柴油机曲轴的静强度有限元分析.doc

N485柴油机曲轴的静强度有限元分析 摘要：本文介绍用有限元方法对曲轴的静强度进行分析，用较小的耗费准确的确定了曲轴的危险工况及危险区域。 Abstract: In this article, we shall talk about the FEA of the static intension of crankshaft, and find out the dangerous case and area exactly with less cost. 关键词：有限元，建模 Key word: finite element, modeling 简介 曲轴工作过程中所受载荷极其复杂，这些载荷综合作用引起的曲轴各个部位以及同一部位在一个工作循环内的各个瞬时都是不同的。而曲轴又是以其应力全幅值作为强度评价的依据，因此，确定曲轴计算危险工况是一个复杂的问题。 过去用简支梁和空间刚架模型计算曲轴时，为了确定曲轴的计算工况，按曲轴转角每隔5°或10°计算一次，然后根据求出的最大和最小弯矩来计算应力。当计算模型只有几百个节点时，算法是可行的。而现在面对的是近10万个节点的三维模型，其载荷的处理、计算时间的消耗不堪承受。不过，根据以往经验，按空间刚架模型求出的曲轴应力分布规律与实测是一致的。因此，如果用空间刚架模型，按曲轴每转10°计算一次的办法，求出相应的最大应力排序，再以应力较大的前几个曲轴转角的作用载荷来计算三维整体模型，应该是用最小的耗费却准确地确定了曲轴的危险工况及危险区域。 曲轴空间刚架有限元模型的建立 根据以上思想，我们建立了如图1所示的曲轴刚架有限元模型，整个模型共有47个节点，46个空间梁单元。 曲轴各转角的载荷 N485柴油机共有4缸，各缸相差180°，0°到720°范围内的载荷情况，则可推出其余各缸的载荷情况。参见图2，就其中的一缸而言，在0°~720°的范围内受到随转角变化的载荷如下： 活塞组件的往复惯性力沿连杆方向的分力（以向上为正方向） 为曲轴转角 λ 曲柄半径与连杆长度之比 简化在活塞销中点的往复运动的质量 （包括活塞、活塞环、活塞销和活塞销卡环） 气体作用力 由于气缸内气体在0°~720°转角范围内的变化非常复杂，受很多因素的影响，若用理论公式计算，则与实际相差甚远，一般情况下应以实验为最好，本分析中没有用实验数据，为了得到较准确的数据，参考了《汽车发动机设计》第一册P40页某四缸柴油机的缸内气体压强数据（如下表1所示）。 为连杆摆角，D为缸径 是缸内气体的绝对压强，是曲轴箱气体的绝对压强 连杆大头简化到曲轴上的离心力 根据静力等效的原则将连杆质量分配到大头孔中心的质量 表1 （单位：MPa） pg pg pg pg 0 1.2 10 1.0 190 0.85 370 81.2 550 1.3 20 0.8 200 0.9 380 59.7 560 1.2 30 0.8 210 0.95 390 41.0 570 1.2 40 0.8 220 1.0 400 28.5 580 1.2 50 0.8 230 1.1 410 19.8 590 1.2 60 0.8 240 1.3 420 14.9 600 1.2 70 0.8 250 1.6 430 11.4 610 1.2 80 0.8 260 1.9 440 8.6 620 1.2 90 0.8 270 2.3 450 7.0 630 1.2 100 0.8 280 2.8 460 5.7 640 1.2 110 0.8 290 3.4 470 4.8 650 1.2 120 0.8 300 4.3 480 4.2 660 1.2 130 0.8 310 5.4 490 3.8 670 1.2 140 0.8 320 7.4 500 3.3 680 1.2 150 0.8 330 10.9 510 2.8 690 1.2 160 0.8 340 18.0 520 2.3 700 1.2 170 0.8 350 30.4 530 1.9 710 1.2 180 0.8 360 52.5 540 1.6 720 1.2 参见图3，和沿曲柄方向的作用力Fk及垂直于曲柄方向作用力Ft分别为： 根据以上思想算出的及随转角的变化如下表所示： 表2 （单位：N） 转角（度） 转角 0 0 13035.94 370 -8158.659 -30516.36 20 3433.193 11730.65 390 -8977.325 -6471.317 40 4363.417 8184.199 410 -6144.456 1637.989 60 2416.065 5324.712