基于Abaqus的V型发动机曲轴的模态分析与结构优化

曲轴是汽车发动机中的重要零部件，在工作过程中会承受周期性载荷的作用，在发动机额定转速范围内有可能发生强烈的共振，导致曲轴发生扭振失效或断裂现象，容易引发安全事故。为研究某V型发动机曲轴的振动特性，首先，本文在三维软件SolidWorks中建立了发动机曲轴的三维模型。然后，基于有限元方法，将其导入仿真软件Abaqus中进行约束模态分析，对发动机曲轴的固有频率和振型进行了详细分析及讨论。最后，以曲轴的单拐模型为研究对象，考虑到应力集中效应的影响对曲轴进行了结构优化设计，并对优化结果进行了分析。为进一步解决现有发动机曲轴振动问题提供理论基础，为发动机曲轴的结构改进方向提供参考。

曲轴是汽车发动机中的重要零部件之一，其运动学性能在很大程度上影响了发动机的工作性能和寿命[1]。在发动机运转时，气缸内的混合可燃气被点燃，可燃混合气对活塞做膨胀功，使发动机活塞上下运动，然后通过活塞接触的连杆带动发动机曲轴，使曲轴做旋转运动，并通过曲轴传递动力[2]。在工作过程中，曲轴会承受周期性载荷的作用，在发动机额定转速范围内有可能发生强烈的共振，导致曲轴发生扭振失效或断裂现象，进而容易引发安全事故。

有限元方法是一种经典的数值求解方法，可用于解决发动机曲轴各种振动问题。吕端等人[3]通过Ansys Workbench 对V8 发动机曲轴进行有限元分析，得出了曲轴前10 阶固有频率和振型。刘洁等人[4]对曲轴进行了静强度分析与模态分析，并利用优化设计理论进行发动机曲轴优化。朱宜生等人[5]对单曲柄有限元模型进行静力分析，并基于蒙特卡洛抽样法对其进行尺寸优化。陈振等人[6]建立了曲轴系在交变载荷作用下的动力学模型，并通过振动测试试验验证了模型的准确性。

本文通过SolidWorks 软件建立了一种V 型四缸柴油发动机曲轴的三维模型， 以曲轴在运动过程中所受约束条件为基础， 利用Abaqus 软件对曲轴进行了有限元模态分析， 计算并分析了曲轴在约束模态条件下的各阶振型和固有频率，之后以曲轴的单拐结构为研究对象，对曲轴进行了结构优化设计，提高了发动机曲轴的工作性能和系统的稳定性。

2. 曲轴的结构与受力分析 本文以某V 型四缸柴油发动机曲轴为分析对象， 首先根据曲轴实物模型SolidWorks 中创建三维模型， 之后导入Abaqus 仿真软件， 通过网格划分， 并根据曲轴运行情况添加约束及边界条件后分析其振动特性。

如图1 为本文所研究曲轴的三维模型。

曲轴模型的主轴颈，连杆轴颈及曲拐半径等主要参数如表1 所示。曲轴材料为42 CrMo，材料参数如表2 所示。