基本参数

主轴颈直径：

85mm

连杆轴颈直径：

85mm

曲柄壁厚b：

23mm

曲柄宽度L：

132mm

曲柄半径d：

76mm

主轴颈长度l：

50mm

连杆轴颈长度：

50mm

缸径D：

125mm

最大爆发力：

7.5MPa

转速n：

1500r/min

行程S:

152mm

材料：

45钢

表3.2材料的力学性能

弹性模量

泊松比

密度

抗拉强度

屈服强度

2GPa

0.3

7800

600MPa

355MPa

3.3曲轴建模的准备工作

本课题在对曲轴进行三维建模时，在满足课题研究的前提下，结合实际生产生活对曲轴模型做了相应的简化工作，在简化后的模型中没有平衡重、曲柄的形状也简化成在建模时比较容易创建的形状以及曲轴上相应的润滑油孔也省略了，这些对曲轴模型的简化的措施会使建模过程简单易控，但会使课题的研究结果偏离实际，会导致曲轴的刚度降低，从而使得曲轴共振频率区间向下移，（当前，发动机朝着高转速的方向发展，通过提高发动机转速来提高发动机功率是一种常用的措施，这使得发动机的工作转速范围更广。

）建模过程中省略了平衡重也会加剧曲轴的振动，降低曲轴的使用寿命。

所以实际生产生活中可以通过改善曲轴的结构等措施尽可能的提高曲轴的刚度以提高曲轴的共振频率以及通过添加平衡重防止在曲轴的工作转速下发生共振，导致曲轴的失效，提高发动机的使用寿命。

曲轴的实体模型如下图:

图3.1曲轴实体

图3.2曲柄侧向简图

上图中L为曲柄宽度且L=132，

因为d1=85mmd2=85mmd=76mm

又因为

（3.1）

所以

（3.2）

这样就可以确定主轴颈和连杆轴颈相对于曲柄中心的位置，这是曲轴建模所必需的计算数据。

3.4曲轴有限元模型的建立

3.4.1ANSYS软件建模的介绍

ANSYS程序为用户提供了四种模型生成方法：

直接生成法、在ANSYS中创建实体模型、在计算机辅助设计（CAD）系统建模、参数化建模。

（1）直接生成法

直接建模方法是指直接在ANSYS中建立有限元模型，而不必先建几何模型。

其方法与较早编制的程序系统基本相同，即先对结构进行节点和单元编号，然后输入节点坐标，这种方法是直接建立节点和单元的编号，从而建立有限元模型。

这种方法对于小型简单模型生成比较方便，但是对于大型复杂模型的建模非常复杂，且对于3D实体模型靠人工去划分网格容易出错。

（2）在ANSYS中创建实体模型

实体模型在ANSYS程序中包括两种建模方法：

1）自底向上构造实体模型。

这种方法按照点、线、面、体的顺序来创建模型

首先建立点，再由点生成线，然后由线组成面，最后由面生成体。

2）自顶向下构造实体模型。

这种生成实体的方法比较高级，在这种方法下

ANSYS在生成一种体素时就会自动生成所有的从属于该体素的