应用HyperWorks等软件计算某柴油机曲轴强度

摘要：曲轴是发动机的关键部件之一，曲轴设计的优劣决定其承受冲击载荷、传递动力的能力。本文应用HyperWorks等软件，计算某柴油机曲轴强度并对其进行评价。
关键词：曲轴强度，HyperWorks

1 概述

随着发动机设计的小型化、轻量化要求越来越高，曲轴等运动件的工作条件也变的越来越苛刻，因此，曲轴的强度设计也愈加受到关注。

曲轴的设计，不但要考虑曲轴的结构、尺寸，还要关注其材质及强化工艺等，使其可以在最经济的条件下满足使用要求。这就要求曲轴的强度分析更加准确、快速，为产品的开发、试制、生产提供支持。

2 有限元模型的建立

为计算曲轴的强度，首先要将曲轴系、缸体等数模进行网格划分。考虑到曲轴强度分析的时间成本及计算的精确性，使用前处理软件HyperWorks对轴系各部件进行网格划分，均采用8节点六面体单元，轴系节点数与单元数见表1。

轴系坐标系定义为：以曲轴第三主轴颈中心为原点，以曲轴前端到后端为X轴，以曲轴第一连杆颈朝上为Z轴。对有限元模型赋予材料属性，并在几个主要位置中心点建立耦合单元，为后期多体动力学中曲轴模型缩减做好准备。有限元模型见图1。

由于缸体模型较大，加之在多体模型中还要将主轴承盖、轴瓦与缸体组装在一起，故将缸体、主轴承盖划分为10节点四面体单元。由于多体动力学计算的需要，轴瓦划分为8节点六面体单元，所采用软件仍为HyperWorks，对有限元模型赋予材料属性，加载边界条件。缸体等部件节点数与单元数见表2。

缸体等部件坐标系与曲轴系坐标系一致，有限元模型如图2。

图2 缸体等有限元模型

3 多体模型的建立

为计算曲轴在运转过程中的受力，还需要建立曲轴系的多体动力学模型，将发动机的部分参数（如缸内压力、缸径、行程等）输入到多体模型中。所建立EXCITE二维模型如图3。

图 3 EXCITE 二维模型

其中连杆采用三质量点简化模型，缸体、曲轴采用有限元缩减模型。三维模型如图4。

调整模型，计算求解，可得到单个曲柄臂疲劳计算所需历程文件（计算过程略），如图5。本文计算了所有曲柄臂的历程文件。

4 单曲柄臂有限元模型的建立

建立单曲柄臂有限元模型是为了缩短计算的时间，将整个曲轴模型分为几个曲柄臂进行求解。而这个思路是建立在大量曲轴破坏统计分析基础上的，曲轴破坏统计分析表明，80%左右的曲轴是弯曲疲劳破坏，而弯曲疲劳裂缝是从轴颈根部表面的圆角发展到曲柄臂上的。因此曲轴强度的计算可以只关注圆角处的强度。

单曲柄臂有限元模型是截取两端轴颈的一半加上曲柄臂组成的，运用HyperWorks软件，截取轴颈危险截面120°范围部分划分20节点六面体单元，其余部分划分10节点四面体单元。其有限元模型如图6。

图 6 某曲柄臂有限元模型

对单曲柄臂有限元模型赋材料属性，加载边界条件，建立分析步，应用HyperWorks的RADIOSS进行计算，可以得到曲柄臂的单位载荷结果文件，如图7。

5 计算结果

将多体动力学计算的历程文件和曲柄臂的单位载荷结果文件作为疲劳软件的输入文件，计算可得到曲轴的曲柄臂圆角的疲劳结果文件，如图8。

将所有的疲劳结果统计，得到圆角最小安全系数图，如图9。

将所有的疲劳结果统计，还可以得到圆角安全系数曲线，如图 10。

通过以上计算，可知所有圆角安全系数均大于设计标准1.1，满足使用要求。后期此发动机可靠性实验时未出现曲轴破坏。

6 分析与结论

1、 HyperWorks前处理软件可快速、有效地模拟各部件的特征，得到可用于计算所需要的有限元模型。

2、应用HyperWorks等软件联合计算曲轴强度准确可信，为曲轴的设计提供指导，加快了模型开发进程，节约了设计的时间成本。

7 参考文献
[1]杨连生编 《内燃机设计》中国农业机械出版社 1981
[2]曲轴强度分析指南