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摘要：曲轴是影响柴油机可靠性最关键的零部件，是柴油机曲柄连杆机构的主要构件及传力件。本文利用ANSYS软件对某轻型风冷柴油机曲轴进行有限元仿真分析并优化，优化后曲轴的质量由原来的即5209.25g，缩减到现在的即4205.12g，质量减少19.28%，体积相应少。优化结果表明利用有限元分析软件ANSYS对曲轴进行有限元仿真分析，对提高曲轴设计效率，提高曲轴性能，降低曲轴制造成本效果明显， 对柴油机其他部件参数性能进行优化分析具有借鉴意义。
Abstract： The crankshaft is the most important part that affects the reliability of the diesel engine， and it is the main component and the transmission part of the crank connecting rod mechanism of the diesel engine. In this paper， the finite element simulation analysis and optimization of the crankshaft of a light air-cooled diesel engine are carried out by using ANSYS software. After the optimization， the mass of the crankshaft is reduced from 5209.25g to 4205.12g， 19.28% and the volume is correspondingly less. The optimization results show that the finite element simulation analysis of the crankshaft by using the finite element analysis software ANSYS can improve the design efficiency of the crankshaft， improve the performance of the crankshaft， and reduce the manufacturing cost of the crankshaft. It is of great significance to optimize the performance of other components of the diesel engine.
关键词：有限元;小型风冷柴油机;优化设计
Key words： ANSYS;small air-cooled diesel engine;optimal design
0 引言
曲轴是影响柴油机可靠性最关键的零部件，是柴油机曲柄连杆机构的核心构件及传力件[1]。其功用是把气缸内工质爆燃产生的能力通过活塞连杆组件以往复旋转运动的形式输出，不仅要承受缸内的气体力、往复和旋转质量惯性力、扭转力等的作用，处于一种连续交变的受力状态，环境恶劣。其可靠性和使用寿命对柴油机可靠性和安全性有很大的影响。随着对柴油机动力学性、可靠性和经济性要求的不断提高，曲柄连杆机构的核心构件曲轴的工作条件愈加苛刻，其强度和刚度的问题变得更加重要，在设计时必须对曲轴的结构型式、尺寸参数、材料与工艺进行优化，以求获得最经济最合理产品[2]。
小型风冷柴油机因具有适应性强、可靠性高、易轻量化、便于制造维修等优势，得到了广泛的应用[3]。但由于风冷柴油机的曲轴热负荷较水冷柴油机更高，对曲轴的设计也提出了更高的要求。曲轴传统的强度计算方法通常采用经验公式计算法或者曲轴类比设计法，曲轴初步设计完成后，造出曲轴样品再进行试验验证，通过分析实验数据进行优化改进[4]。随着电子计算机技术的不断发展，传统的设计方法已经不能满足市场的要求，采用现代设计方法改进曲轴的设计已成为当前最为有效的技术手段[5]。
为此，本文应用soildwork软件建立某轻型风冷柴油机曲轴的研究模型，用Ansys-Workbench软件进行某轻型风冷柴油机曲轴与连杆的接触应力应变分析，以获得曲轴的受载变形情况和强度参数，其研究结果对提高曲轴设计和工作的可靠性，减少开发周期，从而提高柴油机曲轴的设计质量，并对柴油机曲轴的改进以及优化设计提出一种可靠的研究方法，将对柴油机曲轴质量、性能及寿命的提尚具有重要的意义。
1 计算模型
1.1 曲轴受力分析
图1为曲柄连杆机构简图，O为曲轴旋转中心，A为连杆小头与活塞销的铰接点，B为连杆大头与曲轴的铰接点。当曲柄OB以O点为圆心做等速旋转运动时，活塞A点沿气缸中心線做往复运动，α为曲柄连杆机构平面运动时曲柄转角，r为旋转半径，β为连杆轴线偏离气缸轴线的角度。具体计算如下：
1.2 有限元模型的建立
采用soildwork软件建立曲轴的三维实体模型，通过ANSYS19中的Workbench进行有限元分析。柴油机曲轴结构形状复杂，为简化计算工作量，对曲轴模型做了相应的处理。处理后的曲轴模型中没有平衡重、省略了倒角、油孔、凸台、键槽、螺纹等，有利于更加详细地划分有限元网格，提高计算效率。曲轴主要结构参数见表2，曲轴模型如图2所示。
