应用HyperWorks等软件计算某柴油机曲轴强度

张振兴 申景倩 张虎
长城汽车股份有限公司动力研究院 保定 071000

摘要：曲轴是发动机的关键部件之一，曲轴设计的优劣决定其承受冲击载荷、传递动力的能力。本文应用HyperWorks等软件，计算某柴油机曲轴强度并对其进行评价。

关键词：曲轴强度，HyperWorks

1 概述

随着发动机设计的小型化、轻量化要求越来越高，曲轴等运动件的工作条件也变的越来越苛刻，因此，曲轴的强度设计也愈加受到关注。

曲轴的设计，不但要考虑曲轴的结构、尺寸，还要关注其材质及强化工艺等，使其可以在最经济的条件下满足使用要求。这就要求曲轴的强度分析更加准确、快速，为产品的开发、试制、生产提供支持。

2 有限元模型的建立

为计算曲轴的强度，首先要将曲轴系、缸体等数模进行网格划分。考虑到曲轴强度分析的时间成本及计算的精确性，使用前处理软件HyperWorks对轴系各部件进行网格划分，均采用8节点六面体单元，轴系节点数与单元数见表1。

轴系坐标系定义为：以曲轴第三主轴颈中心为原点，以曲轴前端到后端为X轴，以曲轴第一连杆颈朝上为Z轴。对有限元模型赋予材料属性，并在几个主要位置中心点建立耦合单元，为后期多体动力学中曲轴模型缩减做好准备。有限元模型见图1。

由于缸体模型较大，加之在多体模型中还要将主轴承盖、轴瓦与缸体组装在一起，故将缸体、主轴承盖划分为10节点四面体单元。由于多体动力学计算的需要，轴瓦划分为8节点六面体单元，所采用软件仍为HyperWorks，对有限元模型赋予材料属性，加载边界条件。缸体等部件节点数与单元数见表2。

缸体等部件坐标系与曲轴系坐标系一致，有限元模型如图2。

图2 缸体等有限元模型

3 多体模型的建立

为计算曲轴在运转过程中的受力，还需要建立曲轴系的多体动力学模型，将发动机的部分参数（如缸内压力、缸径、行程等）输入到多体模型中。所建立EXCITE二维模型如图3。

其中连杆采用三质量点简化模型，缸体、曲轴采用有限元缩减模型。三维模型如图4。

调整模型，计算求解，可得到单个曲柄臂疲劳计算所需历程文件（计算过程略），如图5。本文计算了所有曲柄臂的历程文件。

4 单曲柄臂有限元模型的建立

建立单曲柄臂有限元模型是为了缩短计算的时间，将整个曲轴模型分为几个曲柄臂进行求解。而这个思路是建立在大量曲轴破坏统计分析基础上的，曲轴破坏统计分析表明，80%左右的曲轴是弯曲疲劳破坏，而弯曲疲劳裂缝是从轴颈根部表面的圆角发展到曲柄臂上的。因此曲轴强度的计算可以只关注圆角处的强度。

单曲柄臂有限元模型是截取两端轴颈的一半加上曲柄臂组成的，运用HyperWorks软件，截取轴颈危险截面120°范围部分划分20节点六面体单元，其余部分划分10节点四面体单元。其有限元模型如图6。