摘 要

随着现代化汽车、船舶产业的不断竞争发展、推陈出新，现代汽车、船舶对发动机性能的要求越来越高，而曲轴作为发动机中最重要的承载部件，其力学性能的优劣直接影响着发动机的可靠性和寿命。在这种形势下，曲轴的强度和刚度问题就变得愈发重要，其质量日益受到重视。因此曲轴的应力分析在发动机设计和改进过程中占有不可或缺的地位。而采用有限元法对曲轴应力进行预先估计，具有最优的经济成本和局限性，数值模拟是最佳的工具。运用现代化有限元软件模拟曲轴实际工作状态可以在曲轴生产制造前作出改进和优化来解决或是抑制问题的发生，提高了汽车发动机部件设计运行的可靠性，缩短了设计周期，极大的推动了汽车发动机工业的发展。参考目前曲轴应力计算方面的工作和发展趋势，本文主要做了以下工作：

1. 运用材料力学和内燃机学的相关知识，对发动机的曲柄连杆机构进行受力分析，建立数学模型；
2. 利用有限元软件comsol对曲轴的几何模型进行有限元网格的划分和边界条件的施加，运用有限元计算的方法计算出曲轴的应力分布图，分析了曲轴的应力和应变状态；

（3）分析曲轴应力的影响因素，通过改变曲轴有限元计算模型的最大爆发压力、转速得出这些因素对曲轴应力影响的规律，并进行强度的校核，为今后的曲轴设计研究提供了可行性方案。

关键词：曲轴；受力分析；应力；有限元分析；comsol

Abstract

With the constant competition and development of the modern automobile and shipbuilding industry and the innovation, modern automobiles and ships have increasingly higher engine performance requirements. As the crankshaft is the most important load bearing component in the engine, the mechanical properties of the crankshaft directly affect the engine's performance. Reliability and longevity. In this situation, the problem of the strength and stiffness of the crankshaft becomes more and more important, and its quality is increasingly valued. Therefore, the stress analysis of the crankshaft plays an indispensable role in the design and improvement of the engine. The use of finite element method to estimate the crankshaft stress in advance has the best economic cost and limitations. Numerical simulation is the best tool. The use of modern finite element software to simulate the actual working state of the crankshaft can be improved and optimized before crankshaft production to solve or suppress the occurrence of problems, improve the reliability of the design and operation of automotive engine parts, shorten the design cycle, greatly promoted The development of automobile engine industry. Referring to the current work and development trend of crankshaft stress calculation, this paper has mainly done the following work:

(1)Based on the knowledge of materials mechanics and engine learning, based on the assumptions, the engine crankshaft linkage mechanism is subjected to force analysis and a mathematical model is established.

(2) Using the comsol software to perform the finite element meshing and the application of boundary conditions on the geometric model of the crankshaft, the crankshaft stress calculation based on the finite element method was performed, and the stress and strain states of the crankshaft were analyzed.

(3)Analyze the influencing factors of crankshaft stress, calculate the influence of these factors on the crankshaft stress by changing the maximum burst pressure and speed of the crankshaft finite element calculation model, and check the strength of the crankshaft to provide a feasible solution for future crankshaft design research.

Key words: crankshaft；Force analysis；stress；finite element analysis；comsol

目录

第一章 绪论 3

1.1目的及意义 3

1.2国内外的研究现状 3

1.2.1国内的研究现状分析 3

1.2.2国外研究现状 5

1.3研究内容和方法 6

1.3.1研究内容 6

1.3.2研究方法 7

第2章 曲轴的受力分析 8

2.1曲轴动力学机构的简介 9

2.2曲柄连杆机构的运动学分析 9

2.3曲柄连杆机构的动力学分析 11

2.3.1曲柄连杆机构的质量分布 11

2.3.2曲柄连杆机构中的作用力 12

2.4本章小结 15

第3章 曲轴有限元分析 16

3.1曲轴整体模型的建立 17

3.2定义材料属性 18

3.3曲轴有限元网格的划分 19

3.3载荷状况的确定 19

3.4边界条件的施加 21

3.4.1轴颈分布载荷的施加 21

3.4.2曲轴旋转惯性力和重力 23

3.4.3曲轴固定约束的施加 23

3.5曲轴有限元分析结果 23

3.5.1应力分析 24

3.5.2应变分析 24

3.5.3曲轴强度校核 25

3.6本章小结 25

第4章 曲轴应力的影响因素 26

4.1影响工作状态下曲轴应力的因素 26

4.1.1不同爆发压力对曲轴应力产生的影响 26

4.1.2不同发动机转速对曲轴应力产生的影响 26

4.2不同因素对曲轴应力产生的影响 26

4.2.1最大爆发压力不同对曲轴应力的影响 26

4.2.2发动机转速不同对曲轴应力的影响 28

4.3本章小结 31

第5章 总结与展望 32

5.1工作总结 32

5.2展望 32

参考文献 34

致谢 36

第一章 绪论

1.1目的及意义

曲轴是发动机中最重要的部件之一，也是受力最为复杂的部件，是发动机设计的重点和难点。现代发动机的设计正朝着减小噪音、降低排放物污染、减小油耗以及提高工作稳定性和延长使用寿命的方向不断发展，这使得曲轴的性能的提高愈发紧迫^[1]。因此在设计曲轴时必须正确合理的选择曲轴的尺寸参数、结构形式、材料与工艺，以求获得最经济合理的效果^[2]。曲轴在发动机中与活塞、连杆部件组成曲柄连杆机构，作用于活塞顶部的气体作用力通过活塞传递到连杆，再由连杆将弯曲和扭转应力传递到曲轴上，曲轴将这些合力转变为旋转力矩从而驱动发动机上的其他部件例如飞轮向外做功，即承担由热能转化为动能的重要组成部分，并通过曲轴转变为旋转的力工作。此外，曲轴还受到曲柄质量分布不均匀产生的旋转质量的惯性力、活塞质量产生的往复惯性力和其他力矩的协同作用，要承受弯曲和扭转载荷，所以曲轴必需要有足够的疲劳强度和刚度。

由此可见，曲轴的质量至关重要，例如WD615发动机曲轴结构比较复杂，工作过程中曲轴内部会产生弯曲应力及扭转应力应力集中到一定程度的时候，曲轴就会失效或断裂^[3]。因此，对曲轴强度刚度、耐磨损的特性、耐疲劳的程度等都提出了更高的要求。如何在设计过程中保证曲轴具有良好的动静态力学特性成为设计曲轴的关键性问题^[4]。为了以最佳的经济成本和最节省时间的方案来设计曲轴，数值模拟是最佳的工具。目前的有限元法（FEM）分析提供了一种简便、廉价的方法来计算曲轴的应力，这种方法可以任意输入参数，并结合设计条件和生产条件对所要计算的问题进行评估。而随着有限元法与计算机技术的的不断发展，模拟运行曲轴实际工作状态的方法不断有新的突破，有限元法在包括汽车、船舶发动机在内的几乎所有的工程领域都得到了越来越广泛的应用。

1.2国内外的研究现状

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