歐陽健

摘要：曲軸是影響柴油機可靠性最關(guān)鍵的零部件，是柴油機曲柄連桿機構(gòu)的主要構(gòu)件及傳力件。本文利用ANSYS軟件對某輕型風(fēng)冷柴油機曲軸進行有限元仿真分析并優(yōu)化，優(yōu)化后曲軸的質(zhì)量由原來的即5209.25g，縮減到現(xiàn)在的即4205.12g，質(zhì)量減少19.28%，體積相應(yīng)少。優(yōu)化結(jié)果表明利用有限元分析軟件ANSYS對曲軸進行有限元仿真分析，對提高曲軸設(shè)計效率，提高曲軸性能，降低曲軸制造成本效果明顯， 對柴油機其他部件參數(shù)性能進行優(yōu)化分析具有借鑒意義。

Abstract： The crankshaft is the most important part that affects the reliability of the diesel engine， and it is the main component and the transmission part of the crank connecting rod mechanism of the diesel engine. In this paper， the finite element simulation analysis and optimization of the crankshaft of a light air-cooled diesel engine are carried out by using ANSYS software. After the optimization， the mass of the crankshaft is reduced from 5209.25g to 4205.12g， 19.28% and the volume is correspondingly less. The optimization results show that the finite element simulation analysis of the crankshaft by using the finite element analysis software ANSYS can improve the design efficiency of the crankshaft， improve the performance of the crankshaft， and reduce the manufacturing cost of the crankshaft. It is of great significance to optimize the performance of other components of the diesel engine.

關(guān)鍵詞：有限元;小型風(fēng)冷柴油機;優(yōu)化設(shè)計

Key words： ANSYS;small air-cooled diesel engine;optimal design

0? 引言

曲軸是影響柴油機可靠性最關(guān)鍵的零部件，是柴油機曲柄連桿機構(gòu)的核心構(gòu)件及傳力件[1]。其功用是把氣缸內(nèi)工質(zhì)爆燃產(chǎn)生的能力通過活塞連桿組件以往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動的形式輸出，不僅要承受缸內(nèi)的氣體力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力、扭轉(zhuǎn)力等的作用，處于一種連續(xù)交變的受力狀態(tài)，環(huán)境惡劣。其可靠性和使用壽命對柴油機可靠性和安全性有很大的影響。隨著對柴油機動力學(xué)性、可靠性和經(jīng)濟性要求的不斷提高，曲柄連桿機構(gòu)的核心構(gòu)件曲軸的工作條件愈加苛刻，其強度和剛度的問題變得更加重要，在設(shè)計時必須對曲軸的結(jié)構(gòu)型式、尺寸參數(shù)、材料與工藝進行優(yōu)化，以求獲得最經(jīng)濟最合理產(chǎn)品[2]。

小型風(fēng)冷柴油機因具有適應(yīng)性強、可靠性高、易輕量化、便于制造維修等優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用[3]。但由于風(fēng)冷柴油機的曲軸熱負荷較水冷柴油機更高，對曲軸的設(shè)計也提出了更高的要求。曲軸傳統(tǒng)的強度計算方法通常采用經(jīng)驗公式計算法或者曲軸類比設(shè)計法，曲軸初步設(shè)計完成后，造出曲軸樣品再進行試驗驗證，通過分析實驗數(shù)據(jù)進行優(yōu)化改進[4]。隨著電子計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足市場的要求，采用現(xiàn)代設(shè)計方法改進曲軸的設(shè)計已成為當(dāng)前最為有效的技術(shù)手段[5]。

為此，本文應(yīng)用soildwork軟件建立某輕型風(fēng)冷柴油機曲軸的研究模型，用Ansys-Workbench軟件進行某輕型風(fēng)冷柴油機曲軸與連桿的接觸應(yīng)力應(yīng)變分析，以獲得曲軸的受載變形情況和強度參數(shù)，其研究結(jié)果對提高曲軸設(shè)計和工作的可靠性，減少開發(fā)周期，從而提高柴油機曲軸的設(shè)計質(zhì)量，并對柴油機曲軸的改進以及優(yōu)化設(shè)計提出一種可靠的研究方法，將對柴油機曲軸質(zhì)量、性能及壽命的提尚具有重要的意義。

1? 計算模型

1.1 曲軸受力分析

圖1為曲柄連桿機構(gòu)簡圖，O為曲軸旋轉(zhuǎn)中心，A為連桿小頭與活塞銷的鉸接點，B為連桿大頭與曲軸的鉸接點。當(dāng)曲柄OB以O(shè)點為圓心做等速旋轉(zhuǎn)運動時，活塞A點沿氣缸中心線做往復(fù)運動，α為曲柄連桿機構(gòu)平面運動時曲柄轉(zhuǎn)角，r為旋轉(zhuǎn)半徑，β為連桿軸線偏離氣缸軸線的角度。具體計算如下：

1.2 有限元模型的建立

采用soildwork軟件建立曲軸的三維實體模型，通過ANSYS19中的Workbench進行有限元分析。柴油機曲軸結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，為簡化計算工作量，對曲軸模型做了相應(yīng)的處理。處理后的曲軸模型中沒有平衡重、省略了倒角、油孔、凸臺、鍵槽、螺紋等，有利于更加詳細地劃分有限元網(wǎng)格，提高計算效率。曲軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2，曲軸模型如圖2所示。

本文所研究柴油機曲軸材料為QT600-3，其材料特性參數(shù)如表3所示，采用的單元類型為Solid186，四面體網(wǎng)格單元長度為10mm，實體模型劃分網(wǎng)格后，曲軸含有35355個單元，21956個節(jié)點，曲軸網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。在主軸頸與機體接觸面施加圓柱面約束（Cylindrical Support）和無摩擦支撐（Frictionless Support），在自由端止推面施加軸向位移約束，在連桿軸徑出施加軸承載荷（BearingLoad），大小等于曲軸受到的最大壓應(yīng)力6376.625N。曲軸施加約束和載荷后模型如圖4所示。

2? 有限元分析

3? 優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)分析曲軸受到最大應(yīng)力集中在主軸頸與曲臂、曲柄銷與曲臂連接處，且最大應(yīng)力都遠小于許用應(yīng)力。所以給予進一步的優(yōu)化設(shè)計提供了改進空間，可對曲軸可做尺寸優(yōu)化，以減輕曲軸的質(zhì)量，降低成本。將曲臂的直徑適當(dāng)減少，曲臂的上倒圓角減小，并減小曲臂長度尺寸，將曲軸主軸頸尺寸加大，并縮小主軸頸直徑。優(yōu)化后曲軸的質(zhì)量由原來的即5209.25g，縮減到現(xiàn)在的即4205.12g，質(zhì)量減少19.28%，體積相應(yīng)少。

再次通過soildwork軟件對新曲軸進行三維實體建模、進行網(wǎng)格劃分和施加載荷，優(yōu)化后加載、約束與優(yōu)化前保持一致。

4? 結(jié)論

通過應(yīng)用Solidworks對曲軸進行三維建模，并運用有限元分析軟件ANSYS進行仿真優(yōu)化，優(yōu)化仿真結(jié)果表明利用有限元分析軟件ANSYS對曲軸進行有限元仿真分析，可獲得較高的可靠性，對提高曲軸設(shè)計效率，提高曲軸性能，降低曲軸制造成本效果明顯?？山梃b于對柴油機其他部件參數(shù)性能進行模擬分析，對柴油機的優(yōu)化設(shè)計是有很大幫助。

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