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曲軸是發(fā)動機上的一個重要機件，裝上連桿后，可承接連桿的上下(往復(fù))運動變成循環(huán)(旋轉(zhuǎn))運動。在工作過程中，曲軸常見的損傷形式有軸頸磨損、彎扭變形和斷裂等，其中斷裂事故的危害性最大。因此，選擇可靠、全面的有限元分析工具對曲軸的強度進行計算和校核，找出斷裂破壞的原因，以改進設(shè)計方案，確保安全生產(chǎn)。有限元分析是在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域中應(yīng)用和發(fā)展起來的，它不僅可以解決結(jié)構(gòu)分析問題，還可以解決傳熱學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域的問題。下面介紹應(yīng)用ANSYS軟件對曲軸零件的強度分析過程，曲軸的強度分析屬于ANSYS最常用的結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域。
建模是有限元分析問題的第一步，利用當前CAD與CAE軟件的數(shù)據(jù)交換技術(shù)，應(yīng)用UG軟件建立曲軸的三維立體模型，保存為IGS的中間數(shù)據(jù)格式，然后導(dǎo)入ANSYS中進行分析，導(dǎo)入后的模型如圖所示。圖示曲軸由主軸頸、連桿軸頸、曲柄、平衡塊、前端和后端組成，主軸頸是曲軸的支承部分，通過主軸承支承在曲軸箱的主軸承座中。本例中采用了非全支承的方式，這種支承的主軸承載荷較大，但縮短了曲軸的總長度，使發(fā)動機的總體長度有所減小。在建模過程中需要注意簡化處理盡可能少。為了使計算模型和原結(jié)構(gòu)盡可能等效，只對軸端便于安裝的工藝倒角做了簡化處理，特別需要注意在結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位，比如曲軸臂與主軸頸、曲軸臂與連桿軸頸連接處的圓角過渡都不可以隨意簡化。圖示曲軸材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量和主泊松比分別為E=2.1xe5MPa；u=0.30建立好實體模型，設(shè)定好合適的單元屬性，而后進行網(wǎng)格劃分。對模型進行網(wǎng)格劃分時應(yīng)針對不同的圖元模型采用不同的網(wǎng)格劃分操作。圖所示曲軸的結(jié)構(gòu)中，采用Sweep網(wǎng)格劃分方法對主軸頸和連桿軸頸部分進行劃分，網(wǎng)格密度設(shè)定為0.03；采用Free網(wǎng)格劃分的方法對曲軸臂部分進行精度為6的網(wǎng)格劃分。
選擇合適的載荷或邊界條件對分析結(jié)果的精度有重要影響，結(jié)構(gòu)靜力分析的載荷有自由度約束、集中載荷、面載荷、體載荷和慣性載荷五種。根據(jù)對該曲軸零件的受力分析，將電機端和曲拐處承載的扭矩簡化為集中力載荷施加，沿y，z方向的關(guān)鍵點載荷編號及載荷值，并約束相應(yīng)的軸頸面的位移，得到與原系統(tǒng)等效的計算模型。施加完位移約束后，將實體模型上的位移約束轉(zhuǎn)換到有限元模型上，載荷示意如圖所示。前處理的工作完成后，和原系統(tǒng)等效的物理系統(tǒng)就構(gòu)建完畢，接下來的工作就是求解描述該等效物理系統(tǒng)的線性方程組，ANSYS提供了稀疏矩陣求解器、迭代求解器、波前求解器等。本例中選擇了ANSYS默認的程序選定求解器進行求解。
結(jié)果后處理就是對求解器的結(jié)果進行查看和分析，可以通過通用后處理器和時間歷程后處理器完成處理。本例中選擇通用后處理器分別查看圖形顯示變形形狀和圖形顯示節(jié)點平均等效應(yīng)力結(jié)果。圖表明：最大變形量發(fā)生在前、后主軸頸及曲拐處，兩端的變形會導(dǎo)致主軸頸的同軸度誤差超過0.05mm，形成彎扭變形的損傷形式；除集中載荷作用處的幾個應(yīng)力集中部位外，結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)主要集中在曲拐處的連接部位，是結(jié)構(gòu)的危險區(qū)域，可能引起斷裂事故的發(fā)生。為了增強該曲軸工作的可靠性，應(yīng)從結(jié)構(gòu)、材料和尺寸等方面減小應(yīng)力集中，以避免斷裂這樣的大事故的發(fā)生。
應(yīng)用有限元軟件ANSYS分析的方法，能設(shè)置曲軸工作時的各項參數(shù)，且計算精度較傳統(tǒng)理論公式計算要高；利用ANSYS的圖形顯示功能，可以直觀、簡便地對曲軸的變形和應(yīng)力分布情況進行分析。通過分析其受力變形，約束相應(yīng)的軸頸面位移和集中載荷的施加，可綜合得出曲軸的變形圖和應(yīng)力分布圖，為曲軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供可靠依據(jù)。
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