柴油机自十九世纪后期出现以来，经过一个多世纪的不断研究和改进，已经发展到比较完善的程度。在各种动力机械中，由于柴油机热效率高、功率和转速范围宽、比质量较小、启动迅速、维修方便、运行安全、使用寿命长等优点，因而被广泛应用于国民经济和军事装备的各领域中^[1]。曲轴是柴油机中最重要、负荷最大、成本最高的零件之一，承受着缸内燃气爆发压力、往复及旋转运动质量的惯性力引起的交变载荷，以及工作机械和附属装置施加的稳定或交变载荷，故曲轴可能会疲劳失效，而一旦曲轴断裂，将引起其他重要零部件随之损坏乃至整机报废，所以，柴油机的可靠性在很大程度上取决于曲轴的强度，曲轴的疲劳强度直接决定了发动机的使用寿命。

国内柴油机曲轴强度的研究大体上是起步于长春汽车研究所的黄佐贤翻译了大量国外曲轴强度研究资料，并对各种曲轴强度计算方法进行了总结和系统的论述^[2][3]，为国内开展曲轴强度研究提供了宝贵的依据。随着计算机硬件技术的飞速发展和国外对有限元软件出口限制的解除，国内曲轴强度有限元研究取得了快速发展，诸如：尹建民等人使用Super-SAP软件建立了X6135柴油机的曲轴有限元模型，并用连续梁方法求取有限元模型的力边界条件^[4]；方华等人进行了493柴油机曲轴单拐模型的应力分析并作可靠性计算^[5]；孙连科等人使用ANYSY软件对6110柴油机曲轴进行了有限元静态应力分析和模态分析，研究了曲轴圆角部位的疲劳强度和曲轴振动特性^[6]；姚海南釆用有限单元法建立曲轴及活塞、连杆系统的动力系统有限元模型，根据实际工况及其工作状态对曲轴的应力和变形进行了有限元分析^[7]；张晋伟应用三维建模软件Pro/E建立了4125A型柴油机曲轴三维模型，通过有限元分析软件ANSYS对有限元模型进行分析，应用瞬态分析方法中的完全法对曲轴一个工作循环内的受载规律进行了研究，得到了在一个工作循环内随时间变化的应力云图^[8]；成中清等人应用有限元分析软件ANYSY，建立了6108柴油机曲轴的三维有限元模型，按标准工况求出曲轴各连杆轴颈载荷，模拟曲轴的力边界条件和位移边界条件进行了曲轴静力学分析，并校核了在危险载荷作用下曲轴的疲劳强度，为柴油机曲轴的改型设计提供了一些参考^[9]；杨运勤等人研究了圆角滚压工艺对 ZH1110 柴油机曲轴疲劳强度的影响研究^[10]；赵鹏等人,研究了曲轴弯曲疲劳试验台架的快速设计方法，传统单拐设计法对试验台参数估算较为快捷,但精度略显不足,台架后期调整耗时长;有限元估算整体性较强,减少台架后期调整时间,但设计阶段周期长。对不同情况下的工程需求，给出了不同的解决方案^[11]。

国外一些研究机构很早就开展了对曲轴强度的研究工作，如英国的威尔逊（W.K.Wilson），他的有关曲轴结构强度^[12]方面的研究为人们所关注；美国的洛厄尔（C.M.Lowell）也是很早就从事曲轴结构强度研究，并得出了近似计算公式，他还引用其他研究者的方法比较计算了大量曲轴，以期为曲轴设计提供一定的参考，并对这些方法进行了一定的评估和改进^[13]；在曲轴疲劳强度方面研究得比较系统和透彻，时间也很长的是德国道依茨（Deutz）公司的玛斯（H.Maass），他比较系统地总结了过去数年以来的曲轴疲劳强度研究成果，并探讨了材料、尺寸、工艺等各方面因素对曲轴疲劳强度的影响，在此基础上提出了曲轴疲劳强度的计算方法。

