歐陽(yáng)健

摘要：曲軸是影響柴油機(jī)可靠性最關(guān)鍵的零部件，是柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要構(gòu)件及傳力件。本文利用ANSYS軟件對(duì)某輕型風(fēng)冷柴油機(jī)曲軸進(jìn)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(lái)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(duì)曲軸進(jìn)行有限元仿真分析，對(duì)提高曲軸設(shè)計(jì)效率，提高曲軸性能，降低曲軸制造成本效果明顯， 對(duì)柴油機(jī)其他部件參數(shù)性能進(jìn)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(jī);優(yōu)化設(shè)計(jì)

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

0? 引言

曲軸是影響柴油機(jī)可靠性最關(guān)鍵的零部件，是柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)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(guò)活塞連桿組件以往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(duì)柴油機(jī)可靠性和安全性有很大的影響。隨著對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求的不斷提高，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的核心構(gòu)件曲軸的工作條件愈加苛刻，其強(qiáng)度和剛度的問(wèn)題變得更加重要，在設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)曲軸的結(jié)構(gòu)型式、尺寸參數(shù)、材料與工藝進(jìn)行優(yōu)化，以求獲得最經(jīng)濟(jì)最合理產(chǎn)品[2]。

小型風(fēng)冷柴油機(jī)因具有適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、易輕量化、便于制造維修等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用[3]。但由于風(fēng)冷柴油機(jī)的曲軸熱負(fù)荷較水冷柴油機(jī)更高，對(duì)曲軸的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。曲軸傳統(tǒng)的強(qiáng)度計(jì)算方法通常采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法或者曲軸類比設(shè)計(jì)法，曲軸初步設(shè)計(jì)完成后，造出曲軸樣品再進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)[4]。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)的要求，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法改進(jìn)曲軸的設(shè)計(jì)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(jī)曲軸的研究模型，用Ansys-Workbench軟件進(jìn)行某輕型風(fēng)冷柴油機(jī)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(qiáng)度參數(shù)，其研究結(jié)果對(duì)提高曲軸設(shè)計(jì)和工作的可靠性，減少開(kāi)發(fā)周期，從而提高柴油機(jī)曲軸的設(shè)計(jì)質(zhì)量，并對(duì)柴油機(jī)曲軸的改進(jìn)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)提出一種可靠的研究方法，將對(duì)柴油機(jī)曲軸質(zhì)量、性能及壽命的提尚具有重要的意義。

1? 計(jì)算模型

1.1 曲軸受力分析

圖1為曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，O為曲軸旋轉(zhuǎn)中心，A為連桿小頭與活塞銷的鉸接點(diǎn)，B為連桿大頭與曲軸的鉸接點(diǎn)。當(dāng)曲柄OB以O(shè)點(diǎn)為圓心做等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞A點(diǎn)沿氣缸中心線做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，α為曲柄連桿機(jī)構(gòu)平面運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jì)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(shí)體模型，通過(guò)ANSYS19中的Workbench進(jìn)行有限元分析。柴油機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算工作量，對(duì)曲軸模型做了相應(yīng)的處理。處理后的曲軸模型中沒(méi)有平衡重、省略了倒角、油孔、凸臺(tái)、鍵槽、螺紋等，有利于更加詳細(xì)地劃分有限元網(wǎng)格，提高計(jì)算效率。曲軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2，曲軸模型如圖2所示。

本文所研究柴油機(jī)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(zhǎng)度為10mm，實(shí)體模型劃分網(wǎng)格后，曲軸含有35355個(gè)單元，21956個(gè)節(jié)點(diǎn)，曲軸網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。在主軸頸與機(jī)體接觸面施加圓柱面約束（Cylindrical Support）和無(wú)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(jì)

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(yuǎn)小于許用應(yīng)力。所以給予進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了改進(jìn)空間，可對(duì)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(zhǎng)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(lái)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(guò)soildwork軟件對(duì)新曲軸進(jìn)行三維實(shí)體建模、進(jìn)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(guò)應(yīng)用Solidworks對(duì)曲軸進(jìn)行三維建模，并運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)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(duì)曲軸進(jìn)行有限元仿真分析，可獲得較高的可靠性，對(duì)提高曲軸設(shè)計(jì)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(duì)柴油機(jī)其他部件參數(shù)性能進(jìn)行模擬分析，對(duì)柴油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是有很大幫助。

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