传动轴有限元分析概要

汽车结构有限元分析
研究报告
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盐城工学院汽车工程学院
传动轴有限元分析研究报告
盐城工学院汽车工程学院车辆工程专业江苏，盐城226000
摘要：
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如,Alogor, I－DEAS,CAD等。

ANSYS 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。

因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

传动轴是最常件的零件，该零件结构较为简单，操作方便，加工精度高，价格低廉，因此得到了广泛的使用。

目前很多传动轴都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。

本设计是基于 ANSYS软件来汽车曲柄连杆机构行分析。

与传统的计算相比，借助于计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。

设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。

对零件的设计和优化有很大的参考作用。

关键词：三维建模，曲柄连杆机构，有限元，ANSYS，动静态分析
引言
随着发动机强化指标的不断提高，曲柄连杆机构的工作条件更加复杂。

在多种周期性变化载荷的作用下，如何在设计过程中保证曲柄连杆机构中的主要部件曲轴具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为机构设计中的关键性问题[3]。

由于在实际工况中曲轴承受活塞、连杆传递的爆发压力的交变载荷作用，受力情况极其复杂。

采用传统的单纯有限元分析方法，很难完成对曲轴运行过程中动态变化边界条件的描述[4-5]。

为了真实全面地了解曲轴在实际运行工况下的力学特性，本课题通过运用CAD软件建立曲柄连杆机构各组成零件的几何模型，确定机构的质量特性参数，通过有限元分析软件Hyperworks和MSC.Nastran的联合仿真，对曲轴和连杆进行自由模态分析，输出振型和频率，将生成的模态中性文件导入ADAMS/View中建立曲柄连杆机构的多柔体动力学模型，应用durability 模块仿真分析曲轴和连杆在爆发压力和惯性力作用下的疲劳应力，由此可以清楚地了解曲轴和连杆在工作过程中各部分的应力，应变，迅速找到危险部位，为机构的优化设计奠定基础。

曲柄连杆机构有限元分析研究报告曲轴的有限元模型的建立
曲轴结构形状复杂，在实际工作中，为了减少应力集中，曲轴不同截面的结合处都有半径较小的倒角，同时为了实现曲轴和轴承间的润滑，曲轴上布置了许多油孔。

在对曲轴进行简化过程中，考虑到倒角和油孔对整体结构动力学影响较小，故在对曲轴进行离散生成柔性体之前将这些几何特征抑制掉。

用鼠标左键点选Pro/E菜单栏中的【文件】/【保存副本】命令，便出现保存副本的对话框如图。

系统默认的【文件类型】为【零件】，将文件输出的格式更改为【IGES】，选择保存路径为G盘下，输入文件名称prt0001，单击【确定】按钮。

此时出现【输出IGES】的对话框，系统默认为【曲面】，将其更改为【实体】，如下图所示。

单击【确定】按钮，将完成Pro/E输出文件的保存。

启动ANSYS，在ANSYS菜单栏中，单击【File】/【Import】/【IGES】,将出现一对话框，单击【OK】按钮,便出现如图所示的【Import IGES File】对话框。

单击【Browse】按钮，出现文件打开对话，选择文件路径G：\prt0001.igs，单击【打开】按钮，便回到【Import IGES File】对话框，单击【OK】按钮即可将实体模型调入ANSYS软件，最终生成的有限元模型如图所示。

在调入ANSYS之前，考虑到计算分析的需要，在不影响分析结果的前提下，对连杆实体模型稍微作了简化处理，例如将不关键的小圆角、小倒角删去，这样将使得结构有限元结点数和单元数目减少许多，提高计算速度。

单元选择及网格划分
有限元分析的基础是单元，所以，在有限元分析之前必须将实物模型划分为等效节点和单元。

在ANSYS 单元库中有100 多种不同类型的单元，不同的单元类型决定单元的自由度、代表不同的分析领域，单元是属于二维空间还是三维空间等特性。

本文采用有限元接触分析属于非线性分析，运算量庞大，为提高运算速度，要求参与运算的节点和单元应尽可能少，但为了保证计算精度，模型网格应小到足以表述出模型的形状，否则，过粗的网格会造成较大的误差。

在有限元分析中，单元类型的选择和网格划分的精细程度决定了分析结果的准确性。

一般情况下，单元类型应尽量选择六面体和五面体，避免使用不稳定的四面体单元，这样有利于提高计算精度。

但是，连杆装配体形状很不规则，不满足六面体和五面体映射划分(mapped meshing)的拓扑结构，故选择四面体单元Solid92，采用ANSYS 自带的自由网格划分（Free meshing）方式对模型进行网格划分。

Solid92是三维10 节点四面体单元，具有二次位移（quadratic displacement）特性，适合于不规则几何体的网格划分，其每个节点有三个自由度，分别为x y z 三方向的位移。