虽然国外不同国家对柴油机曲轴强度研究的发展情况与研究方向各有不同，但是总的来说，上个世纪的各种曲轴强度的计算方法都是基于试验和经验发展而来，多数结论属于事后型结论，对于曲轴在设计阶段的优化，作用十分有限，有着很大的局限性。因为柴油机曲轴所受载荷是交变的周期载荷，推动活塞运动的燃气爆发压力、曲轴输出端的负载力矩等均是呈周期性变化的，如果只对曲轴进行静态应力分析，很难确定何时是最大静载荷，而且传统的静态应力分析只能近似反映曲轴上任意一点在某时刻的受力情况。然而曲轴工作是一个动态过程，所以要想全面地了解曲轴在实际工作过程中的应力应变分布和疲劳情况，就必须用以动态响应为特点的有限元瞬态应力分析对曲轴进行强度计算。运用有限元理论知识和有限元分析软件ANSYS对曲轴进行一个工作循环的有限元瞬态响应分析，可以得出曲轴上任意一点发生最大应力和应变的位置和时刻。所以随着计算机技术的飞速发展，数值计算方法特别是有限元方法得到了长足的进步，这为曲轴强度的精确计算提供了可能，世界各大内燃机制造商和研究机构为了减轻曲轴重量和提高曲轴强度，都开始应用有限元技术对曲轴形状进行优化，对曲轴进行动态特性分析，如Jong Hwan Lee^[14]等研究了中速柴油机连杆和曲轴一个工作循环的模拟与疲劳设计；日本本田汽车技术部采用有限元法，在不同的曲轴运转速度下，分别从静态、动态两种情况对计算值和实验值进行了比较分析；PATIKYAN.T.^[16]等建立了曲轴结构仿真模型，并进行曲轴动态应力分析；TODOROVIC.G^[17]等研究了曲轴动态模型的自动生成；HuK.Mourelations研究了曲轴的动态响应等问题，分析曲轴在动载荷作用下的动态响应^[15]；Joao Gomes等人通过分析过去25年内报告的众多曲轴失效案例，并且在完整的燃烧循环内使用有限元分析法分析曲轴模型的应力集中区，得到了曲轴的应力与寿命之间的趋势关系，并对曲轴几何形状的设计提出了优化方案，使得应力集中显著降低^[18]。Lucjan Witek等人使用电子显微镜对曲轴裂纹起源区域进行了观察，并对这些特定区域进行了有限元分析法，他们建立了带连杆的曲轴数值模型，在轴承轴颈表面上定义了边界条件，定义了复杂的载荷情况，以模拟真实的发动机载荷，分析结果显示了，曲轴的过早失效和曲轴的共振有着密不可分的关系^[19]。

根据以上国内外现状分析可知,目前曲轴强度的计算分析都归结为疲劳强度计算，通过曲轴疲劳强度^[20]的计算分析求出作用于曲轴危险截面上的应力幅和平均应力，进而求出危险点的应力和实际工作应力，并在此基础上进行疲劳强度校核，即按材料的疲劳极限，考虑材料强化处理、应力循环和尺寸影响，对于提高柴油机整体性能和可靠性，对曲轴进行整体受力分析，找出过渡圆角处的应力集中部位，从而为曲轴的结构改进和优化提供理论依据。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

主要着力于计算分析方法中的有限元分析法，使用ANSYS软件进行有限元静态应力分析和曲轴一个工作循环的有限元瞬态应力分析；并分析和比较传统的试验分析方法（简支梁法和连续梁法）和计算分析方法（有限元分析法）之间带来的优劣性。辅以三维造型软件Pro/Engineer开展研究工作,分析研究曲柄臂结构形状以及厚度、主轴颈圆角半径和曲柄销圆角形状对曲轴应力分布的影响；

2.2研究目标

以曲轴为研究对象，对其进行有限元静态应力分析和曲轴一个工作循环的有限元瞬态应力分析,重点研究曲柄臂结构形状以及厚度、主轴颈圆角半径和曲柄销圆角形状对曲轴应力分布的影响，最终为设计阶段提供指导性数据，为曲轴的进一步优化设计提供切实可靠的理论依据

2.3技术方案及措施