【2019年整理】四缸发动机曲轴的CATIA建模即ANSYS模态分析

目录
1. 绪
论 ...........................................
(2)
1.1
研究背
景 ........................................
(2)
1.2
研究内
容 ........................................
(2)
1.3
所用软件的介
绍 (2)
2 曲轴的 CATIA三维建
模 (3)
2.1. 创建第一平衡
重 ...........................................
(3)
2.2 创建第一曲拐及第二平衡重 .................... 错误！未定义书签。

2.3
创建第二轴颈及第三平衡
重 (6)
2.4
创建第二曲拐及第四平衡
重 (8)
2.5 通过镜像创建四缸发动机的全部曲拐及平衡重 (10)
2.6
创建曲轴前端特
征 ...........................................
. 11
2.7
创建曲轴后端特
征 ...........................................
. 19
2.8
完成曲轴的完整模型，并保
存 (22)
3. 曲轴的 ANSYS有限元分
析 (23)
3.1
CATIA文件导入 ANSYS并显示实
体 (23)
3.2
网格划分及添加约
束 (23)
3.3
进行模态分析前处
理 (24)
3.4
开始进行模态分
析 ............................................
.. 25
3.5
进行扩展模态分
析 ............................................
.. 26
3.6
结果分
析 ........................................
(35)
4. 结
论 ...........................................
(35)
参考文
献 . ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36
1.绪论
1.1 研究背景
1.2 研究内容
某曲轴的有限元分析或模态分析，用 catia 软件进行三维实体建模，然后生成的实体导入有限元分析软件 Ansys 中进行曲轴的强度分析和模态分析。

1.3 所用软件的介绍
(1)CATIA 软件：
CATIA是法国达索飞机公司开发的高档CAD/CAM软件。

目前在中国由IBM 公司代理销售。

CATIA软件以其强大的曲面设计功能而在飞机、汽车、轮船等设计领
域享有很高的声誉。

CATIA的曲面造型功能体现在它提供了极丰富的造型工具来支
持用户的造型需求。

比如其特有的高次Bezier 曲线曲面功能，次数能达到15，能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求。

而我们现在所用到的CATIA 的功能是三
维实体建模！
(2)Ansys 软件：
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元
分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与
多数 CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN,Alogor, I －DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。

软件主要包括三
个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建
模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包
括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介
质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线
显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到
结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

