基于有限元分析和动力学仿真的曲轴疲劳寿命计算

　　1 概述

　　曲轴是内燃机的关键部件之一，它受周期性变化的气缸压力与活塞连杆组件等惯性力的共同作用，对外输出扭矩，同时还受到轴系扭振力的影响。复杂的作用力在曲轴内产生交变的弯曲应力和扭转应力，并在曲柄销轴颈与主轴颈等过渡圆角部位出现应力集中。

　　根据现行的船规[1]，内燃机曲轴强度评定主要有两个方面的内容，一是曲轴静态疲劳强度分析;二是曲轴轴系扭振分析。这些方法简便实用，但没有考虑实际动载荷以及弯振、扭振对曲轴疲劳寿命所带来的影响。随着内燃机技术指标的不断提高，传统的基于静态最大应力的研究方法已经不再适用于内燃机振动问题的研究。模态分析技术作为一种结构动态特性的分析手段，可以有效反映内燃机曲轴扭振、弯振的振动特性，计算出由于这两种振动所引起的曲轴内的疲劳应力，进行疲劳寿命的分析。

　　曲轴整体有限元计算是目前最理想的计算疲劳分析的方法，很多学者都进行了有益的尝试，但未考虑惯性力，忽略了相邻拐的影响，忽略了扭矩的影响[2,3]。本文考虑了惯性力，气体压力和相邻拐的影响，利用有限元软件 MSC.Patran 得出了曲轴在多点约束(MPC)下的自由模态，动力学仿真软件 MSC.ADAMS 对曲轴系进行刚柔体混合动态仿真得出了曲轴的载荷历程曲线，并导入疲劳分析软件 MSC.fatigue 进行了曲轴疲劳寿命计算。

　　2 曲轴有限元分析

　　2.1 有限元模型

　　曲轴系装配模型在 Pro/E 中建立，分析用机为某型舰用 12 缸内燃机发动机曲轴。利用软件MSC.Patran 对曲轴的完整模型进行了四面体网格处理，共有 136306 个单元，28462 个节点。并建立与 Adams 连接的节点，利用多点约束(MPC)的特性，用 Reb2 单元连接节点与曲轴销表面的节点，生成蜘蛛网状结构，有限元模型如图 1。

　　2.2 模态分析

　　曲 轴 材 料 为 42 CrMoA ， 弹 性 模 量 为2.1E+005 MPa，泊松比为 0.282，密度为 7.83E-006kg/mm3，利用软件 MSC.Nastran 对曲轴进行有限元模态分析，产生一个包含曲轴材料、节点、单元 和 模 态 信 息 的 模 态 中 性 文 件 ， 为 下 一 步ADAMS 中建立曲轴的柔性体模型做准备。得出曲轴的前 30 阶模态如下表 1。前 6 阶为刚体模态，所以频率为 0，在动力学分析中不需考虑这 6 阶模态。

　　3 曲轴系动态仿真

　　3.1 刚体动态仿真模型

　　曲轴刚体动力学分析模型包括刚性曲轴连杆组活塞组和飞轮。各部件约束及边界条件如下：

　　(1)采用 60°发火间隔角，发火顺序为A1-B2-A2-B4-A4-B6-A6-B5-A5-B3-A3-B1-A1。