第4章 曲轴模态分析
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析水平对置四缸航空活塞发动机的曲轴模态分析是对该发动机的动力学性能进行评估和优化的重要手段。
本文将介绍水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析的原理和方法，并对其应用进行讨论。
水平对置四缸航空活塞发动机是一种常用于航空领域的发动机类型，其具有结构简单、功率输出高和燃料经济性好等特点。
由于发动机在工作过程中会受到各种力的作用，导致曲轴在运动过程中存在一定的振动。
为了使发动机能够稳定工作，需要对曲轴的振动特性进行分析和优化。
曲轴模态分析是一种常用的方法，用于评估和优化发动机曲轴的结构强度和振动性能。
该方法基于曲轴的有限元模型，通过求解动力学方程，计算得到曲轴在不同频率下的振动模态和振动模态的特征值。
曲轴模态分析的过程可以分为以下几个步骤：1. 构建曲轴的有限元模型：将曲轴划分为多个单元，建立曲轴的有限元模型。
在模型中考虑曲柄轴承和连杆等部件的刚度和质量。
2. 设定边界条件：设定曲轴的约束和加载条件。
通常约束条件是指定曲轴的固定点，加载条件是指定曲轴在工作过程中受到的力的大小和方向。
3. 求解动力学方程：利用有限元方法，求解曲轴的动力学方程。
动力学方程描述了曲轴在工作过程中受到的力和曲轴的振动响应之间的关系。
5. 评估和优化：根据计算得到的模态结果，评估曲轴的结构强度和振动性能。
如果发现存在异常或不合理的振动模态，需要进行进一步的优化设计，以改善曲轴的动力学性能。
水平对置四缸航空活塞发动机的曲轴模态分析在航空发动机的设计和研发过程中具有重要的意义。
通过该分析方法，可以评估和优化曲轴的结构强度和振动特性，提高发动机的工作效率和可靠性。
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析随着航空发动机技术的不断发展，水平对置四缸航空活塞发动机因其结构紧凑、功率密度高、振动平稳等优点而受到越来越多的关注。
曲轴作为发动机内部重要的机械零件之一，其振动特性对发动机的性能和寿命都有着重要的影响。
对水平对置四缸航空活塞发动机中曲轴的模态分析显得尤为重要。
本文将从曲轴的基本结构和工作原理入手，介绍水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的特点和应用，然后对其进行模态分析，以期为航空发动机设计和振动控制提供一定的参考。
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴是连接活塞和连杆的关键零部件，其主要作用是将活塞的上下往复运动转变为连续的旋转运动，从而驱动发动机的正常运转。
一般而言，水平对置四缸航空活塞发动机曲轴由曲轴颈、曲轴销、连锥，曲轴臂和凸轮组成。
曲轴颈是曲轴上由连杆大端轴承来支承的部分，其直径和长度的大小对发动机的性能有着直接的影响。
曲轴销则是用来连接连杆和曲轴颈的部件，它具有一定的弹性，可以吸收活塞和曲轴的振动，从而降低了发动机的噪音和振动。
曲轴臂则是用来连接曲轴销和凸轮的部件，它的设计和加工精度对发动机的排量和功率都有着直接的影响。
凸轮则是用来带动汽缸盖和气门的部件，其设计和加工精度对发动机的排气和进气效率都有着直接的影响。
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的工作原理主要是利用活塞的上下往复运动和连杆的摆动，通过曲轴的转动实现输出轴的旋转运动。
在发动机工作时，曲轴通过连杆和凸轮的连接，实现了气门的开启和关闭，从而完成了气缸内气体的进气、压缩、燃烧和排气等过程。
曲轴的结构和工作原理对发动机的性能和寿命都有着重要的影响。
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴相比于传统的直列式发动机曲轴具有结构紧凑、功率密度高、振动平稳等特点。
由于水平对置四缸发动机的曲轴在设计时更加注重了发动机的紧凑性和空间利用率，因此其结构更加坚固和稳定。
由于曲轴的转动惯量减小，水平对置四缸发动机的启动速度更快，响应更灵活。
219322186_基于ANSYS的曲轴静力学与模态分析
承受着扭转振动与弯曲振动 分析曲轴静态受力及运动情 况可以有效避免曲轴出现裂纹变形断裂等情况
针对曲轴受力计算传统方法是简化为简支梁或连续 梁但由于其结构复杂无法完全采用解析法求解 目前 国内外对曲轴模型多采用有限元分析方法但模型简化存
屈服强度 $$(3&(RX8 曲柄销直径 0%AA
厚度#增大曲柄重叠度"为曲轴尺寸优化提供了依据$ 当 以看出"工作转速对应的频率比1 阶的最小频率)S0&(0Q
然"上述四个结构参数不是孤立存在"比如由于曲轴顶端 低"所以曲柄发生共振的概率很低$
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文中对直列四缸发动机曲轴采用XC<*6建立三维模
曲轴固有振动模态与材料和结构有关"与外部载荷及 (()曲柄臂与主轴颈#曲柄臂与连杆轴颈的交界部位
约束无关"因此不施加任何约束$ 曲轴整体的自由模态前 是曲轴振动的危险区"所以曲轴的设计要充分考虑曲柄臂
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机械化工
科技风 /0/1 年 2 月
在不考虑油孔压力峰突然变化的情况下"利用有限宽 度以及轴颈重叠度后"分析其轴颈最大圆角应力的变化"得 轴颈油膜的应力分布"沿轴颈纵向呈二次抛物线分布"沿 出这些参数对曲轴应力集中的影响"如图Q*图1 所示$ 轴颈周向呈余弦分布"由于曲轴受力具有周期性和对称 性"只分析连杆轴颈受到压力时的轴颈圆角应力大小"为 方便载荷施加"将载荷简化为沿连杆轴颈上半面的均布载 荷"其大小为曲轴最大爆发力Q%RX8$
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析航空活塞发动机中的曲轴是发动机的核心部件之一，它负责将活塞的往复运动转化为旋转运动，输出驱动力。
曲轴的设计和制造对发动机的性能和可靠性有着重要的影响。
曲轴的模态分析是指对曲轴在工作过程中的自由振动特性进行分析和研究，以了解曲轴的振动状态和振动特点。
曲轴模态分析的基本原理是利用振动动力学的理论和方法，将曲轴看作是一个复杂的弯曲轴杆，通过对其动力学方程进行求解，得到曲轴的自由振动频率和振型。
