1、 基于基于 Abaqus 汽油发动机曲轴汽油发动机曲轴圆角圆角疲劳强度疲劳强度分析分析 李欣 （东风汽车公司技术中心 武汉 430058） 摘要摘要:曲轴是发动机的核心零部件之一，其主要失效形式为疲劳失效。曲轴常规的疲劳强度分析方法采用不同转速最恶劣工况进行组合。 本文介绍了一种考察同一转速内交变工况的疲劳强度计算方法，包括网格处理方法、约束和载荷。以某汽油机曲轴为例，使用Abaqus进行单位位移应力分析，之后用疲劳软件对其进行疲劳强度计算，结果表明，曲轴疲劳强度满足设计要求。 关关键词键词:曲轴，疲劳强度 1 引言引言 曲轴是发动机的核心零部件之一， 其破坏形式主要是交变的弯曲和扭转造成的疲
2、劳失效， 因此在曲轴设计中对曲轴的疲劳强度进行校核是不可缺少的一环。 曲轴疲劳试验方法周期长， 成本高，而利用有限元方法对曲轴疲劳强度进行校核则是经济快捷有效的方法。 曲轴疲劳强度分析常采用不同转速的最大载荷下的应力分布进行工况组合。 这种计算方法存在一定的缺陷。首先，不同转速的组合方式和曲轴实际工况不符，其次，疲劳工况组合为人工筛选可能存在疏漏，再次，曲轴应力分布为最大载荷下的分布，工况选择偏严苛。 本文使用 Abaqus 软件和疲劳软件对某汽油机曲轴进行了疲劳强度分析。首先使用 Abaqus软件进行曲轴的单位位移应力分析， 然后在疲劳软件中利用单位位移的曲轴应力分布和曲轴位移谱进行疲劳强度
3、分析。本文考察曲轴在各转速内的交变工况，工况选择贴近真实情况。采用软件进行疲劳计算，工况筛选和组合更加全面合理。 在曲轴的疲劳强度计算中， 由于需要对每个单拐的每个转速进行疲劳强度计算， 整体计算量大，同时根据以往经验，曲轴疲劳强度薄弱位置一般在圆角处，为了节省计算时间，仅对圆角处的疲劳强度进行计算。 2 仿真分析流程仿真分析流程 曲轴疲劳强度分析基本流程如图 1 所示。 Abaqus计算曲轴单拐单位位移应力分布疲劳软件中导入应力分布结果和曲轴位移谱曲轴按单拐进行分块计算各转速曲轴疲劳安全系数结果评价输出分析报告改进3D模型Yes 图 1 发动机曲轴强度分析流程 3 曲轴单位曲轴单位位移位移应
4、力分析应力分析 曲轴疲劳强度计算主要分为两个步骤， 3.1 网格划分网格划分 将 3D 数模导入 HyperMesh 中，进行必要的几何清理。 在主轴颈和曲柄销的中点， 垂直轴向作截面， 将曲轴切分为单个曲拐， 对每个曲拐进行建模。如图 2 所示以某三缸机为例，将曲轴分为六个曲拐，对每个曲拐单独建模。 图 2 曲轴几何分区示意图 曲轴基础网格为 5mm 的二阶四面体，由于曲轴轴颈圆角处为应力集中处，因此将此处网格细化为0.5mm的二阶六面体。 图 3为曲轴单拐有限元模型， 图 4为曲轴圆角处细化网格示意图。 图 3 曲轴单拐网格示意图 图 4 曲轴网格划分示意图 3.2 材料及属性材料及属性
5、曲轴材料为钢。 3.3 分析步说明分析步说明 分别计算主轴颈和曲柄销 xyz 向平动和转动 6 个自由度的单位位移，每个曲拐需计算 12 个分析步。 3.4 边界条件边界条件 在曲轴主轴颈端面和曲柄销端面分别进行约束和加载。 约束端端面节点全约束， 加载端所有 节点约束除加载方向外所有自由度，加载端所有节点在加载方向加载单位位移（或转动） 。 图 5 单拐位移约束示意图 以 web1 的连杆轴颈 x 向平动单位位移为例，约束主轴颈剖面上所有节点的 6 个自由度，连杆轴颈剖面约束 yz 向平动和 xyz 向转动共 5 个自由度，x 向平动位移设为 1。如图 5 所示。 3.5 工况说明工况说明
6、曲轴疲劳需计算重要转速下各拐的疲劳安全系数。除了汽油机的重要转速，可以每隔500rpm1500rpm 选取计算转速。 4 疲劳安全系数计算疲劳安全系数计算 曲轴疲劳强度计算采用多通道模块。 单拐的主轴颈和曲柄销的每个自由度占用一个通道， 单拐计算需占用 12 个通道，如图 6 所示。 图 6 疲劳计算示意图 约束主轴颈上所有节点6 个自由度 约束曲柄销上所有节点yz 向平动和 xyz 向转动，x 向平动设为 1mm 4.1 材料及属性材料及属性 进行疲劳安全系数计算时，除了常规的材料理化性能参数，还需要材料的力学性能参数，如图 7 所示。 图 7 材料 haigh 图 4.2 位移位移谱谱 位
7、移谱是曲轴在 720运行工况里面，曲轴的位移历程。位移谱的输出节点分别选择主轴颈和曲柄销的中间节点。位移谱由动力学计算提供。 4.3 计算结果分析计算结果分析 疲劳安全系数限值为 1.1，当疲劳安全系数 SF1.1 时，曲轴疲劳强度满足要求，当疲劳安全系数 SF1.1 时，则建议进行结构优化改进。 以 web5 为例，其怠速转速主轴颈圆角的疲劳安全系数分布云图如图 8 所示，其疲劳安全系数均在许用范围内。曲轴的各转速的疲劳安全系数如图 9 所示。 图 8 疲劳安全系数分布云图 图 9 某汽油机曲轴疲劳安全系数 5 小结小结 本文首先利用 Hypermesh 作为前处理软件，在 Abaqus 中进行计算分析，详细介绍了曲轴单位位移应力分析网格处理及约束加载的方法。然后，对曲轴圆角的疲劳强度进行计算，介绍了疲劳强度计算的基本方法和参数设置。由计算结果可知，曲轴的疲劳强度均能满足设计要求。 在该汽油机开发结算的可靠性耐久试验中，该曲轴未出现任何可靠性问题。