本文所研究柴油机曲轴材料为QT600-3，其材料特性参数如表3所示，采用的单元类型为Solid186，四面体网格单元长度为10mm，实体模型划分网格后，曲轴含有35355个单元，21956个节点，曲轴网格划分模型如图3所示。在主轴颈与机体接触面施加圆柱面约束（Cylindrical Support）和无摩擦支撑（Frictionless Support），在自由端止推面施加轴向位移约束，在连杆轴径出施加轴承载荷（BearingLoad），大小等于曲轴受到的最大压应力6376.625N。曲轴施加约束和载荷后模型如图4所示。 2 有限元分析
3 优化设计
根据分析曲轴受到最大应力集中在主轴颈与曲臂、曲柄销与曲臂连接处，且最大应力都远小于许用应力。所以给予进一步的优化设计提供了改进空间，可对曲轴可做尺寸优化，以减轻曲轴的质量，降低成本。将曲臂的直径适当减少，曲臂的上倒圆角减小，并减小曲臂长度尺寸，将曲轴主轴颈尺寸加大，并缩小主轴颈直径。优化后曲轴的质量由原来的即5209.25g，缩减到现在的即4205.12g，质量减少19.28%，体积相应少。
再次通过soildwork软件对新曲轴进行三维实体建模、进行网格划分和施加载荷，优化后加载、约束与优化前保持一致。
4 结论
通过应用Solidworks对曲轴进行三维建模，并运用有限元分析软件ANSYS进行仿真优化，优化仿真结果表明利用有限元分析软件ANSYS对曲轴进行有限元仿真分析，可获得较高的可靠性，对提高曲轴设计效率，提高曲轴性能，降低曲轴制造成本效果明显。可借鉴于对柴油机其他部件参数性能进行模拟分析，对柴油机的优化设计是有很大帮助。
参考文献：
[1]陈佐添，顾含，王孝霖，蔡鹏飞，苏先明.基于应力云图和有限元的柴油机曲轴疲劳强度分析[J].舰船科学技术，2019，41（19）：144-147，158.
[2]余雄章.单缸柴油机曲轴的强度及预应力模态分析[J].机械工程师，2019（08）：133-134，137.
[3]李光明，张彬，袁文华，马仪，李煜，宁佐归.基于ANSYS的轻型175F柴油机曲轴有限元仿真分析[J].邵阳学院学报（自然科学版），2018，15（02）：55-60.
[4]董昊轩，黄伟星，张鹏.柴油机曲轴静强度有限元分析与优化[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2017，35（04）：581-584，607.
[5]閆军朝，李洪昌，胡建平，吴鲁定.柴油机曲轴改进设计及有限元分析[J].中国农机化学报，2015，36（02）：165-168.
[6]罗威，张伟华.基于有限元的柴油机曲轴强度计算和疲劳分析[J].内燃机与配件，2014（03）：36-38，41.
[7]刘康，孟建.195柴油机曲轴有限元分析及其优化[J].内燃机与动力装置，2013，30（04）：22-24.
Abstract： The crankshaft is the most important part that affects the reliability of the diesel engine， and it is the main component and the transmission part of the crank connecting rod mechanism of the diesel engine. In this paper， the finite element simulation analysis and optimization of the crankshaft of a light air-cooled diesel engine are carried out by using ANSYS software. After the optimization， the mass of the crankshaft is reduced from 5209.25g to 4205.12g， 19.28% and the volume is correspondingly less. The optimization results show that the finite element simulation analysis of the crankshaft by using the finite element analysis software ANSYS can improve the design efficiency of the crankshaft， improve the performance of the crankshaft， and reduce the manufacturing cost of the crankshaft. It is of great significance to optimize the performance of other components of the diesel engine.