曲轴模态分析的目的是找到曲轴振动的固有频率和振型，以及与其振动相关的问题，如谐振、共振、振动幅值、应力分布等。
曲轴模态分析的过程包括以下几个步骤：首先是建立曲轴的有限元模型，将曲轴离散成一系列的节点和单元，约定曲轴的材料性质和边界条件。
然后是对曲轴模型进行求解，通过求解曲轴的特征方程，得到曲轴的自由振动频率和振型。
接下来是对曲轴的振型进行分析和评价，如振型的形状、振型的固有频率和振动模态等。
最后是对曲轴的振动特性进行评估和优化，如计算曲轴的应力分布和变形情况，确保曲轴在工作过程中的振动性能和强度要求。
曲轴的模态分析对于航空活塞发动机的设计和制造具有重要意义。
它可以帮助工程师了解曲轴的振动特性，以便对设计和制造过程进行优化。
曲轴的振动特性与发动机的干涉和噪声有密切关系，通过模态分析可以评估和改善发动机的振动和噪声性能。
模态分析还可以通过计算曲轴的应力分布和变形情况，评估曲轴的强度和可靠性，从而确保发动机的安全运行。
曲轴的模态分析还可以为其他部件的设计和优化提供参考，如连杆、活塞等。
曲轴的模态分析是航空活塞发动机设计和制造中重要的一项技术，它可以提供有关曲轴振动特性和相关问题的信息，为发动机的优化设计和工程应用提供重要依据。
模态分析也是航空发动机研究和动力学领域的重要内容，对于提高发动机的性能和可靠性具有重要意义。
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析【摘要】本文主要对水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的模态分析进行了研究。
在介绍了研究背景、研究目的和研究意义。
在首先对曲轴结构及其重要性进行了介绍，然后详细阐述了模态分析方法和实验设计，接着对实验结果进行了分析并展开了讨论。
在总结了研究成果，展望了未来研究方向，并探讨了该研究的意义和应用前景。
通过本文的研究，可以更好地了解水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的特性，为进一步优化设计和改进工艺提供参考，具有重要的理论和实践价值。
【关键词】水平对置、四缸、航空活塞发动机、曲轴、模态分析、结构、实验、结果分析、讨论、总结、展望、意义、应用。
1. 引言1.1 研究背景水平对置四缸航空活塞发动机是航空发动机中常见的一种类型，具有结构简单、功率高效等优点。
曲轴作为发动机的关键部件，对发动机的稳定运转和性能起着至关重要的作用。
对水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的模态分析具有重要意义。
随着航空业的快速发展，对航空发动机的性能要求越来越高，对曲轴的设计与优化也变得日益重要。
通过对曲轴的模态分析，可以了解曲轴在工作过程中的振动情况，为进一步优化设计提供依据。
本研究旨在对水平对置四缸航空活塞发动机曲轴进行模态分析，探究其振动特性，为进一步优化曲轴设计提供参考。
通过深入研究曲轴的结构及其重要性，运用合适的模态分析方法，设计合理的实验方案，结合实验结果进行分析和讨论，最终总结研究成果并展望未来的研究方向和应用前景。
1.2 研究目的本研究旨在通过对水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的模态分析，探索其振动特性及工作状态下的影响，以提高发动机的性能和可靠性。
具体目的包括：1. 分析曲轴结构的动态特性，了解曲轴在工作过程中的振动情况，为进一步优化设计提供依据；2. 探讨曲轴的模态分析方法，验证该方法在航空活塞发动机上的适用性和精度；3. 设计模态分析实验方案，通过实验获取曲轴的振动模态数据，并对数据进行分析和解释；4. 分析实验结果，总结曲轴在不同工况下的振动特性，为解决发动机运行过程中出现的振动问题提供参考；5. 就研究结果进行讨论，探讨如何进一步优化曲轴设计，提高发动机性能和可靠性。
【COMSOL教程】曲轴模态分析
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后处理器中查看曲 轴的各阶谐振频率
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曲轴模态的分析
活塞的往复运动通过曲轴传递给连杆机构。由于曲轴具有外 形不规则的特点，在高速运动过程中，曲轴所受到的载荷在 急剧地变化着。因此，对曲轴的振动特性进行精确的计算对 于提高曲轴的设计精度及寿命有着重要的意义。
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析在飞机发动机中，曲轴是一个非常重要的部件，它承载着活塞的工作力，并将其转化为满足飞机飞行需要的动力输出。
为了确保曲轴的可靠性和稳定性，对其进行模态分析是非常必要的。
本文将介绍水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的模态分析。
1. 曲轴的结构特点水平对置四缸航空活塞发动机曲轴是一种具有特殊结构特点的曲轴，在设计过程中需要考虑到飞机的振动环境、重量和强度等因素。
该曲轴的分析将有助于优化结构设计，提高飞机发动机的性能和可靠性。
2. 模态分析的意义模态分析是一种分析结构振动特性的方法，它可以帮助工程师了解结构的振动模态、特征频率和振动模式，以及结构在不同模态下的振动情况。
通过模态分析，可以找到结构的振动薄弱环节，提高结构的设计质量，减小振动影响，保证结构的安全性和可靠性。
3. 模态分析方法在进行曲轴的模态分析时，一般可以采用有限元分析方法，将曲轴的几何模型分割成有限个单元，利用有限元分析软件对结构进行模态分析。
通过对结构的有限元模型进行悬挂、激励等条件的加载，计算并分析结构的振动特性，得到结构的模态频率、模态形状和振动模态等信息。
6. 结构优化和改进基于模态分析结果，可以对曲轴的结构进行优化和改进，以提高其性能和可靠性。
可以采用改变结构材料、增加结构支撑、调整结构几何形状等方法，减小结构在振动环境下的应力和变形，降低结构的振动影响，保证结构的安全性和可靠性。
7. 结语水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的模态分析是保证飞机发动机性能和可靠性的重要工作。
通过模态分析，可以了解曲轴的振动特性，找到结构的振动薄弱环节，进行相应的结构优化和改进，提高曲轴的性能和可靠性。
希望本文的介绍能够对相关领域的工程师和研究人员有所帮助。
发动机曲轴静态性能和模态分析
．
ｙ
