基于Workbench的内燃机曲轴模态分析

图 7 5 阶非零振型
图 4 2 阶非零振型
图 5 3 阶非零振型
图 6 4 阶非零振型 绕 Z 向弯曲，2 阶非零振型为在 XY 平面内绕 X 向弯曲，3 阶、4 阶和 6 阶非零振型为 YZ 平面内弯曲扭转，5 阶非零 振型为绕 Y 轴扭转。
由表 1 频率值可知，最低固有频率值为 293.23Hz，随 着阶次上升，其频率也相应增加。从发动机各部件之间动
制造业信息化
MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 ／ 建模 ／ CAD／ CAM／ CAE／ CAPP
基于 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 的内燃机曲轴模态分析
童新华 1， 党瑞鹏 2 （1.装备指挥技术学院 士官系，北京 102249；2.航天飞行控制中心，北京 102249）
摘 要：曲轴是内燃机中主要的运动部件之一，在周期变化的载荷作用下，曲轴系统可能在发动机转速范围内发生共振，
Abstract： The crankshaft is main moving part of the internal combustion engine. In its rotation speed range, alternating load may cause the resonance of crankshaft system, which will lead to the bending fatigue damage and twisting fatigue damage of crankshaft. So it is necessary to analyze the dynamic characteristics of the crankshaft. The paper establishes the crankshaft geometry model in Pro/E, and analyzes the inherent characteristics of the crankshaft in ANSYS Workbench, and obtains the first six of the crankshaft order natural frequency and vibration model, which can provide evidence for the crankshaft dynamic analysis. Key words： crankshaft; modal analysis; Workbench
及位移列于表 1，前 6 阶振型分别如图 3~图 8 所示。
从振型图上可以看出，1 阶非零振型为在 YZ 平面内
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制造业信息化
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图 3 1 阶非零振型
定离散线性定常振动系统，可用下面常系数线性微分方
程描述： ［M］｛δ″｝＋［C］［δ′］＋［K］｛δ｝＝｛F（t）｝ （1）
式中：［M］是结构质量矩阵；［C］是结构阻尼矩阵；［K］是
结构刚度矩阵；｛F｝是随时间变化的载荷函数；｛δ″｝、｛δ′｝、
｛δ｝分别为系统整体各节点的加速度向量、速度向量及位
移向量。
［J］.机械设计与制造，2010（11）：37-38.
［3］ 胡军伟，林运，付先龙.发动机机体自由模态分析及试验验证 ［J］.柴油机设计与制造，2006，14（2）：23-26.
［4］ 孙连科，等.柴油机曲轴有限元分析及结构优化设计［J］.拖拉机
与农用运输车，2007，34（3）：54-57.
（编辑 明 涛）
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2012）02－0048－02
Crankshaft Modal Analysis of Internal Combustion Engine Based on Workbench TONG Xin-hua1, DANG Rui-peng2
（1.Academy of Equipment Command & Technology, Beijing 102249, China; 2.Beijing Aerospace Control Center, Beijing 102249, China）
使曲轴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。文中通过 Ｐｒｏ／Ｅ 建立曲轴的几何模型，
在 ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅ ｎｃｈ 中完成曲轴的固有特性分析，得到曲轴前六阶固有频率及振型，为曲轴的动力学分析提供依据。
关键词：曲轴；模态分析；Ｗｏｒｋｂｅ ｎｃｈ
中图分类号：TP391.7
图 8 6 阶非零振型
态干扰的可能性考虑，该发动机的转速范围为 600~ 2860r/min，基频为 20~95.3Hz，而曲轴的最低固有频率远 高于基频，避开了共振频率。 4结论
通过 Pro/E 与 ANSYS Workbench 的联合仿真，有效 解决了像曲轴这些复杂模型导入 AWE 中的问题。
不同分析类型对应求解不用形式的方程，对于模态
分析，设定 F（t）为零，而矩阵［C］通常被忽略。则此时系统
的运动微分方程为： ［M］｛δ″｝＋［K］｛δ｝＝｛0｝
（2）
通过对式（2）进行求解变换可以得到固有频率 ω 的 2n 次
代数方程式： ω2n+a1ω2（n-1）＋…+anω2+an=0
（3）
通过式（3）可以求得结构各阶固有振动频率 ωi 及振型。
!!!!!!!!!! 作者简介：童新华（1976-），女，硕士研究生，主要研究方向为机械设
计及理论。 收稿日期：2011-10-19
机械工程师 2012 年第 2 期 49
3.3 定义边界条件
为了解
表 1 曲轴非零模态频率及位移
曲轴在自由
1阶 2阶 3阶 4阶 5阶 6
状 态 下 的 固 频率/Hz 293.2 412.3 691.5 791.7 828.6 1102
有 频 率 值 ， 位移/mm 13.62 14.33 15.86 19.85 14.35 15.65
对曲轴不附加任何约束与力来计算曲轴的自由模态。对
于机械结构的共振问题，我们一般关心机械结构的较低
阶次的频率，因此，我们提取了曲轴的前 20 阶模态频率
及振型，曲轴在无约束边界条件下的前 6 阶模态频率接
近于 0，是所谓的刚体模态，真正有意义的模态是从第 7
阶开始的模态频率及振型，我们将前 6 阶非零模态频率
曲轴的三维几何模型，通过
图 1 曲轴几何模型
Pro/E 与 ANSYS Workbench 无缝连接，将几何模型导入
到 AWE 中进行有限元分析，可以很方便地解决复杂模型
导入过程中几何丢失的问题。几何模型如图 1 所示。
3 有限元分析
3.1 动力学运动方程
根据机械振动理论，对于一个具有 n 个自由度的稳
从频率分析结果可以看出，曲轴的最低固有频率值
为 293.23Hz，这为发动机转速控制提供参考。 从曲轴的各阶振型可以看出，曲轴的前 6 阶非零
振 型 弯 曲 和 扭 转 为 主 要 变 形 形 式 ，曲 柄 臂 和 主 轴 颈 、曲 柄臂和连杆轴颈相连处是曲轴振动中危险部位，在设
计过程中应充分考虑曲柄臂和连杆轴颈相连处的圆角
大小。 对曲轴的模态分析便于设计人员很直观地了解曲轴各
阶固有特性，为曲轴后续设计提供依据，同时曲轴的模态分
析是动力学分析的基础，为后续动态分析提供了依据。
［参考文献］
［1］ 鱼春燕．曲轴性能分析及其优化设计［D］.镇江：江苏大学，2005. ［2］ 范校尉，樊文欣．基于 ANSYS 的 R6105 柴油机曲轴的模态分析
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1引言
曲轴是内燃机中重要的运动部件之一，它在周期变
化的载荷下容易导致产品疲劳破坏，为了了解曲轴在工
作过程中的动态特性，有效规避曲轴工作状态的共振频
率，有必要对曲轴进行固有频率分析，为曲轴后续动态特
性分析提供依据。
2 几何模型创建
因为曲轴几何模型比较
复杂，在 AWE 中建立比较
繁琐，本文采用 Pro/E 建立
3.2 有限元模型建立
曲轴材料为 QT800，材
料 弹 性 模 量 1.73 ×105MPa，
泊松比 0.3，密度 7000kg/m3，
对导入的曲轴模型网格划
分，采用四面体为主的网格 划分方法，控制网格尺寸为
图 2 有限元网格模型
10mm，整个曲轴有限元模型划分网格得到单元 68679
个，节点 113748 个。网格划分结果如图 2 所示。