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| 有限元分析 |
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。
早期的曲轴强度研究主要采用简支梁法，这种方法做了太多的简化，难以保证计算精度。随后，由于计算机的普及和有限元法的出现，产生了整体曲轴计算的连续梁模型如文献和空间刚架模型。利用杆系有限元分析理论，提出把曲轴当作由其轴线构成的空间刚架来计算。但这些方法没有考虑重迭度、转矩等的影响，还不能计算主轴颈和连杆轴颈的圆角应力。
近年来，有限元技术日趋成熟，很多学者用三维有限元模型和子结构理论研究曲轴强度如文献。但这些工作也存在一些不足之处，如有的计算模型只考虑单一受载情况，忽略了转矩和惯性力作用；有的只计算了单一曲拐，忽略了相邻曲拐的影响；实际曲轴工作时处于复杂的受载状态，建模过程中的简化不当使结果产生较大误差。
另外，曲轴是运动件，但迄今为止曲轴强度计算时的作用载荷都是按静力考虑的。也就是说，当评价曲轴强度时，所用的某部位的最大应力和最小应力只不过是从大量的曲轴准动态计算中挑选出来的，并没有考虑动力响应的因素。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(包括曲轴、飞轮、减振器)，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，得到一个工作循环曲轴的动态应力分布状况，并进行疲劳安全系数的计算。
曲轴强度分析运用有限元与动力学仿真EXCITE相结合，有三方面的特点：1)多体动力学。模型是包括弹性气缸体、弹性活塞连杆组和弹性轴系在内的整个内燃机的模型。2)有限元法。采用子结构法，利用3D实体单元有限元模型，通过模态分析求解器对有限元模型进行模态缩减，主自由度节点计入表征结构部件的运动和变形特征的结构刚度和材料阻尼，也是作为结构部件间的相互作用点可传递载荷。3)非线性。弹性体间通过非线性接触单元相互作用。
所有主自由度节点的所有方向构成动力学方程组M x+D x+K x=f式中，M—质量矩阵，K—结构动态刚度矩阵，D—材料动态阻尼，x—位移向量，f—荷向量。
对某柴油机曲轴进行建模和仿真分析，该机主要结构性能参数如下：结构方式：直列水冷、6缸、四冲程缸径×冲程：160 mm×225 mm标定功率：220 kW /1 000 r/min发火顺序：1—5—3—6—2—4利用AVL的EXCITE动力学分析模块建立曲轴仿真的整体模型。模型包括：弹性曲轴、弹性气缸体、弹性活塞连杆组、曲轴与气缸体之间的非线性弹簧阻尼约束、曲轴与连杆的非线性弹簧阻尼约束、活塞与气缸套的刚性导向约束、止推轴承的非线性约束、曲轴与扭振减振器惯量环之间的扭转弹簧阻尼器、旋转耦合约束。
曲轴是空间构件，从实际形状的逼近和整个应力分布规律的求解来说，三维有限元模型最为理想。因此采用高精度的六面体单元建立曲轴的有限元模型，将减振器和飞轮根据惯量不变的原则进行适当的简化，用弹簧来模拟减振器的动态刚度，对主轴颈与连杆轴颈圆角进行细化，如图。采用子结构技术，定义主自由度节点，然后对原模型进行模态缩减，如图所示，这样得到的子结构模型共44个主自由度节点，264个自由度。与原先的有限元模型(41 949个节点，34 287个单元)相比计算规模大大缩减了。
载荷施加曲轴强度分析时，主要考虑气缸内的燃烧压力、活塞连杆组的往复惯性力和旋转惯性力、曲轴各部分的旋转惯性力。燃烧压力通过示功图根据发火顺序加载在相应的活塞销上，往复惯性力和旋转惯性力可以通过有限元模型求得，并加载在相应的主自由度节点上。
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