汽车曲轴应力ansys分析报告

机械结构分析专题报告

课程：机械结构分析专题

班级：工力1班

姓名：

学号：

指导老师：潘亦苏

二〇一六年十月

1 模型的简化

由于原模型的细节较多，如倒圆角、螺栓孔、油孔，有限元分析中这些细节并不会对计算结果产生较大影响，却能给建模过程带来极大的困难，尤其是网格的划分。因此首先对模型不必要的细节进行处理。处理前后效果图如下：

图1 模型原图图2 模型处理结果图

2 模型的参数设置

模型中曲轴的材料参数表如下：

表1 曲轴材料参数表

此外，为使曲轴在工作环境中达到动平衡从而减少曲轴与发动机轴承间的磨损，需要在曲轴的另外一端面加上平衡块。具体形状及参数如下：

图2 质量块装配图图3 质量块

其中，平衡块质量为10.44Kg，质量块的质心坐标为172.1mm。不考虑质量块具体形状的影响，我们在模型中将质量块简化为一个质量点，位置为距装配面

面心为172.1mm。并且将质量点用mass单元进行划分，通过实常数定义其质量。至于质量快与曲轴的接触采用MPC方法进行处理，在质量点与装配面之间建立node-surface接触，接触单元选择为target170，接触性质为flexible。建模效果如下图:

质量块及接触

图3 质量块及接触定义

3 模态计算

3.1 自由模态

接着前述步骤开始划分网格，网格划分采用全局划分，为减少计算量，设置模型独立几何块划分的最少数量为7(本模型中进行网格划分的最少数量)，并且采用自由网格划分方法，划分得到网格数目为130740，最终得到网格的划分结果如下：

图4 自由网格划分结果

由于计算自由模态，因此不需要施加约束及载荷，直接进行计算得到曲轴前10阶数模态结果如下表：】

表2 自由模态计算结果

计算得到前3阶自由模态为0，4~6阶模态近乎等于0，符合刚体移动的实际情况。7~10阶模态如下图所示

图5 第七阶模态图6第八阶模态

图7 第九阶模态图8第十阶模态

3.2 约束模态计算

计算完自由模态后计算约束模态，施加的约束为限制轴承轴颈处的径向位移，同时约束轴承

图9 轴颈的径向约束图10 输出端轴向约束计算模型的前10阶频率如下表

图11 第一阶约束模态图12 第二阶约束模态

图13 第三阶约束模态图14 第四阶约束模态

图15 第五阶约束模态图16 第六阶约束模态

图17 第七阶约束模态图18 第八阶约束模态

图19 第九阶约束模态图20 第十阶约束模态

3.3 模态计算结果讨论

通过计算结果可知，曲轴工作的转速为1000r/min，转动频率为16.7Hz，实际工况下曲轴不能产生自由刚体移动及转动，因而曲轴最低的约束频率为19.79Hz，所以不会产生共振的情况。

4 强度分析

计算完曲轴的模态后开始对曲轴工作状态下的强度进行分析，由于曲轴工作

时处于匀速转动状态，因此采用静力分析求解器即可计算得到曲轴工作情况下整体的应力应变分布图，从而完成对曲轴强度刚度的校核。由于问题中给出了曲轴的屈服应力为637MPa，选取安全系数n为1.5，则有名义屈服应力为424.7MPa。曲轴材料为延性钢材，采用第四强度理论计算曲轴的Mises等效应力来校核曲轴的强度。

4.1 曲轴的轴套的约束处理

在实际情况下，曲轴是通过轴瓦支撑，与轴瓦之间接触紧密，因此轴瓦与主轴颈之间采用接触单元来模拟。在计算过程中取轴瓦的尺寸如下。

图21 轴瓦装配图及轴瓦详图

首先对轴瓦划分网格，划分数量为7，划分时利用计算精度较高的映射网格划分。之后定义轴瓦与曲轴之间的接触，接触单元为contact 175，接触类型选择为surface-surface的接触对，接触对象为曲轴的轴颈面与轴瓦的内径面。

图22 接触对建立效果图

4.2 约束的施加

在轴瓦的外表面约束所有位移转动，同时约束输出端的所有位移

图23 轴瓦的外表面约束

4.3 载荷的施加

施加的载荷主要分为曲轴的匀速转动所产生的集中力及1缸发火时连杆对曲轴产生的作用力。曲轴转动的角速度为104.7rad/s，各连杆对曲轴作用力如下表：

4.4 计算结果

最终计算得到曲轴的Mises应力及曲轴变形图如下:

图24 曲轴Mises应力计算图

图25 曲轴位移图

4.5 强度校核

最终计算得到Mise应力为585MPa，材料屈服应力为637MPa，取安全系数为1.5，则有名义屈服应力为437MPa。材料应力大于437MPa，则视为曲轴已达到破坏。