王云英，纪威，郝丽
中国农业大学工学院，北京（100083）
E-mail：wyy_705113@163
摘要：本文以S195柴油机为例，对单缸柴油机的曲柄连杆机构进行了有限元分析。应用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，对曲轴进行模态分析，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模块计算曲轴在爆发压力和惯性力作用下的疲劳应力，到部件的危险部位，达到指导设计工作，延长其使用寿命的目的。
关键词：曲柄连杆，有限元分析，ADAMS，仿真
1.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[1-2]。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，迅速到危险部位，为机构的优化设计奠定基础。
2.建立曲柄连杆机构的三维实体模型
研究选用应用比较广泛、功能强大的三维CAD软件Pro/e建立曲柄连杆机构的几何模型。S195柴油机曲柄连杆机构由活塞组、连杆组和曲轴组等三大部件组成。其中活塞组包括活塞、活塞销、活塞环、挡圈等零件；连杆组包括连杆体、连杆衬套、连杆轴瓦、连杆螺栓、连杆盖、套筒等；曲轴飞轮组包括曲轴、飞轮、皮带轮、飞轮螺母、螺栓等。
图1 曲柄连杆机构三维实体模型
3.曲轴的模态分析
3.1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。
将简化后的曲轴CAD三维模型导入Hyperworks的前处理模块中进行离散化，采用高精度的带中节点的四面体单元划分网格，共划分了31755个节点，148807个单元。
表1 曲轴的材料特性
材料QT700-2
弹性模量2E06
泊松比0.3
密度7250
图2 曲轴和曲轴组的有限元网格模型
3.2曲轴的模态分析结果
在Hyperworks的环境下，根据实际情况，在曲轴的主轴径上2个滑动轴承支撑的位置设置2个外联点，在曲柄销与连杆大头连接的中心处，设置1个外联点，并对曲轴施加5个约束，保留沿曲轴轴线方向的旋转自由度。将生成的.dat文件编辑后导入Nastran的基本分析模块中，计算曲轴柔体模型的模态。然后再将生成的.op2计算结果文件在Hyperworks 环境下打开，这样就完成了Hyperworks与Nastran的双向接口。并且可以在Hyperworks中对曲轴的模态进行分析。输出曲轴的前十阶振动频率和振型如下：
表2 曲轴的自由振动频率
频率阶数频率值（HZ）频率阶数频率值（HZ）
1 1937 6 7194
2 2486 7 8484
3 3940 8 9699
4 4140 9 9818
5 6373 10 12680
图3 曲轴的第一阶和第二阶振型图
图4 曲轴的第三阶和第四阶振型
图5 曲轴的第五阶和第六阶振型
图6 曲轴的第七阶和第八阶振型
图7 曲轴的第九阶和第十阶振型
3.3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。
4. 多柔体动力学模型的生成
在ADAMS/View 中导入生成的曲轴组的模态中性文件（.mnf ），创建曲轴组的柔性体模型。在曲柄连杆机构的多刚体动力学模型中，用创建的曲轴组的柔性体模型替换原有的相应刚体模型，在曲轴柔体模型的曲柄销的中心点处和连杆小头、连杆大头的内孔中心点处创建亚物体，用运动副将曲轴组、连杆和活塞组按其运动规律连接起来，对活塞顶部施加爆发压力，并给曲轴施加一个旋转驱动（2000r/min ），即生成曲柄连杆机构的多柔体动力学模型。
发动机曲轴图8 曲柄连杆机构的多刚体动力学模型和多柔体动力学模型
5.在ADAMS运行环境下仿真结果分析
将曲柄连杆机构的多柔体模型进行0.06秒，600步的动力学仿真，得到曲轴在一个工作周期内的最大VON MISES应力为32.8789MPa，最大主应力为40.4114 MPa，最小主应力为6.49541 MPa。
图9曲轴柔体的VON MISES应力、最大主应力、最小主应力随曲轴转角变化规律
图10曲轴柔体VON MISES应力、最大主应力、最小主应力云图
通过上述仿真结果可以发现，在曲轴一个工作周期内，应力较大的地方均集中在曲柄销与连杆大头连接的圆角部分及主轴径与曲柄臂的连接处，与实际情况吻合。
6.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。
参考文献
[1] 苏铁熊李萧雷崔志琴，发动机曲轴动态设计研究，车用发动机，2，2002
[2] 傅志方、华宏星，模态分析理论与应用，上海交通大学出版社，上海，2000.9:108-130
[3] Z.P.Mourelatos, An efficient crankshaft dynamic analysis usingsubstructuring with Ritz vectors, Journal of Sound and Vibration ，1999.22(1): 60-65
[4] 仲石廉、刘教康，曲轴圆角处最大应力的探讨，压缩机技术，1998 (6)，12-1
[5] 郭乙木等.线性与非线性有限元及其应用.北京.机械工业出版社，2003. 10:20-25
Finite Element Analysis on Crank Linkage Based on S195
Diesel Engine
Wang Yunying，Ji Wei，Hao Li
China Agriculture University，Beijing (100083)
Abstract
This paper used S195 diesel engine as an example, taking finite element analysis on crank linkage of the single-cylinder diesel engine. Used CAD software to establish crank linkage parts of the components of the geometric model, determined the quality parameters, used Hyperworks and MSC.Nastran softwares for simulation, took Dynamic Analysis on crankshaft,and got mode and frequency. Then established linkage of the crank flexible multi-body dynamic model by ADAMS/View, used the durability Module to calculate the Fatigue stress under the burst out stress and Inertia force condition, and found out the dangerous parts to make the using life of the components become longer. Keywords：crank linkage；finite element analysis；ADAMS；simulation
作者简介：王云英，女，1982年出生，在读硕士研究生，研究方向：车辆动力节能与环保技术。
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