发动机连杆有限元模型的网格化分
实体模型建立后，要进行有限元分析，需要将实体模型转化为能够直接计算的网格，这种转化叫做网格划分。

再对模型进行网格划分之前，甚至在建立模型的阶段，就应同步考虑网格划分的问题，如网格划分单元属性、网格划分类型、网格划分方式、网格密度、单元形状等。

（1）定义单元类型。

在有限元分析过程中，对于不同的问题，需要应用不同特性的单元，同时每一种单元也是专门为有限元问题而设计的。

因此，在进行有限元分析之前，选择和定义适合自己问题的单元是非常必要。

单元选择不当，直接影响到计算能否进行和结果的精度。

为适应不同的分析问题，ANSYS提供了一百多种不同的单元类型。

从普通的点单元、线单元、面单元、体单元到特殊的接触单元、间隙单元和单元坐标系等。

单击【Main Menu】/【Preprocessor】/【Element Type】/【Add/Edit/Delete】,
将出现一对话框。

点击【Add】进行添加，如图所示。

点击【Solid】/【10node 92】,确认【OK】，关闭【Element Type】对话框即完成单元类型的定义。

（2）定义实常数。

在进行单元特性分析时，有些单元数据可能无法从节点坐标系或材料特性中得到，这时就要定义实常数，以提供单元特性计算时使用。

常见的实常数包括厚度、横截面、高度等。

实常数的设置是依赖于单元类型的，如BEAM单元的横截面特性、SHELL 单元的厚度设置等。

对于Solid类型中的10node 92,不需要设置实常数。

（3）定义材料特性。

常见的材料特性包括：弹性模量、泊松比、密度、比热、热膨胀系数等。

每种材料特性都可以为温度的函数，可随温度的变化而变化。

材料特性的定义可以分为两个大类：线性材料定义和非线性材料定义。

单击【Main Menu】/【Preprocessor】/【Material Props】/【Material Models】,将出现一对话框，如图所示。

双击【Structural】/【Linear】/【Elastic】/【Isotropic】,即可出现一对话框如图4.7所示。

将材料的弹性模量和泊松比填入空格，即可完成材料属性的定义。

点击【Main Menu】/【Preprocessor】/【Meshing】/【MeshTool】,打开网格划分工具对话框。

选择自由划分，即点中Smart Size，在【Smart Size】中选中划分精度为“6”，然后单击【Mesh】, 便出现一个拾取框，单击【Pick All】按钮，至此，网格划分完成，如图所示。

位移边界条件
边界条件的选取是分析的重要环节，其选取正确与否，不仅影响计算精度，而且对非线性分析还将影响运算是否收敛[8]。

不合理的边界条件可能使计算失败，导致计算不出结果。

对一个自由体，结构本身无约束，仅有自相平衡的外力，是无法求出定解节点位移，所以对于分析模型，要对某些节点的自由度加以限制。

本文分析模型是按如下方法进行约束：为限制模型在z 轴方向的刚体运动，在模型上半部分选几个点上加z方向上的约束；为限制模型在x轴方向的刚体运动，在模型的上半部分选几个点加x方向的约束，为限制整个分析模型在y轴方向的刚体运动，完全限制连杆大头内表面的自由度。

位移约束的操作
单击【Main Menu】/【Solution】/【Define Loads】/【Apply】/【Structural】/【Displacement】/【On Areas】如图,将出现一对话框，如图所示。

此时，鼠标将变为向上的箭头进行选面，面被选中后将变亮。

对于该机体，选取连杆大头内120度的下表面施加位移约束，选中后,单击对话框中的【OK】，将自动弹出一新的对话框，如图所示。

选中
【All DOF】,点击【OK】。

连杆大头被加全约束。

然后，再单击【Main Menu】/【Solution】/【Define Loads】/【Apply】/【Structural】/【Displacement】/【On Areas】选择大头孔和小头孔的四个外圆面，施加Z方向的位移
约束。

加上后得道如图4.12所示图形。

载荷处理
载荷可以直接施加在几何模型上，如点、线、面和体，同时也可以施加在有限元模型上，如单元和节点。

若载荷施加在有限元模型上，ANSYS在求解之前会自动将这些载荷转换到相应的节点和单元上。

连杆在工作时，承受周期性变化的外力作用。

其主要由两部分组成：一是经活塞顶传来的燃气爆发力，对连杆起压缩作用，二是活塞连杆组高速运动产生的惯性力，对连杆起拉伸作用；在分析时，认为最大燃气爆发力和惯性力均在上止点附近出现，俩者可以叠加。

另外，还有连杆小头所装的衬套、大头所装的连杆瓦作用在孔径上的过盈力，及连杆螺栓预紧力所产生附加载荷。

用有限元法可对连杆在整个7200循环中进行动态分析，会得到理想的结果，但计算过程过于复杂。

因连杆破坏大都是拉、压疲劳断裂所致。

故计算时选择了连杆在受最大拉力和最大压力这两种极端情形来计算应力的分布情况。

这样既能得到两个最危险受力工况下的应力和变形的分布情况，又能满足工程设计要求，实现计算简便，节省机时[9]。

结果分析：
本文以195型柴油机连杆为研究对象，按照连杆的实际工作情况，同时考虑活塞销、曲轴连杆轴颈对连杆的影响，利用三维造型软件PRO/E 建立连杆三维有限元分析模型。