表２ 发动机 的连杆轴颈载荷表 （ ・ １ １ ． 他 ：Ｎ ／ ｍｍ）
转 角
代号
５
Ｉ ２ ７ ． ５
Ｐ ｂ
２ ４ ７ ． ５
Ｐ ｃ
３ ６ ７ ． ５ ４ ８ ７ ． ５
Ｐ ｄ Ｐ ｅ
６ ０ ７ ． ５
Ｐ ｆ
Ｐ ａ
Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｅ ｒ 模块 ，根据草图中的几何结构尺寸，直接建立
小艾所述 曲轴 的材料的机械 特性 见表 １ 。
表１ 曲轴的材料的机械特性
弹・ 馍 量
设备正常拧 紧功 能 。 为防 止再 次 出现 此 类漏 拧 紧的 发动 机 ｝ 皮 放 行 ，任 Ｐ Ｌ Ｃ 程 序中增 加如果４ 个缸同一 拧紧轴 最终拧 紧 力矩 相 同 ，设备报警 且不放行 的功能 。
观察扳手控制器屏幕 ，其力矩和角度一直显示为第３ 缸
拧 紧后结 果 ，同时右 上角一 直显示 “ ０ ／ ０ ”。
贝 ０ 会使 有 限元的 网格非 常密 ，大 大 增加 ｒ 节 点 方程 的 个数 ，继 而 增加 了数据 准备 的 工作 量和 计算 机 求解 时
析方法对曲轴整体模型进行了应力和变形分析 ，从而
确定 了曲轴的 最大 受 力部 他和 最 大变形 部 位 。然 后又
对单 拐模 型进 行 了应 力应 变 分析 。最 后 ，对 曲轴进 行
终 导致 故障的 发生 。
量 ，才能防患 于未然 。
在很多时候 ，我们所能看到的可能 只是问题的表 象，隐藏在背后的真相需要我们从表象中层层削析 ，
才能发掘 出产生 问题 的根本原 因。
采 取的措 施
针对 已发现 的Ｐ Ｌ Ｃ 拧 紧结果 读取错误 及扳手通讯 卡
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析水平对置四缸航空活塞发动机是一种常见的发动机设计，适用于航空领域。
在设计和优化发动机时，进行曲轴模态分析非常重要。
本文将对水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的模态分析进行探讨。
曲轴是发动机的重要组成部分之一，承担着转换活塞往复运动为旋转动力的功能。
曲轴的模态分析是为了确定曲轴的固有频率和振动模态，以便评估其在运行过程中的受力和振动情况，从而指导发动机的设计。
在水平对置四缸航空活塞发动机中，曲轴的工作条件相对复杂。
由于高速旋转和连续运动，曲轴受到了很大的离心力和惯性力的作用，这会导致曲轴发生弯曲和振动。
模态分析可以帮助设计人员确定曲轴的强度和刚度以及其他结构参数，以确保其在高速运转时的稳定性和可靠性。
在进行曲轴模态分析之前，需要进行模态分析的准备工作。
需要建立水平对置四缸航空活塞发动机的几何模型，并进行网格划分，以便进行有限元分析。
然后，确定边界条件和加载条件，以模拟实际工作条件下的曲轴受力情况。
接下来，使用有限元分析软件进行模态分析，计算曲轴的固有频率和振动模态。
在模态分析过程中，需要注意以下几点。
要选择适当的有限元网格密度，以确保结果的准确性和可靠性。
要考虑到曲轴材料的非线性和非均匀性，以及曲轴与其他组件之间的相互作用。
要检查模态分析结果的合理性，并根据需要进行优化和调整。
根据模态分析的结果，可以评估曲轴的振动特性和受力情况，并确定是否需要进行进一步的结构优化。
可以调整曲轴的几何形状和截面尺寸，以改善其刚度和强度。
还可以采取其他措施，如增加支撑结构和减少不平衡质量，以减小曲轴的振动和噪声。
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的模态分析对于发动机的设计和优化非常重要。
通过模态分析，可以评估曲轴的振动特性和受力情况，并确定是否需要进行进一步的结构优化。
这将有助于提高发动机的性能和可靠性，同时降低振动和噪声的产生。
曲轴静力分析和模态分析
网格划分对分析的影响
全部采用FREE网格同采用部分SWEEP网格的对比 3.节点平均等效应力对比
网格划分对分析结果的影响
全部采用FREE网格同采用部分SWEEP网格的对比 4.各阶模态结果对比
网格划分对分析结果的影响
全部采用Free网格无论在网格划分过程中 以及求解计算和后期处理中，都是相当耗 费时间的，并且网格划分的效果并不理想。
曲轴静力分析
分析类型选择Static 施加载荷 添加位移约束 求解计算
曲轴静力分析
求解计算完成后，进入通用后处理器查看结果
网格划分对分析的影响
全部采用FREE网格同采用部分SWEEP网格的对比 1.网格模型比较
网格划分对分析的影响
全部采用FREE网格同采用部分SWEEP网格的对比 2.模型变形对比
课 题：曲轴静力分析和模态分析
主要内容
1
2 3
课题意义
曲轴模态分析
曲轴静力分析 网格划分对静力影响 致 谢
4
5
课题意义
1
曲轴是发动机中最重要、
2
课题旨在建立曲轴的三 维模型，通过简化载荷 和约束，采用有限元分 析软件ANSYS对其进行 三维有限元分析，研究 整体曲轴的变形、应力 状况以及振动频率。
曲轴模态分析
模型导入
将保存的IGES标准格式的模型数据文件导入ANSYS中
曲轴的模态分析
网格划分
1.网格密度定义为0.03 2.对于轴对称的体图元进行 SWEEP网格划分 3.对于余下体图元进行FREE 网格划分
分析阶数定义为5阶 添加位移边界条件 求解计算各阶模态值
1
2
采用SWEEP网格和FREE网格结合，所获 得的求解结果更符合实际工况，更能保证 曲轴的强度
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析
活塞发动机是一种常用于飞机上的内燃机。
在水平对置四缸航空活塞发动机中，有四个活塞和一个曲轴。
曲轴是发动机的核心部件之一，它将活塞的上下往复运动转化为旋转运动，并输出动力。
曲轴在工作过程中承受着很大的负载和振动，因此需要进行模态分析来评估其结构的稳定性和可靠性。
模态分析是一种研究结构的固有振动特性的方法，可以得到结构的各种振动模态和固有频率。
在进行曲轴的模态分析前，需要对其进行有限元建模。
有限元建模是将曲轴分割成一系列有限大小的单元，并对每个单元进行网格划分，然后确定单元的材料特性、几何特征等。
通过有限元建模，可以将曲轴的连续体转化为离散的节点和单元。
然后，通过求解曲轴的有限元方程，可以得到曲轴的模态振型和固有频率。
模态振型是指在特定的固有频率下，曲轴的形状和振动方式。
固有频率是指曲轴在自由振动状态下的振动频率，也称为共振频率。
在模态分析中，通常会得到多个模态振型和固有频率。
通过分析各个模态振型的变化规律和影响因素，可以评估曲轴的结构与振动特性，并找出可能存在的问题和改进方向。