关键词：有限元;小型风冷柴油机;优化设计
Key words： ANSYS;small air-cooled diesel engine;optimal design
0 引言
曲轴是影响柴油机可靠性最关键的零部件，是柴油机曲柄连杆机构的核心构件及传力件[1]。其功用是把气缸内工质爆燃产生的能力通过活塞连杆组件以往复旋转运动的形式输出，不仅要承受缸内的气体力、往复和旋转质量惯性力、扭转力等的作用，处于一种连续交变的受力状态，环境恶劣。其可靠性和使用寿命对柴油机可靠性和安全性有很大的影响。随着对柴油机动力学性、可靠性和经济性要求的不断提高，曲柄连杆机构的核心构件曲轴的工作条件愈加苛刻，其强度和刚度的问题变得更加重要，在设计时必须对曲轴的结构型式、尺寸参数、材料与工艺进行优化，以求获得最经济最合理产品[2]。
小型风冷柴油机因具有适应性强、可靠性高、易轻量化、便于制造维修等优势，得到了广泛的应用[3]。但由于风冷柴油机的曲轴热负荷较水冷柴油机更高，对曲轴的设计也提出了更高的要求。曲轴传统的强度计算方法通常采用经验公式计算法或者曲轴类比设计法，曲轴初步设计完成后，造出曲轴样品再进行试验验证，通过分析实验数据进行优化改进[4]。随着电子计算机技术的不断发展，传统的设计方法已经不能满足市场的要求，采用现代设计方法改进曲轴的设计已成为当前最为有效的技术手段[5]。
为此，本文应用soildwork软件建立某轻型风冷柴油机曲轴的研究模型，用Ansys-Workbench软件进行某轻型风冷柴油机曲轴与连杆的接触应力应变分析，以获得曲轴的受载变形情况和强度参数，其研究结果对提高曲轴设计和工作的可靠性，减少开发周期，从而提高柴油机曲轴的设计质量，并对柴油机曲轴的改进以及优化设计提出一种可靠的研究方法，将对柴油机曲轴质量、性能及寿命的提尚具有重要的意义。
1 计算模型
1.1 曲轴受力分析
图1为曲柄连杆机构简图，O为曲轴旋转中心，A为连杆小头与活塞销的铰接点，B为连杆大头与曲轴的铰接点。当曲柄OB以O点为圆心做等速旋转运动时，活塞A点沿气缸中心線做往复运动，α为曲柄连杆机构平面运动时曲柄转角，r为旋转半径，β为连杆轴线偏离气缸轴线的角度。具体计算如下：
1.2 有限元模型的建立
采用soildwork软件建立曲轴的三维实体模型，通过ANSYS19中的Workbench进行有限元分析。柴油机曲轴结构形状复杂，为简化计算工作量，对曲轴模型做了相应的处理。处理后的曲轴模型中没有平衡重、省略了倒角、油孔、凸台、键槽、螺纹等，有利于更加详细地划分有限元网格，提高计算效率。曲轴主要结构参数见表2，曲轴模型如图2所示。
本文所研究柴油机曲轴材料为QT600-3，其材料特性参数如表3所示，采用的单元类型为Solid186，四面体网格单元长度为10mm，实体模型划分网格后，曲轴含有35355个单元，21956个节点，曲轴网格划分模型如图3所示。在主轴颈与机体接触面施加圆柱面约束（Cylindrical Support）和无摩擦支撑（Frictionless Support），在自由端止推面施加轴向位移约束，在连杆轴径出施加轴承载荷（BearingLoad），大小等于曲轴受到的最大压应力6376.625N。曲轴施加约束和载荷后模型如图4所示。 2 有限元分析
3 优化设计
根据分析曲轴受到最大应力集中在主轴颈与曲臂、曲柄销与曲臂连接处，且最大应力都远小于许用应力。所以给予进一步的优化设计提供了改进空间，可对曲轴可做尺寸优化，以减轻曲轴的质量，降低成本。将曲臂的直径适当减少，曲臂的上倒圆角减小，并减小曲臂长度尺寸，将曲轴主轴颈尺寸加大，并缩小主轴颈直径。优化后曲轴的质量由原来的即5209.25g，缩减到现在的即4205.12g，质量减少19.28%，体积相应少。
再次通过soildwork软件对新曲轴进行三维实体建模、进行网格划分和施加载荷，优化后加载、约束与优化前保持一致。
4 结论
通过应用Solidworks对曲轴进行三维建模，并运用有限元分析软件ANSYS进行仿真优化，优化仿真结果表明利用有限元分析软件ANSYS对曲轴进行有限元仿真分析，可获得较高的可靠性，对提高曲轴设计效率，提高曲轴性能，降低曲轴制造成本效果明显。可借鉴于对柴油机其他部件参数性能进行模拟分析，对柴油机的优化设计是有很大帮助。
参考文献：
[1]陈佐添，顾含，王孝霖，蔡鹏飞，苏先明.基于应力云图和有限元的柴油机曲轴疲劳强度分析[J].舰船科学技术，2019，41（19）：144-147，158.
[2]余雄章.单缸柴油机曲轴的强度及预应力模态分析[J].机械工程师，2019（08）：133-134，137.
[3]李光明，张彬，袁文华，马仪，李煜，宁佐归.基于ANSYS的轻型175F柴油机曲轴有限元仿真分析[J].邵阳学院学报（自然科学版），2018，15（02）：55-60.
[4]董昊轩，黄伟星，张鹏.柴油机曲轴静强度有限元分析与优化[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2017，35（04）：581-584，607.
[5]閆军朝，李洪昌，胡建平，吴鲁定.柴油机曲轴改进设计及有限元分析[J].中国农机化学报，2015，36（02）：165-168.
[6]罗威，张伟华.基于有限元的柴油机曲轴强度计算和疲劳分析[J].内燃机与配件，2014（03）：36-38，41.
[7]刘康，孟建.195柴油机曲轴有限元分析及其优化[J].内燃机与动力装置，2013，30（04）：22-24.