1.目的及意义

曲轴是发动机中最重要的部件之一，承受连杆传来的力从而驱动汽车工作。其在发动机中的工作条件比较严苛，受到周期性的气体惯性力、往复惯性力以及旋转质量的离心力的共同作用。因此，曲轴进行设计和优化时，要重点关注它的强度及刚度使它能够满足在发动机中的工作要求，以免对发动机的工作性能和寿命有不利影响。随着发动机的发展及强化，功率更高、速度更快，曲轴的工作条件也就更加严苛,其强度及刚度问题就变得更加突出。因此，为了制造出符合要求的产品，对于曲轴的研发和优化从未停步不前，各种新技术不断应用到曲轴的开发中去。

随着CAE技术的发展，曲轴设计强度的核算已经从早期的经验计算发展到使用有限元分析方法上来。其中有限元分析法在发动机设计和优化领域得到更加广泛的应用，为工程设计提供了强有力的工具。基于现有的有限元分析软件，建立曲轴的有限元分析模型，通过有限元分析，可以以更加清晰和精确地得出曲轴在最大扭矩点、最大速度下的受力变形情况，从而优化设计。

2.国内外的研究现状

由于曲轴发动机中最重要的也是最易损坏的部件之一，高波等人以发动机曲轴为例，利用 CATIA 软件及 Hypermesh 软件相结合，采用有限元分析法进行曲轴的自由模态分析，从而对曲轴进行优化设计。通过曲轴的材料、运动规律、受力情况、固有频率等条件建立曲轴运动模型；通过对曲轴的有限元分析，可以发现曲轴的危险点或危险部位，即曲轴的两侧端部主轴颈承受了较大的交变载荷，曲柄臂和主轴颈、连杆轴颈相连接的部位曲轴的载荷相对集中。因此，对曲轴优化设计时应该加强这些部位的强度，从而提高曲轴的性能和寿命。

吕端等人利用Solidworks建立了一个高速赛车V8发动机的曲轴模型，并使用ANSYS Workbench对该曲轴进行有限元模态分析；在模型建立时，先建立实体三维模型，在建立有限元模型；然后添加约束条件；进行求解并对求解结果进行分析，从而求得了曲轴前10阶(n=10)模态。最后根据分析结果对曲轴进行优化，不仅减少了工作量，还取得了较好的效果。

李杰群等人在利用有限元方法对曲轴进行分析时，采用了高精度三维单元对曲轴做网格划分。由于曲拐过渡处的结构比较复杂，容易造成应力集中，故在此处将网格分得更细一些。在做网格划分中，用到25478个单元和35674个节点。

吴卓等人对有限元模型施加约束条件时，考虑到曲轴受到5个主轴颈的滑动轴承支承,对该5个主轴颈施加表面径向对称约束；为控制发动机在工作时曲轴的轴向串动,在曲轴上设置轴向定位装置；在对曲轴进行轴向定位时,没有考虑曲轴在受热膨胀时有一定的自由伸长量,在曲轴的2 个轴端施加(X方向)位移约束。为模拟轴向定位约束,在曲轴后端面施加轴向位移约束,前端面有一定的自由伸缩量,即:X =0。

张晓静等人建立曲轴的有限元模型，并对模型进行验证， 以有限元方法为手段 ，研究某些设计参数对曲轴应力状态的影响 ，主要包括固支位置、高度、材料以及与曲轴间的配合关系，最后对某 V 型机曲轴进行实例分析验证。

Rinkle Garg等人对一个单缸四冲程发动机曲轴铸件进行了静态分析，对其进行了有限元分析, 得到了临界位置应力大小的变化；在软件Pro/E 中创建曲轴的三维模型，然后将负载加载到有限元模型, 并根据安装情况, 在ANSYS中对其施加各类边界条件；从分析的结果可以应用到铸件优化中去，优化过程没有改变连杆和发动机体的几何参数改变。