基于ANSYS的WD615发动机曲轴的应力分析及可靠性分析
摘要：曲轴作为发动机最重要的部件，其静刚度的好坏直接影响发动机的工作性能及使用寿命。目前我国对发动机曲轴的静态特性的要求日渐苛刻，曲轴的疲劳失效将使发动机运转发生故障。本文运用Ansys有限元分析软件对WD615发动机曲轴进行应力分析，主要分析其在承受最大外力载荷时所发生的应力集中和变形情况，为提高发动机的可靠性和使用寿命提供理论依据，具有实际应用价值。
关键词：曲轴；应力分析；有限元法
引 言
曲轴为发动机的重要部件之一，在发动机的设计以及改进的过程中占有很重要的地位，它是发动机的主要旋转部件。WD615发动机曲轴结构比较复杂，工作过程中曲轴内部会产生弯曲应力以及扭转应力，应力集中达到一定程度的时候，曲轴会产生失效或者断裂。本文对WD615发动机曲轴进行应力分析，求解WD615发动机曲轴部件的局部应力和曲轴整体的应力分布以及曲轴在工作状态中的变形量。
1.WD615发动机曲轴的工作状态分析
发动机工作过程中，气缸内气体燃烧产生气体爆发力并作用到活塞上，再通过连杆作用到曲轴上，曲轴在工作的过程中内部会产生弯曲应力和扭转应力，如果应力超过发动机曲轴能够承受的极限载荷，曲轴就会产生失效或者断裂现象。曲轴刚度也很重要，刚度不足将会加剧曲轴的纵向振动和扭振振动，使与曲轴相连的柴油机零部件的工作条件出现恶化，增大柴油机的噪声。
2.WD615发动机曲轴的静态应力分析
本文对发动机曲轴的静态应力分析是基于Ansys的有限元结构分析，用Solidworks软件建立曲轴的三维模型，将其导入到Ansys软件建立了WD615曲轴的有限元模型，然后定义分析类型和材料的力学性能，并且还要施加力载荷以及约束边界条件，最后得出应力分析的结果。
2.1 WD615发动机曲轴有限元模型的前处理
WD615发动机曲轴为整体锻造模锻件，材料采用优质 45 钢。燃烧最高压力达3000～6000kPa。曲轴部件受到气缸内燃料燃烧产生的最大压力时所发生的应力和应变最大。气体作用力的大小为： ， 为气缸内的绝对压力， 为曲轴箱内气体的绝对压力，对于四冲程发动机， 一般取 。由动力学知识计算可以得到最大燃烧压力时连杆轴颈的径向载荷的最大值为850N，其位置位于发动机上止点转过6.5°。发动机的横向尺寸大于纵向尺寸，且所受的载荷力方向为径向，
因此可将发动机曲轴简化为两端支撑的横梁结构，当曲轴的第三或者第四轴颈转过上止点6.5°时发动机曲轴工况最差。综上所述，选取发动机曲轴的第三轴颈转过上止点6.5°，其余五个轴颈相对第三轴颈角度分别为-240°、-120°、120°、240°、360°时的工作状态做为本次发动机曲轴应力分析的静态位置。同理计算其余五个曲轴相对转过-240°、-120°、120°、240°、360°时曲轴轴颈受到的径向载荷值[2]。这些载荷沿着连杆轴颈2 /3的角度分布[18]，其大小如下：曲轴所受载荷方向和大小如表1：
表1 WD615发动机曲轴连杆轴颈径向载荷
曲轴转角 -236.5° -113.5° 6.5° 126.5° 246.5° 366.5°
力的代号 F1 F2 F3 F4 F5 F6
轴颈载荷 6520 4100 850 4760 3530 4220
2.2 WD615发动机曲轴有限元模型的求解分析及后处理
WD615发动机曲轴的等效应力云图，如图1所示：
图1 WD615发动机曲轴的等效应力云图
由图可知，WD615发动机曲轴的应力集中部位在连杆轴颈与曲柄臂以及主轴颈与曲柄之间的圆角部分。应力集中现象最为严重的部位在第三连杆轴颈与主轴颈的圆角部位和第二连杆轴颈与主轴颈的圆角部位。曲轴的最大变形量为 ，最大应力 为 。
3.WD615发动机曲轴的静态强度安全系数校核
对曲轴静强度的校核如下：静态强度安全系数的计算公式为： ， 为材料的强度极限，曲轴材料的强度极限值为 ， 为曲轴即将发生失效的部位的最大应力值，其值大小为458MPa，故安全系数的值为 ，发动机曲轴静强度的许用安全系数 [2]，经比较知，曲轴抗拉强度安全系数大于许用值[n]，并且本分析计算从曲轴的建模、载荷处理、计算方法等方面均保证了较高精度的应力计算，所以曲轴在工况最差时的工作中是安全的。
4.结论
本文对WD615发动机曲轴进行了应力分析，应力云图做为分析结果显示了曲轴应力集中现象最严重的区域，从应力分析的等效应力图中得到曲轴在承受载荷最大时所发生的最大应力和最大位移，得出曲轴最大变形区域为曲轴的过度圆角处，在以上分析的基础上对曲轴的静强度进行了校核，并为今后发动机曲轴的改进设计提供了理论依据。
参考文献：
[1]王受路.基于Ansys的曲轴强度有限元分析[D].济南：山东大学，2011.
[2]陆际清，孟嗣宗.汽车发动机设计[M].北京：清华大学出版社，1990：：208-242.
[3]沈祖京，孔宪清等.汽车发动机设计[M].北京：清华大学出版社，1993.
