摘 要

有限元法随着计算机技术的发展在包括汽车发动机在内的很多领域得到了越来越广泛的应用。汽车发动机零部件的设计是有限元技术最早的应用领域之一，有限元技术的应用提高了汽车发动机零部件设计的可靠性，缩短了设计的周期。曲轴是汽车发动机中最重要的零件之一，承受着复杂的交变载荷，其结构参数设计在很大程度上影响着发动机的可靠性与寿命。

本文参照东风雷诺dci340-30发动机的曲轴，为了方便有限元的分析对原曲轴模型简化设计得到本次研究的曲轴。直接在ANSYS的前处理模块中建立曲轴的三维实体模型，采用自由网格划分，并施加合理的应力边界条件和位移边界条件，对曲轴进行了有限元分析，并得到了曲轴的变形和等效应力图，校核了曲轴的强度和刚度，得到该曲轴满足强度、刚度要求的结论。

曲轴不仅要满足强度和刚度的要求，还应该有良好的动力学性能，不能在交变的外界激励力的作用下发生共振，所以对曲轴的模态分析是必不可少的。为了模拟真实的情况，对曲轴施加合理的边界条件，进行约束模态分析，得到了曲轴的前10阶固有频率和模态振型，这为后续优化工作提供了依据，也构成了后续动力学分析的基础。

关键词：曲轴；有限元；ANSYS;模态分析。

Abstract

The finite element method with the development of computer technology has been more and more widely used in many fields, including automotive engine.The design of the automobile engine parts is one of the earliest application of finite element technology,the application of the finite element technology improved the design reliability of the car engine parts,shorten the design cycle.The crankshaft is one of the most important parts of automobile engine,under the complicated cyclic loading,the structure parameter design to a great extent, affects the reliability and life of engine.

In this paper, with reference to dongfeng Renault engine crankshaft dci - 11,in order to facilitate the finite element analysis,The original crankshaft model to simplify the design of this research crankshaft.Directly in the first processing module of ANSYS to establish 3 d entity model of the crankshaft,using the free meshing,and add the reasonable stress boundary conditions and displacement boundary conditions,the finite element analysis was carried out on the crankshaft,and get the deformation and stress figures of crankshaft,check the strength and stiffness of the crankshaft,get the conclusion that could satisfy the requirement of the strength stiffness of the crankshaft.

Not only to meet the requirements of strength and stiffness of the crankshaft,there should be a good dynamic performance,could not occur under the action of alternating the external exciting force of resonance,so the modal analysis of the crankshaft is indispensable.In order to simulate real situation,to add reasonable boundary conditions of the crankshaft,use constraint modal analysis,get the first 10 order natural frequency and modal vibration mode of the crankshaft,this provides a basis for subsequent optimization work,also formed the basis of the subsequent dynamic analysis.

Keywords:crankshaft,finite element method,ANSYS,modal analysis.

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 选题的目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 ANSYS软件简介 2

第2章 曲轴设计及受力分析 3

2.1 曲柄连杆机构运动简要分析 3

2.2 曲轴设计应该考虑的几个方面 4

2.2.1 曲轴的工作条件和设计要求 4

2.2.2 曲轴的结构形式 4

2.2.3 曲轴材料的选择 4

2.3 曲柄连杆机构的主要尺寸设计 5

2.4 本章小结 5

第3章 曲轴有限元分析 6

3.1 三维实体建模 6

3.2 划分网格 7

3.3 应力边界条件 9

3.4 位移边界条件 11

3.5 求解及结果 11

3.6 本章小结 19

第4章 模态分析 20

4.1 模态分析有限元理论 20

4.2 模态分析边界条件 21

4.3 模态分析过程和结果 21

4.4 本章小结 27

第5章 结论与展望 28

参考文献 29

致谢 30

绪 论

选题的目的及意义

有限元法作为最近几十年发展起来的一种科学的计算工具，随着计算机技术的不断发展，在工程设计等各种领域也有了越来越广泛的应用。经过特别是最近三十多年的不断的发展，已经出现了很多以有限元法为基础的有限元计算软件。工程设计对有限元软件的需要与有限元软件间相互促进发展，有限元技术最早的应用领域就包括汽车发动机在内，本文设计的曲轴就将在有限元分析软件ANSYS中进行有限元结构静力和模态分析。通过有限元技术来辅助汽车零部件的设计，将大幅减少设计的周期，并且也会提高设计的可靠性^[1]。

现今随着对汽车速度要求的不断提高，汽车发动机的设计也面临严峻的挑战，作为发动机中的核心零部件之一的曲轴，曲轴的工作条件也变得越来越苛刻了。曲轴作为发动机中传递动力的主要零件，曲轴在发动机中的作用也是不言而喻的，并且曲轴受到的各种外力都是变力。曲轴在各种交变应力的作用下，很容易产生疲劳破坏^[2]。曲轴在发动机中的核心地位要求曲轴必须要有足够的强度和刚度以及抗疲劳性，因为曲轴的失效将会引起发动机中其他零部件的损坏，甚至导致发动机的损坏而无法正常工作。所以，通过ANSYS的有限元分析来得到曲轴整体的应力和变形的大小是很有必要的，这对于指导曲轴的设计和改进有着重要的意义^[3]。