黑龙江工程学院本科生毕业设计
第4章 曲轴的有限元分析
4.1 对Pro/E软件基本功能的介绍
Pro/E软件是美国PTC公司推出的大型CAD/CAM/CAE一体化软件。无论是造型设计、工程出图，以及3D装配等方面，Pro/E都具有操作容易、使用方便、可动态修改的特点。
Pro/E更是以其基于特征的参数化设计、单一数据库下的全相关性等新概念而闻名于世。另外还具有模具设计，动态、静态干涉检查，计算质量特征（如质心、惯性矩）等功能模块。用Pro/E创建的三维参数化零件模型，不但可以在屏幕上自由的翻转动态观察结构形体，更可以进行方便的动态修改和调整。进行力学分析、运动分析、数控加工等。
4.2 曲轴的创建
4.2.1 曲轴的特点分析
为了保证发动机长期可靠地工作，曲轴具有以下特点：
（1）曲轴上的连杆轴颈偏置于曲轴的中心线，在连杆轴颈的相反方向上都设有平衡重，以避免曲轴旋转时产生严重的振动。
（2）曲轴上有钻通的油孔，润滑油经过油道。 4.2.2 曲轴的建模思路
曲轴的曲拐部分是对称的，4个平衡块特征的叠加完成曲轴大致一半的特征，所以先建立一半曲拐特征，再细化平衡块上的特征，然后镜像生成完整的曲拐，最后再对曲轴两端的特征分别创建，即完成特征的操作。 4.2.3 曲轴的建模步骤
1、创建第Ⅰ平衡块
（1）运用【拉伸工具】创建曲轴主轴颈的1/2部分。
（2）在上一步的基础上创建主轴颈和平衡重连接部分的凸肩。
（3）选取上一步完成的凸肩曲面作为草绘平面，并拉伸为实体，如图4.1所示。 2、创建曲柄臂
同样的方法，运用【拉伸工具】，完成曲柄臂的创建，如图4.2所示。 3、创建第平衡块
同样的方法绘制草图，创建平衡块，结果如图4.3所示。
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图4.1 拉伸结果 图4.2 拉伸结果
4、曲轴曲拐部分的镜像
图4.3 拉伸结果
连续选取模型树已经创建好的所有特征，选择“组”命令，然后对“组”进行“镜像”，完成特征的创建，如图4.4所示：
图4.4 曲轴对称部分的镜像
5、创建曲轴前端特征
（1）运用【拉伸工具】创建曲轴前端轴颈及轴颈处凸台部分 （2）新建基准平面，拉伸去除材料，完成前端键槽的创建。 6、创建曲轴后端特征
（1）同样的方法拉伸生成曲轴后端轴颈部分。
（2）去除材料，调整去除材料方向，完成曲轴后端部分的创建。 7、细化曲轴两端特征
在曲轴两端平面上，运用【孔工具】，【阵列工具】，添加孔。
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最后结果如图4.5、图4.6所示。
图4.5 曲轴前端特征 图4.6 曲轴后端特征
8、创建倒圆角及油孔
（1）运用“倒圆角”命令，分别对曲轴主轴颈、连杆轴颈与平衡块连接处的边进行圆角修整。
（2）运用【旋转工具】，新建基准轴，选择【去除材料】，创建油孔。 最后结果如图4.7所示：
图4.7 曲轴整体特征
4. 3 对ANSYS软件的介绍
ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体，以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，它由美国宾夕法尼亚州匹兹堡的ANSYS公司开发，可广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电、生物医学等众多工业领域及科学研究。
ANSYS具有强大而广泛的分析功能、一体化的处理技术、完善的开放体系。
4. 4 曲轴的有限元分析
4.4.1 曲轴受力条件与简化
曲轴在运动过程中，由于主轴颈上后到约束，而连杆轴颈上受到相应的合力，所
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以对于曲轴的受力来说是复杂的合力，由表3-1、3-5可以看出，在曲轴第三个曲拐处受到的力是最大的，所以在曲轴第三个曲拐受力最大的情况下进行分析，要进行有限元化并分析，需要对曲轴进行相应的曲轴网格划分与节点划分，做一个完全瞬态分析，而由于计算机的配置等诸多方面的因素，使得需简化模型，降低模型的复杂程度。 4.4.2 曲轴的静力学分析
1、曲轴模型的导入
由于使用的Pro/E建模，所以可以吧Pro/E中的曲轴模型导入到ANSYS中，应用接口串联，可以把模型导入到ANSYS 8.0中，如图4.8所示。
图4.8 导入到ANSYS中的曲轴模型
2、曲轴体分割与整合
由于曲轴的受力情况，在进行节点划分前需要进行体分割，才能在受力点位置产生节点，否则在网格划分的过程中可能出现网格未扫描出节点，从而对分析的结果产生影响。
（1）先对模型坐标系进行空间平移，移动到所要的分割平面位置，在利用布尔运算，对X轴实体模型进行体分割，然后继续移动坐标系，重复分割实体模型，在旋转坐标，对Y轴方向上进行分割，最后还原坐标系。最后结果如4.9图所示。
（2）同样利用布尔运算，对体分割后的实体模型进行布尔加运算，进行体整合，整合成为一体的实体模型。
3、网格划分与材料设置
（1）定义属性单元类型（Element Type），编辑单元类型，添加确定为Solid>Tet 10node 187。
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图4.9 模型的分割
（2）属性材料设置，定义材料模型、材料属性和模型组合（Material Models），Structural>Linear>Isotropic，弹性模量输入为1.6e11，泊松比为0.29，在Density中输入密度铸铁为7300，如图4.10、4.11所示。
图4.10 材料弹性模量和泊松比图 图4.11 材料密度
（3）利用网络划分工具（Mesh Tool）,对曲轴模型进行网格划分，结果如图4.12所示。
图4.12 网格划分
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