2曲轴的 CATIA 三维建模
打开 CATIA软件，新建一零件图，即“part ”模式。

进行零件建模程序。

2.1 创建第 1 平衡重
（1）选取 XY 平面为草图参考平面，然后单击工具栏中的“草图”图标，进入草
图绘制模式。

（2）用工具栏上的“圆”命令，以原点为圆心，绘制直径为“42”的圆。

图2-1
（3）退出“草图”将该面拉伸成厚为“ 21”柱体。

单击生成的柱体的一圆截面，进入“草图”模式，绘制平衡重的草图形状。

图2-2
（4）退出草图，完成对新建明面形状的拉伸。

生成平衡重的三维模型。

厚度为19
图 2-3
2.2 创建第一曲拐及第二平衡重
（1）单击新生成的实体的另一表面，并进入“草图”模式，绘制曲拐的草图。

图 2-4
（2）退出“草图”编辑，拉伸曲拐实体。

图2-5
（3）单击曲拐的另一端面，进入“草图”编辑。

绘制第二平衡重。

图 2-6
（4）退出草图，用“凸台”命令拉伸生成实体。

厚为19
图 2-7
2.3 创建第二轴颈及第三平衡重
（1）单击新实体的另一端面，进入“草图”命令。

绘制第二段轴颈。

图 2-8
（2）退出草图，拉伸实体。

厚为21
图 2-9
（3）单击新生成轴颈的另一端面，进入草图编辑。

绘制新的实体的草图。

图 2-10
（4）退出草图，拉伸生成新实体。

图 2-11
2.4 创建第二曲拐及第四平衡重
（1）单击第三平衡重的另一端面，进入草图绘制。

绘制第二曲拐的草图后，退出草图，进行拉伸，生成曲拐实体后，单击其另一端面进入草图绘制，绘制第四平衡重的草图，然后，退出，拉伸出实体。

图2-12 图2-13
2.5 通过镜像创建四缸发动机曲轴的全部曲拐，平衡重
（1）对以上步骤所生成的实体进行镜像，镜像的对称面选为第一轴颈的第一端面。

图2-14
图2-15
2.6 创建曲轴前端特征
（1）单击新生成的完整曲轴的一端，继续创建轴颈。

在轴颈的另一端面后，创建新的实体。

图2-16
图2-17
（2）对新生成的实体进行细节处理。

选择 YZ 平面，进入草图绘制，利用“投影三维元素”，“弧”，“直线”等命令绘制草图。

图2-18
（3）退出草图模式，利用工具栏上的“旋转槽”命令，选择合适的修剪方向，生成所要的
实体。

图2-19
（4）选择 YZ 平面，进入草图绘制模式，利用“投影三维元素” ，“直线”命令，绘制螺纹的草图
图2-20
（5）退出草图，利用“旋转槽”命令，选择合适的方向，完成螺纹的创建。

图2-21
（6）在新生成的实体的表面进行掏阶梯孔的操作。

图2-22
图2-23
图2-24 图2-25
（7）在端面上创建圆周排列的六个小孔，相间角度为60°。

先由端面绘制草图。

后退出草图，完成一个小孔的实体化。

用“凹槽”命令。

图2-26
图2-27
（8）用“圆形阵列”命令，将小孔阵列为六个。

图 2-28
图2-29
2.7 创建曲轴后端特征
（1）在曲轴的后端端面，进入“绘制草图”绘制轴颈的草图，后拉伸为实体。

图 2-30
（2）在曲轴后端，创建带有键槽的一小段轴。

图2-31
图 2-32 （3）利用“平面”命令，创建新的平面。

图2-33
（4）在新的平面上绘制草图
图 2-34
（5）退出草图，用“凹槽”命令，选择正确的方向，生成实体凹槽。

图2-35
（6）在最后的端面，生成一孔。

绘制草图，并由“凹槽”命令生成实体。

图 2-36
图 2-37
2.8 完成曲轴的完整模型，并保存。

图2-38
3 曲轴的 ANSYS有限元分析
3.1 CATIA 文件导入 ANSYS并显示实体
（1）将 CATIA文件保存为“ model”格式。

（2）由于版本之间的差异，在运行ANSYS之前，须将系统的时间改为2010 年。

点击 File>>Import>>CATIA, 选择保存的“ model”文件，打开。

（3）依次选择 PlotCtrls>>Style>>SolidModelFacets>>Fine （4）
依次选择 Plot>>Volumes ，生成实体。

图3-1
3.2 网格划分及添加约束
（1）定义材料的属性。

定义网格类型为Solid Tetnode187
（2）定义弹性模量E=2.06e11 ，泊松比μ=0.3 ，密度ρ =7.9e3。

（3）选择自由网格划分，网格间距为“smartsize,10. ”对实体进行网格划分。

（4）选择曲轴的两端轴面，加载全约束。

3.3 进行模态分析前处理
（1）模态分析前处理。

Solution>>Analysis Type>>New Analysis>>Model
图3-2
（2）在 Analysis Option 中，选择算法，选择“ Block Lanzcons”, 选择 10 阶矩阵运算。

图3-3
（3）在算法选项中选择截止频率为“100000”
图 3-4
3.4 开始进行模态分析
（ 1）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。

图 3-5
（2）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。

图3-6
3,5 进行扩展模态分析
（1）依次选择“ Solution>>Load step opts>>ExpansionPass>>Single Expand>>Expand Model”进行设置。

图 3-7
（2）选择每步操作都进行到每个子空间（Substep）
图3-8
图 3-9 （3）再次进行运算，步骤同第一次运算。

图3-10
图3-11
（4）查看各种振型，依次选择“General Postproc>>Read Result>>First
Set ”>>Plot Result>>Contour Plot>>Nodal Solu 。

十种振型列在下面，每查看一种振型，要选择“ Next Set ”
图 3-12
图3-13
图3-14 图3-15
图3-16 图3-17
图3-18 图3-19
图3-20 图3-21
图3-22 图3-23
3.6 结果分析
由各振型图，可知，最大的形变为0.292e-4 ，各频率见列表。

图3-24
4结论
（1）基于 CATIA 进行三维建模，相比较在 ANSYS 中建立三维模型而言，可以大大缩短建模时间，提高工作效率。

（2）在ANSYS 中进行模态分析，可以比较详细地了解系统固有频率，对生产设计时考虑
系统的频率有一定的参考意义。

参考文献
【1】刘相新孟宪颐《ANSYS基础与应用教程》科学出版社。