模态分析的结果可以用于设计优化和工程改进。
如果某个模态振型的频率接近发动机的工作频率，可能会产生共振现象，导致结构破坏或运行不稳定。
在这种情况下，可以通过增加结构的刚度或调整工作频率来避免共振。
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的模态分析是一项重要的工作，可以评估其结构的稳定性和可靠性，并指导发动机的设计和改进。
通过模态分析，可以提高发动机的性能和可靠性，为航空领域的发展和进步做出贡献。
发动机曲轴的预负载计算模态分析法
第20卷第5期2006年9月山东理工大学学报(自然科学版)Journal of Shandong U niv ersit y of T echnolog y(Sci &T ech)V ol.20N o.5Sep.2006收稿日期:20060327基金项目:国家自然科学基金资助项目(50465001)作者简介:刘加光(1963男,副教授.文章编号:1672-6197(2006)05-0026-04发动机曲轴的预负载计算模态分析法刘加光1,陈义保1,罗 震2(1.烟台大学机电汽车工程学院,山东烟台264005;2.华中科技大学机械学院,湖北武汉430074)摘 要:曲轴作为柴油发动机的重要零部件,其静强度和动力学特性对发动机整体的使用寿命有着直接的和重要的影响.本文利用计算机辅助工程分析方法,对某型坦克柴油发动机的曲轴分别进行了考虑预应力作用的计算模态分析.采用考虑预负载的Lanczos 修正法进行发动机曲轴的固有特性的计算,得出曲轴有限元模型的前20阶固有振动频率及其相应固有振型.同时,结合计算结果,分析了不同阶次固有特性对曲轴性能的影响情况,结果表明了EFGM 算法的正确性和有效性.关键词:发动机曲轴;计算机辅助工程;有限元法;模态分析中图分类号:TK402文献标识码:AThe method of computational model analysis forpre -stressed engine crankshaftLIU Jia -guang 1,CH EN Y-i bao 1,LU O Zhen 2(1.School of M echanical and Electro nical &Automobile Eng ineer ing,Yantai University,Yantai 264005,China;2.School of M echanical Engineering,H uazhong U niversity of Science and Technolo gy ,Wuhan 430074,China)Abstract:Crankshaft is a very im por tant part in diesel eng ine,its static strength and dynam -ic speciality have an important effect on the service of eng ine.In this paper,com puter aided engineering analysis method is used.The co mputational mo dal analysis of the crankshaft of atank diesel engine is perfo rmed considering the nczo s revisio n method is used to compute the inherence speciality of the crankshaft o f the engine.According ly,the front tw enty ranks inherence v ibration frequency and its corresponsive inherence vibr ation mo del of finite elem ent mo del of crankshaft is determ stly,a typical exam ple is perform ed to substantiate the v alidity of the computation metho d.Key words:engine crankshafts;computer aided engineering;finite element m ethod;mo dal analysis系统的固有特性分析是结构动力学分析的重要内容,也是用振型叠加法求解系统动态特性响应的基础[1].系统的固有特性包括系统的固有频率和模态振型.模态分析方法主要有实验模态和计算模态方法,本文主要研究计算模态分析方法.曲轴是坦克发动机中最重要的和承载最复杂的主要零件之一,它通过主轴颈和主轴承座接触支撑在机体上.曲轴的刚度不足,将导致主轴颈的弯曲与歪斜变形,影响发动机的工作和整机寿命.近年来的实践表明曲轴的疲劳破坏和振动问题已经给坦克发动机造成了一定的危害.由于发动机强化程度越来越高,曲柄臂显得越来越单薄,曲轴振动所引起的一系列问题日益突出.已有文献对曲轴的振动问题进行研究[2,3],但很少有文献研究曲轴在预负载作用下的振动分析问题.结构的预应力会改变结构的刚性,对于坦克发动机而言存在着类似的问题,所以预应力结构模态分析是发动机结构设计中所要考虑的重要因素之一.传统的计算模态分析过程,很少考虑预应力对结构模态的影响情况.本文基于有限元方法[4,5],运用计算机辅助工程分析软件[6],对某型坦克的八缸柴油发动机曲轴进行了计算模态分析.阐述了2种不同模态下的相同点和不同点,并给出了原因和结论,为发动机曲轴的设计提供了重要的参考依据.1 曲轴的实体模型和有限元模型曲轴的几何建模采用了CAD 软件UG,采用IGES 格式作为UG 几何建模软件和CAE 分析软件之间的几何信息传递格式.曲轴的三维CAD 模型如图1所示.由于IGES 格式在各种CAD 软件中的定义略有差别,复杂的曲面的几何模型信息容易在有限元分析中丢失或局部畸形.因此,建立有限元模型时,在力求准确反映实弹物理模型的基础上,对一些次要的因素和对分析结果影响很小的因素予以合理简化,这些简化的次要结构形式对整个结构的固有特性影响很小,可忽略不计.曲轴有限元网格划分采用四面体单元,曲轴的材料采用合金钢,网格划分采用智能网格划分,选用8节点Solid45单元,划分精度为3级.在自动划分网格以后,对曲轴的危险地带以及细小特征进行了细划,以提高计算精度和防止产生畸形网格.