摘 要

曲轴作为柴油机最重要的部件，整个发动机的可靠性，在很大程度上取决于曲轴的强度。由于其几何结构、边界条件以及作用载荷的复杂性使其成为柴油机设计及研究的重点部分。本文主要针对L21/31柴油机进行曲轴强度计算方面的分析研究。主要工作如下：

（1）曲轴CAD图绘制及三维模型绘制。

（2）示功图分析与计算，曲轴转角每隔5°计算其动态结果。

（3）曲轴强度计算方法研究，并按船级社钢质船舶入级规范进行强度校核。

（4）利用ANSYS进行实例计算与分析，并进行曲轴疲劳强度、安全系数校核。

同时从曲轴设计方面对结构进行了相应要求。本文既分析了曲轴的性能同时研究了曲轴强度计算方法，对于今后柴油机曲轴强度计算有一定的参考价值。

关键词：曲轴强度，运动学分析，曲轴设计，静态分析，有限元。

Abstract

As the most important part in crankshaft,the reliability of whole engine largely depends on crankshaft strength.Due to the complexity of its geometry structure, boundary condition and applied load,it becomes the important part of the research and design of diesel engine.This paper mainly aims at L21/31 diesel engine to do the research of crankshaft strength calculation.The main works of this paper are:

(1)Drawing crankshaft’s CAD picture and three-dimensional model.

(2)Calculating and analysising indicator diagram，and the dynamic results of the crank should be acquired at every 5 degrees of angle .

(3)Researching the method of crankshaft strength calculation,taking the strength check according to the standard of the ship's entry level by classification society.

(4)Doing the calculation and analysis of example by ANSYS, and carrying on the crankshaft fatigue strength, the safety factor check.

Meanwhile, the aspect of structure has some requirement according to the design of the crankshaft,.Not only does this paper analysis the performance of crankshaft but also research the method of calculation of crankshaft, it has a certain reference value for the diesel engine crankshaft strength calculation in the future.

Key words:Crankshaft strength, Kinematic analysis, Static analysis, Finite element.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 2

