基于ANSYS的曲轴受力分析与改进

基于 Ansys 的曲轴受力分析与改进方法

摘要: 本文基于ANSYS经典界面与工bench平台，针对曲轴在发动机运行中的受力分析与结构优化设计，详细阐述了模型建立、网格划分、材料属性设定、模型分析及改进方法。通过对比发动机运行周期中的力变情况，进一步揭示了通过在轴肩根部采用倒圆角或直角的方法显著减小内应力，有效延长曲轴及发动机的寿命。这一研究进一步优化了曲轴设计，体现了ANSYS工bench平台在复杂工程应用中的优越性。

1. 建模与网格划分

针对曲轴结构特征，采用ANSYS工bench平台构建模型，遵循自上而下的结构构建原则。首先建立基础的圆柱模型，通过沿模型的几何方向应用面拉伸和偏移工作平面的技术，实现复杂结构部分的精准绘图。接着，使用布尔运算结合多部分实体图形，最终生成完整的曲轴模型。通过建构工作平面对实体进行分割，便于下一步的网格划分与受力应用。

性能优异的固体单元（solids45）在物理尺寸设定为10的模型上进行自由网格划分，确保在曲轴结构的复杂性中实现精确的计算。模型划分后的结构如图所示。

2. 材料属性与受力分析

曲轴材料属性设定为弹性模量3E7和泊松比0.3，模拟其在发动机不同运行阶段（包含压缩、做功、排气、吸气四个冲程）的受力情况。两曲轴发动机在不同冲程时刻下，一个为做功阶段，另一个则处于排气阶段，导致两侧曲轴受力情况存在显著差异。本文重点选取左侧做功冲程开始时的强烈受力阶段进行深入分析。




对该阶段下轴肩外断面施加位移约束，对曲柄各部分施加受力分析。通过ANSYS计算，准确反映出受力云图与变形情况，揭示了轴的根部作为关键应力集中区域，存在较高的风险发生破坏。

3. 结构改进方法与结果分析

针对曲轴根部高应力集中的问题，实施了结构优化改进——在应力最大点处以直角或圆角进行修饰。改进后的结构设计通过ANSYS进一步分析，对比改进前后的受力分布，明确量化的力学性能提升，特别是显著的应力降解，展示了曲轴设计改进的有效性。

4. 结果与讨论

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