第33卷(2011)第5期：结构与可靠性：
柴油机 Diesel Engine
Vol. 33 (2011 ) No. 5
基于有限元和多体动力学的柴油机曲轴强度与应力分析
薛继凯，于学兵，陈亮，薛冬新
（大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024）
摘要：以某12V荣油机曲轴为研究对象，利用非线性多体动力学与三维实体有限元法对其进行强度分析。首先建立曲轴等部件的三维实体有限元模型，采用子结构法对其进行结构缩减，导入多体动力学分析软件后添加连接单元，建立轴系非线性多体动力学模型；然后将多体动力学分析结果恢复到曲轴三维实体有限元模型，进行一个工作循环下的曲轴动应力分析；最后校核其疫
劳强度。分析结果表明：分析方法合理，所研究的曲轴其疲劳强度满足要求。关键词：曲轴；多体动力学；有限元法；子结构；强度分析
中图分类号：TK423.3*1
文章编号：10014357(2011)05003603
文献标识码：A
StrengthandStressAnalysisofDieselCrankshaftBased
onFiniteElementandMulti-BodyDynamics
XueJikai,YuXuebing,ChenLiang,XueDongxin
( School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, LiaoningDalianl16024) Abstract: Nonlinear multi-body dynamics and 3D finite element method was used to make the strength a-nalysis of a 12 V diesel engine crankshaft. The 3D finite element solid models of crankshaft and other parts were created and reduced by substructure technique, The multi-body dynamics program, considering joints added, was introduced to establish non-linear multi-body dynamics model. The results of multi-body dy-namics calculation were transferred to the 3D finite element model. Then the dynamic stress of the crank-shaft was analyzed during one operating cycle, At last, the fatigue strength was checked. Analysis results
show that the method is reasonable, and the fatigue strength of crankshaft can meet the requirements. Keywords : crankshaft; multi-body dynamics; finite element method; substructure; strength analysis
0引言
曲轴是柴油机的主要零部件之一，其强度和刚度对柴油机的工作性能和寿命有决定性的影响。曲轴强度分析也是柴油机设计的一个关键环节[1]。柴油机曲轴强度的研究，传统方法一般是建立曲轴三维实体有限元模型，添加近似边界条件求解，这种模型能够细致地研究曲轴危险部位的应力分布状况，但无法考虑到连杆、活塞、轴承座、缸体等和曲轴间的相互作用，难以得到准确的边界条件[2]。本文从系统的角度，运用多体动力学和三维实体有
限元相结合的方法研究曲轴，建立了多体动力学非线性仿真模型。模型包含了气缸体、活塞连杆组、轴系，用三维连续体的有限元模型分析，采用非线性阻尼弹簧模拟曲轴支承，对曲轴一个工作循环作动态仿真，得到一个工作循环的曲轴动态应力分布状况。这样既能考虑到多体之间的相互作用，在很大程度上克服了单纯有限元分析边界条件不够准确的弊端，又能利用三维实体模型结构上的精确性，从而与曲轴结构以及实际工作条件更加接近[3)。多体模型中用分布式非线性弹簧模拟曲轴支撑，比
收日期：2011-03-21
作者简介：薛佳既（1987），男，硕土研究生，主要研究方向为内燃机强度与摄动分析，E-mail：xuejikai@126.oom。