曲轴划分共产生节点总数为173021个,单元总数为679309个.图2为曲轴的三维有限元网络模型.根据曲轴的实际工作情况,曲轴的主轴径有5个滑动轴承支撑,其中第3主轴径的滑动轴承为止推轴承.因此将第3主轴径的表面节点施加径向对称约束,同时约束Z 方向的位移,对于其余的主轴直径仅仅施加径向对称约束.模态分析是一个线性分析,任何非线性成份将被忽略.而且在模态分析中只可以定义零位移约束.如果定义了非零位移约束,程序也将以零位移取代.在未加位移载荷的方向上,程序将计算刚体位移以及高阶自由体模态.如果定义了除位移外的其他载荷,在模态提取的过程中将被忽略.2 曲轴预负载频率的求解无阻尼自由振动的运动方程[4,5]为[M ]{a(t)}+[K ]{a(t)]=0(1)对应的特征方程[4,5]为[K ]{ i }- 2[M ]{ i -1}=0(2)对于具有几万个自由度的大型系统,求全部的固有频率和振型向量是非常困难的.由于系统较低的若干阶固有频率对其响应的贡献最大,只需要解少数的固有频率和振型向量,因此在有限元中发展了一些适合上述特点的效率较高的解27第5期 刘加光,等:发动机曲轴的预负载计算模态分析法法.Lanczo s向量的直接迭加法是根据载荷的空间分布模式按一定的规律生成的一组Lanczos向量,在将系统运动方程转换到这组Lanczos向量空间以后,只要求解一次缩减了的标准特征值问题,再经过坐标系的变换,就可以得到原系统运动方程的部分特征解.此方法不需子空间迭代法那样进行多次迭代,可避免漏掉可能激起的振型和引入不可能激起的振型,提高计算效率.高速旋转的曲轴导致离心力的产生,离心力的作用又带来曲轴结构刚度的变化,从而使结构的固有特性发生变化,即预应力的存在使结构的振动特性相对空载时发生了改变.对于小变形,结构的变形不计入几何尺寸中,只要修改相应的刚度矩阵就可以了.对于承受预应力明显的结构,预应力的结构模态分析是结构设计所要考虑的重要因素之一.预应力的模态分析和正常结构的模态分析基本相同,主要区别是在进行模态分析之前先进行预应力的静态结构分析.曲轴的预负载指的是曲轴旋转角速度,首先对曲轴进行静力学分析,将由离心力带来曲轴结构刚度的变化效应计入到曲轴的刚度矩阵中.曲轴静力学分析的几何模型和有限元模型以及边界条件同曲轴无预负载影响一样.曲轴的额定转速n=2000r/m in,那么曲轴的转动角速度的计算公式为 =2 n/60,可得 =209.3rad/s.经过曲轴静力分析的结果可以发现,离心力造成了曲轴在一些部位的应力集中,这些部位主要集中在连杆颈和曲柄臂的结合部、主轴颈和曲柄臂的结合部,应力最大处高达50.4M P.此时,系统新的特征方程变为[K]{ i}-( 2s+ 2n)[M]{ i-1}=0(3) [M]为系统的质量矩阵; n为系统固有频率; s为质量块的旋转角速度.由此方程可清晰地看到由于预负载影响而导致系统固有频率的变化. Lanczos法求解的具体步骤可参考文献[1,4].3 曲轴的振动频率及其结果分析用ANSYS软件求解曲轴在预负载下的2~ 20节频率,在进行曲轴的频率分析计算之前,打开其中的预应力选项开关.计算得预应力曲轴的固有频率(单位:H z)分别为837;954;1126;1313;1380;1723;2495; 2699;2909;3211;3668;3985;4417;4682;5243;5355;5413;5505;5794.预负载曲轴各阶振型如图3~图9所示.对照曲轴振型图可以发现,第二阶振型是扭转振型,主要表现为曲轴以第3主轴颈为中点,1,2主轴顺时针的扭振,4,5主轴颈及相应曲柄臂做逆时针的对应的对称扭振.第三阶振型主要表现为曲轴左端的上下摆动,且幅度较大,同时曲轴的右端伴有小幅度的逆时针的扭振.第四阶振型主要表现为曲轴右端较大幅度的轴向拉伸,其中4,7,8曲柄臂变形最大,同时曲轴右端做小幅度的上下摆动.第五阶振型主要表现为曲轴左端做大幅度水平方向的摆动,曲轴右端做小幅度的扭振.第八阶振型主要表现为曲轴左端的扭振,第2,3,5,6曲柄臂伴有大幅度扭曲的扭振,曲轴右端做小幅度的水平摆动.第十阶振型主要表现为曲轴第2, 3曲柄臂的沿轴向的弯曲摆动,第7,8曲柄臂也有小幅度的扭振.第十九阶振型主要表现为第2, 3曲柄臂相对于第1曲柄臂的沿曲轴轴线方向的大幅度的扭曲摆动,曲轴的左端做小幅度的扭振.可以进一步发现,曲轴的低阶模态基本全是扭转振动或以扭转振动为主要形式.对于第十九阶负载模态相对于不考虑离心力影响的模态4.4H z 的变化,主要是因为曲轴高速旋转,在曲柄臂处形成了很大的离心力,提升了曲柄臂附近的刚度.28山东理工大学学报(自然科学版)2006年曲轴在运转时,其每个曲拐上都作用大小和方向做周期性变化的切向力和法向力,因此,曲轴产生周期性变化的扭转和弯曲变形.由于曲轴一般均采用全支撑结构,轴跨度小,弯曲刚度大,弯曲振动的固有频率很高,一般不会在曲轴的工作范围内产生共振,因而不至于因为弯曲振动引起曲轴破坏.扭转振动则不同,特别是在多缸内燃机的情况下,曲轴很长,展开长度更长,扭转刚度较小,所以扭转频率较低,在工作范围内容易发生强烈的共振,在设计阶段如果不注意,容易产生曲轴的扭断.因此,扭转振动问题对曲轴来说是不可忽视的,对高速的多缸机来说更是如此.4 结束语通过本文的研究,可以发现曲轴的低阶模态基本全是扭转振动或以扭转振动为主要变形形式,因而曲轴在预负载下容易引起扭转共振,这和理论的分析是一致的.因此,研究坦克发动机中曲轴在预负载作用下的计算模态分析,利用分析结果在设计中修正曲轴的固有频率,避开曲轴容易发生共振的危险频率段,对于这种大型而且运转速度较高的结构具有重要的意义.既可以避免由于曲轴共振引起的一系列破坏,又能保证曲轴的安全运行,延长曲轴的使用寿命.参考文献:[1]Bath e K J.Finite elem ent procedu res.en glew ood cliffs[M ].NJ:Pren tice Hall Inc,1996.[2]M our elatos Z P.An Efficient cran kshaft dynamic analysis u -sing sub structurin g with ritz Vectors [J ].J ou rnal of Soun d and vib ration,2000,238(3):495-527.[3]Kang Y,Sheen G J,T seng M H ,et al.M odal an aly sis an dexperim ents for engine crank shafts[J].J ou rnal of Sound an d Vibration,1998,214(3):413-430[4]王瑁成.有限单元法[M ].北京:清华大学出版社,2002.[5]朱伯芳.有限单元法原理及其应用(第二版)[M ].北京:中国水利水电出版社,1998.[6]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS 上的实践[M ].西北工业大学出版社,1999.29第5期 刘加光,等:发动机曲轴的预负载计算模态分析法。