(1)建立连杆小头和大头的模型 (2)按标准尺寸创建杆身 (3)按标准尺寸对杆身和大小头连接处导圆角 (4)按标准尺寸创建小头孔 (5)按标准尺寸创建连杆大头孔 (6)按标准尺寸创建连杆工字形杆身 (7)按标准尺寸创建连杆大头螺栓座
然后把连杆模型导入有限元分析软件ANSYS 中，取高阶四面体单元SOLID92，划
分有限元网格；在有限元模型上加约束，加载最大拉力进行有限元分析，找出有限元模型的位移变形图和平均等效应力图，得出结论；接着再分析受最大压力时连杆的位移变形图和平均等效应力图。

连杆、活塞销的离心力和往复惯性力由ANSYS 程序自动加载；燃气压缩力载荷、活塞组离心载荷均以集中力的形式施加于连杆小头孔上，将螺栓所受的力加在螺栓座的表面上。

在受最大拉力作用下,连杆大头孔沿杆身方向最大拉伸，垂直杆身方向最大缩短；连杆小头孔沿杆身方向最大拉伸，垂直杆身方向最大缩短。

在受最大压力作用下,连杆大头孔沿杆身方向最大缩短
6
10142.2mm,垂直杆身方向最大拉伸710610.4mm;连杆小头孔沿杆身方向最大缩短510
129.1mm，垂直杆身方向最大拉伸 610882.3mm。

而根据文献[15]知195型柴油机的曲柄销与连杆轴瓦间隙为0.118mm，活塞销与连杆小头衬套间隙为0.118。

连杆的最大压应力为234.831MPa，连杆材料为45#钢，，满足强度要求。

曲轴的模态振型分析
第一阶振型：是一阶整体弯曲振型，主轴径在Y-Z平面内，饶曲柄销中心点进行弯曲。

第二阶振型：是一阶整体弯曲振型，主轴径在X-Y平面内，饶曲柄销中心点进行弯曲。

第三阶振型：是二阶整体弯曲振型，曲柄臂在X-Y平面内，饶曲柄销中心点向两个相反方向进行弯曲。

第四阶振型：是二阶整体弯曲振型，曲柄臂在Y-Z平面内，饶曲柄销中心点向两个相反方向进行弯曲。

第五阶振型：是二阶整体弯曲振型，主轴径在X-Y平面内，饶曲柄销中心点向两个相反方向进行弯曲。

第六阶振型：是二阶整体弯曲振型，主轴径在X-Y平面内，饶曲柄销中心点向两个相反方向进行弯曲。

第七阶到第十阶振型：是弯曲和扭转振型交替出现，既有二阶整体弯曲又有轴向扭转，并且弯曲和扭转的位置不尽相同。

曲轴在运转中，曲柄销上作用着大小和方向周期性变化的切向力和法向力，使曲轴产生周期性变化的扭转和弯曲变形，既而产生振动。

曲轴一般采用全支撑结构，轴跨度小，弯曲刚度大，弯曲振动的固有频率高，通常不会在曲轴的工作范围内产生共振，因此弯曲振动不会引起曲轴破坏。

另外，单缸柴油机的曲轴的自由端相对较长，扭转刚度较小，扭转固有频率较低，容易产生曲轴的扭断。

因此在设计过程中，利用分析结果，修正曲轴的固有频率，避开曲轴危险的频率段，才可以保证曲轴的安全运转和提高曲轴的使用寿命。

结论
通过有限元分析软件Hyperworks和MSC.Nastran的联合仿真，对S195柴油机的曲轴进行了有限元分析，得到了理想的仿真结果，对于发动机曲轴的改进设计，提高发动机设计水平及提高发动机整机性能有着重要意义，是既经济又有效的科学化方法。

我从本次研究学习中对ANSYS软件有了初步的认识，能够对一些零件模型做出一些简单的有限元分析并给出结果。

同时也意识到了有限元分析是一项非常重要的分析零件模型的手段。

并且该软件
在航天，汽车，船舶等领域的产品设计、科学研究方面都具有广泛的应用。

现在国内外用的最广泛的就是运用有限元对汽车传动轴做静力分析和振动模态分析。

因此我感觉有限元分析软件是一项十分必要的技能学习软件。

参考文献
[1] 林桂荣，丁金滨，温正，ANSYS Workbench13.0从入门到精通北京：清华大学出版社2012.1
[2]韩永康. 基于有限元分析的输出轴的设计[J]. 机械制造与研究，2006
[3]刘鸿文. 材料力学[M]. 北京：高等教育出版社，1992.
[4]杨文明，宗荣珍. 基于ANSYS的配料仓滤网有限元分析[J]. 机械研究与应用，2009
[5]高耀东，郭喜平. ANSYS机械工程应用[M]. 北京：电子工业出版社，2007.。