基于ANSYS Workbench的发动机曲轴有限元分析

本文对某型大功率V10发动机曲轴进行静力学分析。首先在Pro/Engineer中建立该发动机曲轴的三维模型，由于实际情况中，发动机曲轴始终在进行极为复杂的运动，所以对模型和受力受载荷简化，降低运算难度。然后在ANSYS Workbench中进行有限元分析，得到该发动机曲轴的应力和应变情况，最大应变为0.026187 mm，最大应力为60.786 Mpa。最后我们得出该发动机的危险区域为连杆轴靠近曲拐处。

发动机是一辆汽车的心脏，它负责将然后燃烧的内能转化为动能传输给汽车的其他部件，使得汽车能正常的运转[1] [2]。

通过研究发动机的动力传出路线， 得出发动机的工作原理。

首先是燃料的充分燃烧， 膨胀，带动活塞，使其做往复运动。然后活塞的往复运动带动曲轴旋转，将内能转化为动能[3]。因而发动机曲轴承担着转化能量的作用。在发动机正常的运转过程中，曲轴始终在复杂的力的交替影响下做着高速运转。曲轴由于受到周期性的变换力的作用，对于其强度刚度以及疲劳性均具有很高的要求[4]。在ANSYS 中，对其进行静力学分析，可以得出曲轴的受力情况，得到应力与应变情况。通过得到的应变情况，可以对曲轴的结构针对性的加强，避免曲轴的失效甚至是疲劳断裂[5]。由于曲轴始终处在告诉旋转的过程中，必须将曲轴的振动情况加以研究，避免其在极端的情况下出现共振问题。共振对于很多工件是致命的， 可以导致工件的破坏[6]。

研究曲轴的运转情况， 对于后续的研究汽车的NVH 也是很重要的， 对于企业增强产品的性能，降低汽车的噪音有重要的作用[7]。通过有限元的方法，大大减小的企业使用实物进行模拟的高成本，降低了企业的生产成本。

2. 建立发动机曲轴的三维实体 本文采用Pro/Engineer 进行实体创建，由于曲轴受力复杂，正常情况下我们需要建立好发动机完整的内部结构图，但是这会造成仿真比较困难，因为我们简化成一个曲轴实体，该发动机为V10 发动机， 建立完毕的发动机曲轴实体如下(图1)。曲轴的主要参数设置如表1 所示。

Figure 1. V10 engine crankshaft entity 图1. V10 发动机曲轴实体