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析我们需要了解水平对置四缸航空活塞发动机的构造特点。
该类型的发动机属于内燃机，通过燃油燃烧产生的高温高压气体推动活塞运动，从而驱动飞机达到飞行的目的。
它的曲轴位于发动机的底部，通过连杆与活塞相连，将活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动，从而驱动飞机的螺旋桨或者涡轮。
曲轴在发动机中起着非常重要的作用，它需要承受高速旋转和交变载荷的作用，在发动机设计和优化中占有重要地位。
进行水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析的目的主要包括以下几个方面：一是了解曲轴在不同工况下的振动特性，包括自由振动和受迫振动；二是评估曲轴的强度和刚度等结构特性，以确定曲轴的设计参数和材料选择；三是为了优化曲轴的设计，减小其质量和惯性矩，提高发动机的性能和工作效率。
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的模态分析可以采用有限元分析方法进行。
首先需要建立曲轴的有限元模型，包括对曲轴的几何形状、材料属性、边界条件等进行合理的建模和设定。
随后可以采用商业有限元分析软件，如ANSYS、ABAQUS等，对曲轴进行模态分析，得到曲轴在不同振动模态下的振动频率、振型和应力分布等。
通过模态分析，可以得到曲轴的主要振动模态和对应的临界转速，从而评估曲轴在运转中的振动状况，为优化设计提供依据。
曲轴的模态分析结果可以为发动机的设计和优化提供重要参考。
首先是对曲轴的自由振动特性进行评估，该结果可以为发动机的设计提供重要信息。
通过模态分析得到的曲轴的振动频率和振型可以指导对曲轴结构参数的优化设计，从而降低曲轴的振动水平，提高发动机的可靠性和稳定性。
模态分析结果还可以评估曲轴在受迫振动下的响应，包括在不同工况下的应力分布和疲劳寿命评估，为曲轴的强度和耐久性设计提供参考。
除了模态分析外，水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的优化设计还涉及到材料选择、几何形状设计、制造工艺等方面。
在材料选择上，需要综合考虑曲轴的强度、刚度、密度、耐疲劳性等因素，选择合适的高强度合金材料，如铝合金、钛合金等。
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析曲轴是航空活塞发动机最重要的运动机件。
发动机工作时，燃气压力通过活塞、连杆传递给曲轴，带动螺旋桨和其他附件工作。
曲轴受力复杂，既要承受周期性的燃气传递过来的压力（曲轴转动两圈，各缸燃气爆发1次），还要承受自身质量带来的惯性离心载荷，以及带动螺旋桨、发动机附件的扭矩，且这些载荷会随着飞行阶段的不同而变化，再考虑到振动载荷，容易造成曲轴的结构故障。
曲轴的刚度和强度直接影响到活塞发动机的动力和运转特性，某飞行训练单位的初教机所配装的水平对置四缸航空活塞发动机在使用过程中，就曾经出现过曲轴配重块因为轴系扭转振动而导致断裂掉块的严重故障，造成发动机空停。
本文选取某水平对置四缸航空活塞发动机的曲轴为分析对象，基于ANSYS Workbench软件平台进行固有模态分析，以期发现该曲轴固有振动的规律，为后续结构分析和排故提供依据。
1 分析对象和有限元建模选取某水平对置四缸航空活塞发动机的曲轴为分析对象，该航空活塞发动机是国内主流的飞行员训练机型配发，基于有限元软件平台ANSYS建立起三维有限元模型，并进行模态分析。
提取曲轴结构尺寸参数，在ANSYS Workbench的DM模块中建立曲轴的三维实体模型。
结构总体特征可见图1所示，曲轴从前往后：螺旋桨安装法兰盘，第一个主轴颈，1号和2号汽缸的曲柄，第二个主轴颈，3号和4号汽缸的曲柄，第三个主轴颈（轴尾）。
为方便网格划分，在几何建模过程中，省略了对模态分析影响不大的轴颈与曲臂、轴颈与螺旋桨安装法兰盘之间的倒角、倒边等细小结构。
取曲轴材料为40Cr，其材料常数见表1所示。
网格划分时，曲臂部分采用Tet 10单元，曲臂和主轴颈、曲颈的连接部位采用Pyr 13单元，主轴颈和曲颈采用Hex 20单元，主轴颈和曲颈的边缘部分采用Wed 15单元，最后，该曲轴共划得436 272个单元，899 774个节点。
实际发动机中：一方面，曲轴主轴颈和滑动轴承之间依靠压力油膜进行润滑，本文分析对象受三个滑动轴承支撑，因此在其有限元模型中，将曲轴上对应这三个滑动轴承的主轴颈表面施加径向对稱约束，即无摩擦约束（frictionless support）;另一方面，使用止推轴承防止曲轴的轴向串动，而曲轴在受热膨胀时又有一定的轴向伸长量，所以有限元模型中，只在轴尾后表面施加轴向位移约束。
曲轴模态分析
在前 ８ 阶曲轴振 型 图 中,曲 轴 的 形 变 主 要 表 现 为
弯曲和 扭 转. 如 图 ２ 所 示,产 生 扭 转 最 严 重 的 是 第 １
阶模态,振动频率主要集中在４４．
５Hz附近,曲轴变形
表现为离中心轴线 的 距 离 越 远,变 形 程 度 越 剧 烈. 如
图 ３ 所示,第 ６ 阶模态表现为弯曲振动,但出现了波浪
它是模态分析的常用求解器[４].在分析步设置
中关注前８个特征Biblioteka ,输出的最小频率为 １０Hz,也就是
计算的模态振型是１
０Hz以上的连续８阶曲轴模态.
３．
１ 曲轴固有频率
模态分析得到的曲轴前 ８ 阶固有频率如表 ２ 所示.
从表 ２ 中可以看到,曲轴的最 小 固 有 频 率 为 ４４．
５
/mi
Hz.以曲轴 ２０００r
摘要:使用 CAD 软件建立曲轴模型后导 入 ABAQUS 中 进 行 曲 轴 模 态 分 析. 通 过 对 曲 轴 施 加 约 束 载 荷 进 行
仿真分析,得到曲轴的固有频率和模态振型.将网格节点的变形位移和模态振型结合起来,精确分析曲 轴 每
阶模态的振动形态.分析结果表明:网格节点的位移分析对优化曲轴的振动变形是一种有效方法.
