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发动机曲轴动力学及曲拐疲劳分析
骆富贵付晓利郝秀丽吴海涛
（奇瑞发动机工程研究院，安徽芜湖241009）
摘要：本文用ABAQUS软件基于模态法对缸体进行子结构缩减，由多体动力学软件求解
出各个主点的位移。使用单位位移的方法，分别计算危险曲拐主轴颈和曲柄销主点6个自由
度方向的应力。将曲拐主点的位移历程和曲拐6个自由度方向的应力结果输入到疲劳分析软
件中进行疲劳计算，根据分析结果进行评价分析。
关键词：ABAQUS模态法多体动力学单位位移疲劳分析
1前言
随着我国汽车行业的不断进步发展，人们对内燃机的性能要求不断提高，高功率、大扭
矩、低失效发生的内燃机越来越受重视。曲轴是内燃机中最主要的运动部件之一，内燃机的
可靠性在很大程度上取决于曲轴的强度及疲劳。曲轴在工作中承受的载荷是交变载荷，曲轴
的失效常常表现为疲劳破坏，因此对曲轴的研究一直受到内燃机设计者的重视。
随着虚拟仿真技术的日趋成熟，使用多体动力学及有限元方法对曲轴进行强度、疲劳分
析已经成为曲轴设计和校核密不可分的一部分。
2分析流程
曲轴动力学及曲拐疲劳分析流程如图1所示。
图1曲拐疲劳分析流程
1
3多体动力学数学模型
多体动力学是研究柔体和刚体组成的系
统在空间运动过程中动力学行为的一门学科，
它与有限元方法的完美结合使分析结果更接
近实际。运用多体动力学可以直接计算出各构
件的运动及相互间的作用力，进而进行变形、
应力以及振动响应分析等；同时考虑了弹性体
的变形，零件间隙冲击带来的高频载荷分量
等，能更全面、准确地获得曲轴工作时的动态
载荷和动态应力，并应用有限元疲劳分析软件
进行疲劳分析。
建立曲轴系多体动力学模型，将整个系统图2弹性件子结构模型
分为两类件：弹性件（静止和运动部件）和连接件（如主轴承等）。通过连接件向弹性件施
加约束和阻尼，建立各弹性件之间相互作用关系。
鉴于求解问题的大型化，采用子结构模型建立曲轴系的数值分析模型。由于包含运动件，
因此，建立三个坐标系来构建系统模型，即：全局坐标系（X，Y，Z），用于描述弹性件的
全局运动，为静止坐标系；当地坐标系（X’，Y’，Z’），随弹性件全局运动一起运动；局部
坐标系（X’’，Y’’，Z’’），为子结构单元b的局部坐标系。图2所示为系统中某弹性件的子
i
结构模型。
b承受内、外力及力矩的作用，子结构的运动服从动量和角动量定律。子结构的子结构
i
强迫振动方程为：
...
M?u?D?u?K?u?fk?fnk?pi?1,.n.（3-1）
iiiiii
这里，
fk为已知的力和力矩，nk
f为未知的约束力和力矩，
ii
p为由于坐标变换产生的非线
i
性项，ui为位移向量，M为质量矩阵，K为刚度矩阵，D为阻尼矩阵，是刚度矩阵和质
量矩阵的线性组合：
D???M???K（3-2）
式中，?和?为结构阻尼与频率的函数。
弹性件的全局运动可以用向量XB和角速度?表示，其满足动量方程：
...?
m?X?H1(?)?X?H2(?,?)?X?f?f?p
knk
（3-3）BBBBBB
.?
H??X?H???Xf为作用在弹性件上的外载
1()B2(,)B
为不同坐标系下的动量方程，
kB
f为作用在弹性件上的约束载荷之和，p为坐标变换产生的非线性项，其中，角
nk
之和，
BB
速度?满足角动量方程：
???????
ABp??pXqqqqqqfkfnk
??????1(1,?)?1(,1,1,1?,,)??（3-4）
nBnnnMM
2
上式中，A,B为常数矩阵，
f为已知的外力矩，nk
k
f为未知约束力矩。
M
M
方程(3-1)～(3-4)为非封闭方程，只有已知连接件传递的力和力矩，上述方程才为封闭方
程。
4曲轴系动力学分析
4.1有限元模型
缸体框架有限元模型如图3所示，将缸体顶部进行约束，通过ABAQUS软件，使用模
态法用静态和动态结合的方法进行有限元子结构缩减。其前两阶模态振型及固有频率如图
5、6所示。
曲轴用EXCITE软件中NOD6类型，需要将曲轴的STL文件导入AUTOSHAFT，自动
进行网格划分、装配，并进行模态分析及缩减，其前3阶振型及频率如图8、9、10所示。
图3缸体框架有限元模型图4多体动力学仿真模型
图5缸体第一阶模态图6缸体第二阶模态
图7曲轴的EXCITENO