第2章 曲柄-连杆机构的运动学 1

2.1 活塞的位移、速度、加速度 2

2.1.1 活塞位移的计算 2

2.1.2活塞运动的速度 2

2.1.3活塞运动的加速度 3

2.2连杆的平面运动 3

2.3 曲柄-连杆机构的受力分析 3

2.3.1 曲柄-连杆机构的惯性力 3

2.3.2 曲柄-连杆机构上的作用力 5

2.4 示功图分析 6

第3章 曲轴设计 13

3.1 曲轴设计概述 13

3.2 曲轴的受力分析和设计要求 14

3.2.1 曲轴的受力分析和应力分布 14

3.2.2 曲轴设计要求 16

第4章 相关校核 18

4.1 曲轴疲劳强度校核 18

4.1.1 适用范围 18

4.1.2 计算原则 18

4.2 应力计算 18

4.2.1 名义交变压应力和名义交变弯曲应力的计算 18

4.2.2 交变弯曲应力的计算 21

4.2.3 交变扭转应力的计算 21

4.2.4应力集中系数的计算 22

4.2.5附加弯曲应力的确定 25

4.2.6当量交变应力的计算 25

4.2.7 疲劳强度计算 26

4.2.8 曲轴的合格衡准 27

4.3 曲轴直径校核 27

4.3.1 适用范围 27

4.3.2 计算原则 27

4.3.3 曲轴最小直径的计算 27

4.4柴油机曲轴强度计算所需资料 30

4.4.1 柴油机基本参数 30

4.4.2 计算基本参数 31

4.4.3 应力集中系数 32

4.4.4 应力计算 33

4.4.5 附加弯曲应力 34

4.4.6当量交变应力 35

4.4.7疲劳强度 35

4.4.8 曲轴的合格衡准 35

第5章 有限元分析 37

5.1 有限元法的论述 37

5.2 有限元法的基本思想 37

5.3 ANSYS介绍 37

5.4 Solidworks介绍 38

5.5 有限元模型 38

5.5.1 三维模型的建立 38

5.5.2 边界条件的确定 39

5.5.3 网格划分 40

5.6 计算结果分析 41

5.6.1 交变应力分析 42

5.6.2 安全系数分析 43

5.6.3总载荷变化对曲轴应力的影响分析 43

第6章 总结与展望 45

第1章 绪论

1.1 课题的目的和意义

自十九世纪后期柴油机的问世以来，在一百多年的不断研究和改进中，发展的愈发完善，它凭借功率和转速范围宽广、比重量较小、热效率高的优点，广泛应用于国民经济和军事装备的各领域中，在动力机械中地位重要。发展初期，内河船舶大多采用柴油机作为其动力，油轮和远洋客货轮则采用柴油机或汽轮机作动力。二战后，由于成功地解决了燃烧重油的问题以及船用柴油机废气涡轮增压技术的不断进步，使船用柴油机的经济性得到极大改善。近年来，在远洋客货轮和油轮上柴油机动力占主导。

曲轴是柴油机的主要部件，也是最贵的部件。汇集了各气缸所作的功，以回转运动的形式做功。在很大程度上，整个发动机的可靠性取决于曲轴的强度，而发动机的总重量和外形尺寸也与曲轴的尺寸和结构相关。比如，曲柄销直径的增大的后果是连杆组重量和尺寸的增大，曲轴的平衡重、曲轴箱的尺寸等一并会受到影响。因此曲轴的设计和发动机总体设计需要一并考虑。

曲轴工作时在其内部产生迅速变化的交变应力，是由于周期性变化的各种力和力矩的作用^[1]，而且由于曲轴的形状复杂，存在着严重的应力集中现象，使某些部位的交变应力达到很高的数值，容易产生疲劳破坏。因此曲轴设计的关键在于如何保证曲轴的疲劳强度。由于载荷的冲击性，且曲轴各轴颈在很高的比压下高速运动，使轴承和轴颈之间易引起强烈磨损而不易建立稳定的油膜，严重时甚至引起轴承的烧损，发动机的工作可靠性和使用寿命会受到严重影响。此外，由于曲轴的刚性差、形状复杂、对材质的要求很严格和加工要求高，曲轴的造价大大提高。对于曲轴设计，足够的刚度、疲劳强度和良好的动静态特性^[2]是必要的。由于曲轴在周期性变化的载荷的作用下，会产生扭转和弯曲疲劳破坏，因此曲轴进行应力计算是必要的，并依此进行改进。

伴随国民经济的发展，对于内燃机单机功率的需求也与日俱增，然而要想重新设计一个新的机型，得有较高的技术水平和相当长的开发周期。简便方法比如改变工作参数并对结构做少量改动，对原型机进行强化以提高功率等。由于功率提高，柴油机运动件的负荷上升，有必要对其进行应力、变形及疲劳分析。

1.2 国内外研究现状

60年代前，人们主要使用实验手段研究曲轴强度。60年代至70年代之间，用于计算整体曲轴的空间钢架模型与连续梁模型问世。美国的Poster在60年代的末期提出了一个关于曲柄刚度的经验算法^[3]，然后事实证明此法既繁琐又缺少实验与使用的验证。后来，有人又提出了一种计算曲柄刚度的斜截面法，比Porter的方法计算精度高，但计算刚度依然比实测值大，因为未考虑中心油孔和削去肩部等影响。

伴随计算机和计算力学的飞速发展，曲轴的计算方法与应力分析精度在近30多年来进步显著，任一工况下曲轴任一部位的应力都可以相当精确地确定，曲轴整体的强度也能得到准确评估。针对柴油机曲轴强化设计的需要，目前国内外主要通过有限元分析，运用三维实体单元^[4]模拟曲轴结构从而得到较高精度，而曲轴整体强度也能获得准确评估。