３．
２ 曲轴模态振型
输出曲轴模态振 型 图,为 了 便 于 观 察 曲 轴 模 态 变
形,设置变形缩放系数为 ６９.
阶数
１
２
３
４
表 ２ 曲轴前 ８ 阶固有频率
固有频率(Hz)
阶数
４９．
４４５
６
４４．
５０３
５
１８９．
５２
７
２４６．
６３
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析
水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析引言航空活塞发动机是飞机的动力来源，其中的曲轴是发动机核心部件之一。
曲轴作为发动机的动力传递装置，受到机体的振动和冲击，在实际使用中会出现失效或者疲劳的问题。
对曲轴进行模态分析，可以有效地预测曲轴在工作中可能出现的问题，以及提高曲轴的可靠性和使用寿命。
本文将进行水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的模态分析，对其进行理论分析和实验验证，为飞机发动机的设计和制造提供一定的参考和指导。
一、水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的工作原理水平对置四缸航空活塞发动机是一种常见的飞机发动机类型，其曲轴主要由曲轴主轴、曲轴偏心轴、曲轴连杆小端轴承孔和连杆大端轴承孔等部件组成。
在发动机工作时，活塞的往复运动通过连杆转化为曲轴的旋转运动，从而驱动其他部件实现发动机的正常工作。
二、水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的模态分析原理1. 模态分析原理模态分析是一种针对机械结构的振动特性进行分析的方法。
通过对机械结构进行有限元建模，结合求解数学模型的特征值和特征向量，可以得到结构的固有振动频率和振型。
模态分析可以用于预测结构在外力作用下的振动响应，并且是动力学分析的重要工具之一。
2. 水平对置四缸航空活塞发动机曲轴的模态分析对水平对置四缸航空活塞发动机曲轴进行模态分析，主要是为了确定曲轴在工作过程中可能出现的共振频率，并对其进行合理设计和强度计算。
通过模态分析，可以找出曲轴在不同频率下的振型和振动幅值，为结构的合理设计提供支持。
三、水平对置四缸航空活塞发动机曲轴模态分析方法1. 建立有限元模型需要对水平对置四缸航空活塞发动机曲轴进行有限元建模。
将曲轴的几何形状和材料特性输入有限元分析软件中，建立曲轴的有限元模型。
2. 进行模态分析计算在建立好有限元模型后，需要进行模态分析的计算。
通过有限元分析软件可以得到曲轴在不同频率下的固有振动频率和振型。
3. 模态验证实验将对模态分析的结果进行实验验证。
通过激振实验或者模态识别实验，可以对曲轴的振动特性进行验证，从而保证模态分析的准确性。
曲轴模态分析的有限元方法
曲轴模态分析的有限元方法
阳松林
【期刊名称】《汽车科技》
【年(卷),期】1991(000)005
【总页数】1页(P19)
【作者】阳松林
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】U464.133.3
【相关文献】
1.基于有限元方法的桥式切石机横梁模态分析 [J], 任朝军
2.基于有限元方法的高速铁路H型钢柱模态分析 [J], 杨建
3.基于有限元方法的汽车排气系统模态分析 [J], 孙慧;苏小平
4.基于有限元方法的深井提升机制动系统模态分析 [J], 郝雪弟;张艺萱;刘冰;张雪;刘贺伟;孟国营
5.基于有限元方法的汽车排气系统模态分析 [J], 孙慧;苏小平
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曲轴的疲劳和模态分析
∃p ——圆角弯曲形状系数, 由公式求得 ∃p = 1. 770 2 ∃1—— 因 圆角半 径过小 引起 的固有 应力集 中系 数, 查参考文献[ 6] 得到 ∃1= 2. 2 ∃2——总应力不均匀度系数, 由下式确定:
∃2 = ∃p / ∃1 = 0. 805 这里近似取: K = ∃2= 0. 805
n=
-1
Kk !∀
a+
#
m
=
240. 23
69.
91
×
1. 1.
55 45
× ×
0. 0.
8 05 7 02
+
0. 333 3 × 36. 92
= 2. 45
考虑到多缸发动机曲轴一般扭转振动以及动载荷
r
2=
2. 1 ×
60 192
×(1
+
0. 3125) × 0. 06
×
(
2
800 × 60
2
)2 =
333 3. 4 N
( 2)
Pr2 =
mjz ( 1 +
R L
)
r
2=
1. 83 × 1. 312 5
×
0.
06
×
(
2800 × 60
2
)2 =
12390. 1 N
( 3)
3) 连杆大头的旋转惯性力 P r 3:
2003 年第 5 期
·25·
设计与计算
曲轴强度模态分析报告
柴油机曲轴ANSYS计算报告蔡川东:20114541目录1摘要32workbench高级应用基础32.1接触设置 (3)2.2多点约束MPC (4)3模型介绍53.1模型简化 (5)3.1.1轴瓦建立 (6)3.1.2质量块建立 (6)3.2材料性能和参数 (7)3.3有限元模型构建 (7)4强度分析94.1理论简介 (9)4.2载荷工况 (9)4.3计算分析 (11)5模态分析125.1理论简介 (12)5.2约束条件 (12)5.3计算分析 (12)6结果与讨论131摘要曲轴是柴油机中最重要的部件之一，也是受力情况最复杂的部件，他的参数尺寸以及设计方法在很大程度上影响着柴油机的性能和可靠性。
随着柴油机技术的不断完善和改进，曲轴的工作条件也越来越复杂。
曲轴设计是否可靠,对柴油机使用寿命有很大影响，因此在研制过程中需要给予高度重视。
因此，对曲轴的结构进行强度分析在柴油机的设计和改进过程中占有极为重要的地位。
此外，在周期性变化的载荷作用下，曲轴系统可能在柴油机转速范围内发生共振，产生附加的动应力，使曲轴过早的出现弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏，因此有必要对曲轴进行动态特性分析以获取其固有频率避免共振带来不良影响。
本文以六缸柴油机的曲轴为对象，计算分析了曲轴在一种载荷工况下的强度分析，找出其最大应力所在位置，以及讨论起是否在参考安全范围内，为曲轴设计中的强度计算提供一种可行性方案。
同时对曲轴进行模态分析，找出其各阶固有频率，并观察其各阶模态形状，为柴油机避免共振提供数据参考。
