基于Abaqus的汽油机曲轴强度分析研究
黄凤琴张志明王伟民蔡志强
(东风汽车公司技术中心武汉 430056)
摘要：本文首先介绍了曲轴的网格处理方法，然后对曲轴的约束和加载作了必要的描述，考虑了曲轴与主轴承座的接触间隙和非线性，最后按照汽油机曲轴的工作工况，选择了8种工况进行了有限元分析，得到各种工况下曲轴的应力分布云图和连杆轴颈圆角处的最小疲劳安全系数，为曲轴的设计和优化方向提供了充分的理论依据。

关键词：汽油机曲轴有限元分析 Abaqus 疲劳强度
1引言
发动机曲轴在工作时受到强大的交变载荷而容易发生疲劳破坏，造成重大经济损失。

曲轴疲劳试验方法周期长，成本高，而利用有限元分析可以快速得到曲轴的疲劳安全系数，从而为曲轴的强度及优化方向提供理论依据。

2 曲轴有限元模型的建立
曲轴有限元分析采用的计算模型一般有以下三种【1】：
1）四分之一曲拐模型。

主要考虑弯曲载荷的作用，并认为曲轴的形状和作用载荷相对曲拐平面对称。

2）单拐模型。

分析曲轴受载荷最严重的单个曲拐，优点在于计算规模小，计算时间短。

但是这种方法很难准确确定主轴颈剖面部分面处的边界条件，剖分面离过度圆角的距离会影响计算精度。

3）采用整体曲轴模型，这是进行曲轴有限元计算最符合实际的模型，计算精度高，但是计算规模较大，计算时间较长。

随着计算机技术水平的提高，整体曲轴模型的计算时间在不断的缩短。

在本文中，采用整体曲轴模型对某汽油机曲轴的疲劳强度进行分析计算，网格处理采用Hpermesh软件，约束加载、计算分析及后处理利用Abaqus软件。

2.1 有限元网格的划分
本分析中的网格模型主要报告曲轴网格模型和简化主轴承座网格模型。

由于曲轴最大应力集中主要发生在油孔、连杆轴颈圆角及主轴颈圆角处。

因此，此三处的网格质量极为关键，必须进行网格细化。

采用Hypermesh作为前处理软件，根据曲轴的结构对称特点，可以只用划分部分曲面的面网格，然后进行镜像，得到曲轴的整体面网格，最后生成体网格。

简化主轴承直接通过拉伸得到六面体简化主轴承网格。

本模型中，曲轴网格
尺寸为5mm，连杆轴颈圆角及主轴颈圆角处等分细化，根据曲轴计算精度的要求，曲轴体网格采用二阶四面体单元，图1为曲轴与简化主轴承网格模型，曲轴模型共有261561个单元，392923节点。

图1 曲轴与简化主轴承网格模型
2.2 定义接触
曲轴与简化主轴承座之间采用接触定义，类型为contact pair，在Hypermesh的Abaqus面板中完成接触对的定义。

然后定义曲轴主轴颈与主轴承座之间的间隙，图2为定义完成的接触对。

图2主轴颈与轴承座之间的接触定义
2.3 定义边界条件
边界条件包括载荷边界条件和约束边界条件。

曲轴所受主要载荷为曲柄销载荷及曲轴飞轮端扭矩，图3所示为2缸和4缸发火时曲柄销载荷与飞轮端扭矩示意图，标记为红色载荷
图3 曲轴所受载荷加载示意图
为惯性力，标记为蓝色为气体压力。

曲柄销载荷沿圆周方向120度范围内按余弦分布，沿轴向按直线分布【2】，如图4所示。

图4曲柄销载荷分布示意图
选择曲轴典型工况进行计算，本文中选取了8个工况进行曲轴有限元分析，曲柄销载荷及飞轮端扭矩均由曲柄连杆机构动力学分析通过软件GT-Crank 计算得到。

约束简化主轴承座平移自由度及曲轴前端的旋转自由度。

3 计算结果分析
曲轴的疲劳安全系数的计算分传统手动计算和采用疲劳软件计算两种方法【3，4，5】，为节约计算成本，本文采取传统计算方法。

由于曲轴在工作中一直受到不对称循环应力的作用，因此必须从疲劳强度的角度来评价曲轴的安全问题。

此曲轴选取的材料为合金钢，其抗拉强度为1080MPa ，屈服极限为930MPa 。

对计算的各种工况进行两两组合，列出每组的最大主应力分布云图，计算疲劳安全系数。

疲劳安全系数计算公式如式（1）。

m
a K n σψσβεσσσσ+=-1
（1）
式中，K σ为有效力集中系数，一般取1.0 β 表面强化系数，本文中取1.3
εσ 为尺寸系数，本文中取0.73 ψσ 为疲劳比，根据经验，取0.33； σa 为应力幅和σm 为平均应力，所选组合工况分析结果得到
图5 4缸连杆轴颈最大主应力分布云图
35.2MPa
图6 2缸连杆轴颈最大主应力分布云图
根据以上疲劳安全系数的计算方法，计算得到4缸连杆轴颈圆角处的最小疲劳安全系数为2.73，4缸连杆轴颈最大主应力分布云图如图5，2缸连杆轴颈圆角处的最小疲劳安全系数为2.94，2缸连杆轴颈最大主应力分布云图如图6，均大于1.5，因此其疲劳强度满足设计要求。

4 小结
1）本文利用Hypermesh作为前处理软件，在Abaqus中进行计算分析，详细介绍了曲轴FEM 分析网格处理及约束加载的方法，计算表明曲柄销圆角及主轴颈圆角处网格质量对计算结果的影响很大，因此圆角处网格必须细划。

2）本文对某汽油机曲轴进行了疲劳强度分析，分析得出，曲轴的主要应力集中发生在轴颈圆角处，并对此处疲劳安全系数进行计算，得出其满足疲劳设计要求的结论。

3）曲轴的边界条件比较复杂，因此必须考虑接触和非线性，普通通用软件没有这个方面的功能，Abaqus很好的为我们解决了这一非线性问题，使得计算结果更为准确。

参考文献
【1】徐中明，牟笑静，彭旭阳. 基于有限元法的发动机曲轴静强度分析【J】.重庆大学学报，2008.31（09）.
【2】徐兀. 汽车发动机现代设计【M】.北京：人民交通出版社，1995：133-135.
【3】马讯，左远化.曲轴的疲劳和模态分析【J】.汽车研究与开发，2003（5）：23-26.
【4】王良国，胡德波. 368Q型发动机曲轴疲劳强度有限元分析【J】.内燃机学报，2000.18（03）【5】尹建民等，.X6135柴油机曲轴强度的三维有限元研究【J】.内燃机工程，1997.18（02）。