1.3研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

计算曲轴的实际工作应力是一件较为困难的工作，主要由于曲轴是一个多支承的静不定系统；曲轴载荷分布规律并非均布，而是复杂多变的；曲轴各支承孔与主轴颈并不同心，工作间隙也不完全相同；曲轴不仅形状复杂，而且受载会因时而变，这样应力计算就更加复杂。因此一般只做简化的、近似的计算，求得名义工作应力^[5]后，最大工作应力只需通过乘以应力集中系数就能得到。

传统方法有两种：简支梁法和连续梁法。简支梁法将曲轴分为多个称为简支梁的单拐。连续梁法的曲轴是多支承的，且静不定的连续梁模型，一般求解内弯矩以三弯矩或五弯矩方程^[6]。在参考一些研究文献中发现，在计算分析中应该假设沿轴向均匀分布的载荷施加在曲轴与轴承接触表面，这样更符合实际情况。曲轴受载时会有地方存在严重的应力集中现象，一般是油孔旁和过渡圆角，修正以应力集中系数^[7]。求实际最大工作应力时要先计算名义应力，通过连续梁法或简支梁法计算出来。通过实验得到的应力集中系数一般是运用到经验计算公式^[8]，所以使用时要注意公式的应用场合、适用试验条件以及参数取值范围，否则会产生较大误差。此外，实验分析法也无法用于应力的精确计算，因为未考虑轴颈过渡圆角处的三维形状的影响。

如今有限元、边界元方法的应用为精确地计算曲轴应力或应力集中系数提供了可能。传统实用计算方法中，最大工作应力往往是根据应力集中系数和名义应力去求得。但由于曲轴形状复杂，而应力集中系数一般由单拐平面有限元模型计算得到或由有限样本数量的曲轴试验数据推算，实际最大应力难以通过综合名义应力和应力集中系数准确反映，因此有一定局限性。

三维有限元分析对于曲轴这样的空间构件来说，无论是从对实际形状的逼近还是整个应力分布规律的求解都是最为理想的。经过半个多世纪的发展，有限元技术在柴油机设计中发挥了更大的作用，柴油机产品开发中有限元技术的应用，极大推进了柴油机工业的发展。近几十年来，随着计算机软硬件水平的提高，有限元技术在柴油机零部件设计中又取得了许多新发展，由此带来很多新的研究课题。由于曲轴的几何形状比较复杂，在应用有限元技术时，作用载荷、边界条件都比较复杂，所以要选择恰当的计算方法，尽量精确地计算曲轴的强度。

在柴油机计算中，边界元方法^[9]也有较多应用，但对于曲轴这样的复杂零件，为了获得单元畸变小、疏密适当、外形准确的三维边界元网格，存在着划分困难，求解时间长的问题。实际上，边界元方法就是结合有限元方法，求解曲轴局部区域的应力。然而，仍有人在研究适合柴油机曲轴这样的复杂零件的边界元分析方法，那是由于边界元方法具有一般只需对物体的表面进行网格划分的显著优势，且数据准备比较简单。有一种高精度边界元算法，是允许采用非均匀非规则网格: 大部分部位用较大单元，应力集中较严重的局部区域才用较小单元;在网格疏密之间快速过渡;允许单元有一定程度的畸变等(为保证计算精度，一般边界元方法要求网格比较均匀和规则地过渡 ^[10])，这样能有效地降低了节点数、减小计算规模。

第2章 曲柄-连杆机构的运动学

柴油机曲柄-连杆机构组成部分为活塞、连杆和曲轴三件运动件，活塞往复运动在柴油机中通过曲柄-连杆机构转换为曲轴的回转运动，使所生成的热能在气缸内燃油燃烧时转变为曲轴输出的机械功。所以它是柴油机主要的传力机构(件)。因此有必要对它的受力状态和运动规律进行分析研究。以下是柴油机振动计算、平衡分析的基础知识，也是进行轴承负荷分析、柴油机主要构件的强度及磨损研究的依据，同时为柴油机总体设计提供了必要的理论数据。

曲柄-连杆机构运动学的主要目的是分析活塞、连杆及曲柄研究在柴油机稳定工况下的运动规律。