1. 目的及意义（含国内外的研究分析）

   1. 研究课题的目的及意义

随着世界经济飞速发展，现代汽车对发动机性能的要求也越来越高，而曲轴作为发动机中最重要的主要承载部件，其力学性能优劣直接影响着发动机的可靠性和寿命。现代发动机的设计向高载荷、低油耗、低排放、高可靠性、轻质量等方向发展，使曲轴的工作条件愈发苛刻^[1]。在这种形势下，曲轴的质量与品质日益受到重视。随着发动机强化指标的不断提高，曲轴的工作条件更加复杂^[2]。曲轴的刚度和强度问题就变得更加重要，在设计曲轴时必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构形式、材料与工艺，以求获得最经济合理的效果^[3]。曲轴是承担由热能转化为动能的重要组成部分，在发动机中的作用是将活塞连杆的往复运动变为旋转运动，其在工作过程中不断承受连杆传来的的弯曲应力和扭转应力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。曲轴还受到旋转质量的离心力、周期变化的气体、惯性力和其他力矩的协同作用，要承受弯曲和扭转交变载荷，所以曲轴必需要有抗扭转、抗弯曲的刚度和疲劳强度^[1]。

由此可见，曲轴的质量至关重要，例如WD615发动机曲轴结构比较复杂，工作过程中曲轴内部会产生弯曲应力及扭转应力应力集中到一定程度的时候，曲轴就会失效或断裂^[4]。因此，对曲轴的抗拉强度、刚度、耐磨性、耐疲劳性以及冲击韧性等都提出了更高的要求。如何在设计过程中保证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曲轴设计的关键性问题^[2]。

1.2 国内外的研究现状分析

1.2.1国内：通过ANSYS进行三维建模的方法

在国内，任思路^[5]等人发现在以往对曲轴进行分析时，大多采用单拐或二分之一单拐模型这种方法具有一定的局限性，虽然很简化，但缺点显而易见—不能反映发动机曲轴整体内部应力场的分布状态。也有人运用计算进度较高的有限元法计算单位曲拐的应力，并用此表示整个曲轴各拐的应力状态，但单位曲拐受力及约束条件，与在整个曲轴中单独一个曲拐的受力与约束条件差别较大，因此使用有限元计算单位曲拐应力也往往不能真正起到校核整个曲轴强度的目的^[6]。为了解曲轴强度和曲轴内部的应力状况，他采用曲轴的三维整体模型进行有限元分析，即在同一个实体的基础上进行建模，这可以方便导入ANSYS分析，通过模型的导入、定义单元类型、定义材料属性、网格划分、添加约束、载荷的施加来进行求解；同时他发现发动机气缸发生最大爆发压力时，曲轴轴颈处的受力的最大的，所以其应力与应变也应该是比较大的。而唐传茵^[7]等人的研究与此结果大致相同，他们通过分析第一左缸与第三右缸爆发时的应力云图和变形图得出—曲轴的应力集中在轴颈与曲柄臂连接处、油孔处以及连杆轴颈中心截面处。发动机的一个循环工况里最大爆发压力所对应的曲柄转角是不同的，不同曲柄转角对应的应变与应力分布情况也不同，将曲轴的往复惯性力,气体力,不平衡质量离心力等合并成径向力和切向力进行分析。

与任思路的方法比较相似的是，刘必荣^[8]等人也运用ANSYS进行小型柴油机曲轴应力的计算分析，他详细阐述了建立三维模型的作用，即解决零件在计算机内的表示及可视化问题；实体模型是对对象的边界和内部均作定义的模型，其表示方法有：构造实体几何法（CSG，Constructive Solid Geometry）、边界表示法、单元分解法。而曲轴三维实体模型包括：整根曲轴、单拐、1/4拐等，并依据曲轴特点或分析目的来选择。如图1为各个低层实体通过布尔操作形成曲轴三维实体模型

曲轴有限元网格划分是将整体结构离散化，是数值分析的前提。基本单元是4-结点四面体单元，即Solid45。对曲轴进行网格划分，在定义网格尺寸时可通过调节smart size，但网格数量大，可对局部受力较大区域加密，对受力不大的区域由全局尺寸按比例划分。根据分析，连杆轴颈和主轴颈是受力较大的部分，划分较密，连杆轴颈圆角和主轴颈圆角处应力集中，是曲轴危险点，划分最密，而曲轴柄臂部位尺寸较大，划分最疏松。如图2为曲轴网格划分图