实验采用有限元法对曲轴进行分析，有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，是分析各种结构问题的强有力的工具，使用有限元法可方便地进行分析并为设计提供理论依据。
本文利用曲轴的三维模型IGES文件，导入Workbench中进行工况设计。
比较准确地得到应力、变形的大小及分布和曲轴的固有频率及振型。
2workbench高级应用基础2.1接触设置(1)接触问题属于不定边界问题，即使是弹性接触问题也具有表面非线性，其中既有由接触面积变化而产生的非线性及由接触压力分布变化而产生的非线性，也有由摩擦作用产生的非线性。
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第4章曲轴模态分析
模态分析分为三大类：自由模态分析、约束模态分析、带预应力的模态分析。
自由模态和约束模态只是边界条件不同而已，所谓“自由”就是被分析的部件没有任何的约束，有限元分析的频率就是部件的固有频率，而约束模态是分析前处理好部件工作时的边界条件，模拟工况，在实际工程中，自由和约束两种边界广泛的存在，如飞机、火箭、导弹、子弹等为自由边界条件，而机床、发动机零件等为约束边界条件。
对曲轴的自由模态分析可以求得曲轴的固有频率、振型等，了解曲轴的自身特性，为以后的动力学分析奠定了基础。
4.1 曲轴模态分析步骤与操作
4.1.1 模态分析步骤
有限元模态分析的步骤如下图
4.1.2 模态分析具体操作
1、模态分析前处理：第2章建立好的有限元模型已经做好前处理，直接调用曲轴有限元模型。
2、模态分析求解：
（1）Solution>Analysis Type>New Analysis>Model，新建求解类型为模态求解；
（2）在Analysis Option 中，选择算法，选择“Block Lanzcons”,选择10阶矩阵运算；
（3）在算法选项中选择截止频率为“100000”，设置求解频率范围；
（4）依次选择：Solution>>solve>>Current LS，跳过步骤中警告，观察运行代码，并等待运算结束。
（5）待出现“Solution done”提示，点击“Close”。
依次点击：General Postproc>Results Summary，出现计算的结果，即曲轴的固有频率。
3、进行模态扩展求解
（1）依次选择：Solution>Load step opts>ExpansionPass>Single Expand>Expand Model，进行设置。
频率范围：0—100000 ；
（2）依次选择：Solution>Load step opts>DB/Results File，选择每步操作都进行到每个子空间（Substep）；
（3）依次选择：Solution>Load step opts>Solu Pintout，选择Every substep；
（4）依次选择：Solution>>solve>>Current LS，跳过步骤中警告，观察运行代码，并等待运算结束。
（5）待出现“Solution done”提示，点击“Close”。
4、查看各种振型
（1）依次选择：General Postproc>Read Result>First Set，读取第一阶振型；
（2）依次选择：General Postproc> Plot Results>Contour Plot>>Nodal Solu，选择Displacement vector sum，查看总变形图。
注意：每查看一种振型，要选择“Next Set”，在重复第（2）步操作查看振型图。
4.2 自由模态分析
4.2.1 边界条件
本章节是计算曲轴的自由模态，所以不需要对曲轴添加任何的约束与力。
取第2章节中的曲轴有限元模型进行模态分析，为保证计算结果能真实的反映曲轴的动态特性，本文以整根曲轴作为研究对象。
由振动理论可知，引起发动机共振的频率都是曲轴较低阶次的固有频率。
因此我们在求解扩展模态时提取前10阶模态就能达到目的；因为三维结构的模型在无约束边界条件下的前6阶固有频率是接近于0的刚体模态，真正的第一阶模态应该是从第7阶开始，及往后的10阶模态。
表4-1为曲轴前10阶非零模态固有频率。
表4-1 曲轴前10阶非零模态固有频率
图4-1 曲轴第一阶模态振型图
图4-2 曲轴第二阶模态振型图
图4-3 曲轴第三阶模态振型图
图4-4 曲轴第四阶模态振型图
图4-5 曲轴第五阶模态振型图
图4-7 曲轴第七阶模态振型图
图4-8 曲轴第八阶模态振型图
图4-9 曲轴第九阶模态振型图
表4-2
由上面的求解结果和模态振型可知，在曲轴的前10阶模态中，其最低频率为300.74HZ，随着阶次的上升，其频率也随之增大。
可是，从发动机各部件这间的动态干扰性来说，考虑到此发动机的转速范围是500—3000n/min，其基频为15—50HZ，而此发动机的最低阶模态的固有频率远高于基频；所以，曲轴的设计避开了共振频率，动态性能已满足，结构设计是合理的。
4.3 曲轴的约束模态分析
约束模态分析是给分析对象添加边界条件的模态分析，约束模态更加接近曲轴的工程实际情况，更能反映出曲轴的动态特性。
发支机曲轴在实际运动过程中，滑动轴承的约束会对曲轴的振动造成一定的影响，为实际模拟发动机曲轴的振动天幸，对曲轴进行约束模态分析，其前处理与自由模态分析相同。
4.3.1 边界条件
发动机曲轴实际工作时受到主轴承和止推轴承的约束，纵向止推轴承可以有交防止曲轴的轴向窜动；此曲轴有5个主轴颈，为模拟主轴承和止推轴承的实际约束情况，分别对5个主轴颈表面施加径向对称约束，为控制发动机在工作时曲轴的窜动，又要保证曲轴受热膨胀，所以只能在曲轴一端面施加位移约束（X=0），如下图：
4.3.2 模态分析结果
图4-11 曲轴第一阶模态振型图
图4-12 曲轴第二阶模态振型图
图4-13 曲轴第三阶模态振型图
图4-14 曲轴第四阶模态振型图
图4-15 曲轴第五阶模态振型图
图4-16 曲轴第六阶模态振型图
图4-17 曲轴第七阶模态振型图
图4-18 曲轴第八阶模态振型图
图4-19 曲轴第九阶模态振型图
图4-20 曲轴第十阶模态振型图
4.4曲轴带预应力的模态分析
曲轴在实际工作时除了受轴承的约束，还受到来自连杆的推力；因此，为保证曲轴设计的安全性，还应对曲轴进行带预应力的模态分析。
4.4.1 边界条件建立
在约束模态的基础上，施加连杆的推力约束。
发动机气缸最大爆发压力时，曲轴的受力是最大的，位于上止点转过10度，计算出曲轴转过190度时曲轴的最大受力。
4.4.2 模态分析结果
F 1
F 2
4.4 本章小节。