摘 要

曲轴是发动机工作时的关键零件，发动机的使用性能很大程度上由曲轴的性能决定。曲轴的做功环境跟着人们对发动机重量、排量等性能要求的提升而变得越来越严峻。因此，对曲轴的强度分析在发动机的设计研发过程中据有重要的位置。

本文主要完成的工作有以下几个方面：利用ANSYS软件的建模功能对曲轴进行了合理的三维实体建模，接着对其进行了网格划分和载荷及边界条件的添加、编辑公式定义荷载；运用有限元法对曲轴结构强度进行了计算，得出曲轴的应力及应变状况；在应力计算的基础上结合S—N曲线对其应力最大点进行了疲劳强度分析，结果显示本文所研究的曲轴满足工作时的强度要求。

本文使用大型有限元计算分析软件ANSYS对曲轴进行了强度的建模和分析计算，通过这种计算机辅助计算的技术可以减少大量的设计成本和缩短研发周期，提高研发效率。对此后评估曲轴的结构强度、疲劳寿命及设计研究都有一定的参考依据。

关键词：曲轴，疲劳，有限元法，ANSYS，强度

ABSTRACT

Crankshaft is the key component of the engine, and its performance directly affects the performance of the engine. With the increase of the weight and displacement of the engine, the working environment of the crankshaft is becoming more and more severe. Therefore, the structural strength analysis of the crankshaft occupies an important position in the design process of the engine.

The main work of this paper is the following aspects: Using ANSYS finite element analysis software to carry on the reasonable three-dimensional solid modeling, flee meshing，edited formulas. The finite element method is used to analyze the static strength of the crankshaft, and the stress and deformation state of the crankshaft are obtained. Based on the stress calculation, the fatigue strength of the crankshaft is analyzed by the S-N curve. Which results show that the crankshaft meets the strength requirements of the actual working conditions.

In this paper, we use ANSYS to model and analyze the strength of crankshaft. By using this technology can reduce the design cost and shorten the development cycle, and improve the efficiency of research and development. And this paper contributes important references to the evaluation of the strength and fatigue life of the crankshaft．

Key Words：crankshaft , fatigue , finite element method , ansys, strengt

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2曲轴有限元分析的研究进展 2

1.2.1国内研究现状 2

1.2.2国外研究现状 2

1.3本文的研究内容与方法 3

第2章 有限元法 4

2.1有限元法简介 4

2.1.1有限元法基本思想 4

2.1.2有限元法的求解过程 4

2.2 ANSYS有限元分析软件 5

2.2.1 ANSYS软件的优点 6

2.2.2影响有限元法分析精度的因素 7

第3章ANSYS有限元建模及分析 8

3.1建立模型 8

3.1.1指定单元类型和材料属性 8

3.1.2完成有限元建模 8

3.2施加约束及求解 9

3.2.1载荷计算 9

3.2.2位移边界条件 13

3.3计算结果及分析 13

3.3.1应力分析 13

3.3.2位移分析 17

3.3.3 ANSYS疲劳分析 20

第4章 结论与展望 24

4.1结论 24

4.2展望 24

参考文献 25

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

现代社会上的发动机生产制造技术快速成长，发动机的制造朝着提升效率、减少重量、油耗和排放等方向快速发展，发动机性能的不断提升，导致发动机对各个零件的性能要求也在不断增强。曲轴的回旋运动是整个发动机的动力来源，也为其他机械构件提供动力。所以曲轴被称为发动机中最关键的零件，它的机能的高低将决定发动机的性能高低。同时曲轴也是发动机中受力最繁杂的零件，其机能好坏程度决定着发动机的使用寿命长短，因此许多发动机设计者一向都很看中对曲轴的疲劳强度计算。

曲轴基本上由若干个单元曲拐构成，它的原料一般是由碳素结构钢或着球墨铸铁制成。一个单元曲拐一般是由一个连杆轴径，旁边两个曲柄臂和前后两个主轴径组成。将一定数目的单元曲拐遵循特定的相位差接连在一起，之后加上曲轴的前、后部分端面就可以组成一根曲轴。图1为相位差为120°的六缸发动机的曲轴模型。

1—曲轴前端2—前主轴径3—曲柄臂4—曲柄销（连杆轴径）5—单元曲拐6—曲轴后端

图1 曲轴的结构组成

曲轴有两个重要部位：主轴颈，连杆轴颈。主轴径安置在发动机的缸体上，连杆轴径与曲柄连杆的大头相连，曲柄连杆的小头与活塞连结，这样组成了单个的曲柄滑块机构。曲轴的作用是把活塞、连杆传递的力改变为扭矩，这样就可以用来带动汽车的传动机构和内燃机的配气零件和其余的协助设施。

由于曲轴在循环变动的气体压力、惯性力、和其力矩的联合施加下做功，它主要受到弯曲和扭转交变载荷作用。是以，曲轴应该具备充足的抗弯曲、抗扭转的强度和刚度；曲轴的质量应尽量小；对各轴径的润滑应该充分。

由于曲轴在发动机工作进程中受到旋转重量的离心力、循环变动的气体力以及往来惯性力的联合影响，让它主要承担弯曲和扭转荷载，是一个扭转弹性机构，自身具备特定的自振频率。在发动机做功进程中，气缸通过曲柄连杆传递给连杆轴径的力的大小和方向均为周期性循环变动的，这个周期性的力施加到曲轴上，造成曲轴的扭转振动，如果外力的频率和曲轴的自振频率有一定的倍数联系时，就会造成振动的强度变大，此时动应力会快速变大，导致曲轴发生弯曲疲劳损坏和扭转疲劳损坏。因此精确地对曲轴进行动力性能分析、强度大小的校正和疲劳寿命的评判就表现出非常重要的作用。

1.2曲轴有限元分析的研究进展

曲轴结构的复杂性使得用传统的力学分析方法对其进行计算时，得到的结果往往存在很多缺点，并且计算的结果往往很难满足设计和分析的需要。近年来随着计算机技术的快速发展，人们将计算机辅助计算应用到各个领域中，并且取得了很多成效，通过计算机软件计算也使得曲轴的分析计算有了新的进展。目前比较常用的方式为运用以理论内容为基本的有限元计算平台来计算曲轴的力学性能。

1.2.1国内研究现状

之前对曲轴进行力学分析计算时一般会将其进行简化计算，比如将曲轴按照单元曲拐分成几部分，然后每部分按照简支梁的形式来计算分析或者直接将曲轴按照连续梁的情况来计算。但是可以想到由于简化的过多是的计算结果与实际情况往往存在很多差距，不能对设计者提供准确可靠的设计意见。