基于CATIA和ANSYS的6缸曲轴有限元模态分析

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1、AutoEngineer2011(1)FOCUS技术聚焦Design-Innovation基于CATIA和ANSYS的6缸曲轴有限元模态分析蔡进军吴应军占泽晟（武汉理工大学汽车工程学院）摘要：柴油发动机使用的曲轴，是一个结构复杂的弹性连续体，曲轴的振动特性对整个发动机的NVH有重大的影响。采用三维设计软件CATIAV5对某系列曲轴进行了三维设计，然后利用有限元分析软件ANSYS，对发动机曲轴进行模态分析，得到了该型号曲轴的固有频率和振型，为发动机曲轴的振动分析计算和有限元分析计算提供了一定的参考，

2、缩短了开发时间，降低了研发费用。关键词：三维设计；ANSYS；有限元；模态分析FiniteElementModalAnalysisonSix-cylinderCrankshaftBasedonCATIAandANASYSAbstract:Crankshaftondieselengine,asacomplexelasticcontinuum,whosevibrationwillexertgreatinfluenceontheNVHofthewholeengine.Thispaperdesignsa3

3、-Dcrankshaftwiththehelpofthree-dimensionaldesignsoftwareCATIAV5andthenconductsthemodalanalysisontheenginecrankshaftbyusingfiniteelementsoftwareANSYS.Atlast,thenaturalfrequencyandmodeofvibrationhavebeenconcludedinthispaper,whichwillprovidereferencetoen

4、ginecrankshaftvibrationanalysisandfiniteelementanalysiscalculationsaswellasshortentheR&Dcycleandreducethecost.Keywords:Three-dimensionaldesign;ANSYS;Finiteelement;Modalanalysis曲轴是发动机中最重要且价格最昂贵的零件之1曲轴的三维建模一，它的功用是将活塞连杆组传来的气体压力转变成1.1曲轴参数[1]扭矩对外输出，驱动汽车行驶。

5、此外，还用来驱动有限元分析所用的曲轴主要特性参数，如表1所柴油机的配气机构及其他各种辅助装置。随着发动机示。市场竞争日益激烈，要求不断缩短产品开发周期、降表1曲轴材料的主要特性常数3低成本以及提高产品质量，这使得采用先进的设计方材料弹性模量/GPa泊松比体积质量/(kg/m)法及计算机辅助设计手段成为提高产品竞争力的一种40Cr206.80.297820有效方法。CATIAV5具有卓越的知识智能、机械产1.2建立模型品设计、有限元分析、NC编程及数字化虚拟样机等实体建模是将整根曲轴4部分——左端（

6、自由端强大的功能模块，能通过可视化的特征树及各种可视及左边主轴颈）、曲拐、主轴颈、右端（右边主轴颈工具，使得三维参数建模更加简单。ANSYS软件是及功率输出端）组装而成。某系列曲轴是装配在6缸融结构、流体、电场、磁场及声场分析于一体的大型发动机上，因此具有对称性，在三维建模时，只需要通用有限元分析软件，能与多数CAD软件接口，实[2]做出曲轴的1/2模型，利用CATIA零件设计中的现数据的共享和交换。文章基于CATIAV5三维软件镜像功能，就可得到整个曲轴的三维模型，这样做可对曲轴进行三维建模，然

7、后导入ANSYS中进行模态以减少建模工作量，提高工作效率。利用CATIA三分析，得到曲轴的固有频率，并讨论了某些阶次的振维设计的曲轴模型图，如图1所示。型情况。-29-AutoEngineer技术聚焦FOCUS2011年1月设计·创新轴承的约束。工作时，主轴颈与滑动轴承之间存在间隙，依靠两者之间的压力油膜进行润滑。由于载荷的作用，主轴颈在上下轴瓦之间会发生弯曲产生相应的形变，而纵向止推轴承则可以有效地防止曲轴发生轴向窜动，从而保证连杆活塞组正常工作。曲轴是通过图1曲轴三维模型图2曲轴模态分析7个主

8、轴颈的滑动轴承支撑，所以施加7个主轴颈的模态是指线性振动系统按自身某一阶固有频率作表面径向对称约束。同时在2个轴端施加（X方向）[4]自由振动时，整个系统将具有确定的振动形态（简称位移约束，即约束横向位移。由于曲轴的约束比较振型），描述这种振动形态的向量称为模态向量。模复杂，文章只约束曲轴两端X方向的位移，进行模态态分析就是利用系统固有模态的正交性，以系统的各分析。阶模态向量组成的模态矩阵作为变换矩阵，对选取的2.4曲轴的模态求解物理坐标进行线性变换，使得振动系统以物理参数和2.4