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Abaqus在工程中的应用—风扇轴强度及疲劳分析

刘波上海柴油机股份有限公司研发中心CAE室，上海200438

摘要：

本文应用Abaqus软件，对某型柴油机匹配挖掘机的工程应用—风扇轴强度

进行分析计算，并以Abaqus的应力结果为输入，进行风扇轴疲劳强度分析，最

后得到安全系数。

关键词：风扇轴，强度，疲劳，Abaqus，Femfat

1.前言

近年来，随着国内经济的高速发展，基础设施建设如公路、铁路等都得到了

前所未有的发展，工程机械的应用也随之“爆发式”增长。作为工程机械的动力核心—柴油机的应用和匹配越来越成为各个柴油机主机厂的关注点和业绩增长点。

本文拟根据一实例—某型柴油机匹配挖掘机，由于布置尺寸的限制，需要将

风扇轴的长度增长35mm，对该风扇轴强度进行分析计算。有限元强度计算，前

后处理及求解皆使用Abaqus软件，疲劳计算采用Femfat软件。

2.模型说明

图1模型结构图

如图所示，模型主要采用螺栓、过盈、压装等连接方式。

3.分析说明

3.1模型简化及边界条件定义

由图1所示，模型构件较多，将物理模型简化为数学模型以进行有限元分析。根据组件间的连接方式及位置关系，并考虑本次分析主要计算风扇轴疲劳强度，

因此将螺栓连接属性定义为绑定；根据公差给定分析所采用的最大过盈量，压装

处连接属性定义为接触；根据构件与风扇轴的位置，将其余连接属性定义为绑定或接触；缸盖采用三个方向的约束，加速度施加在除缸盖外的所有运动构件上。

3.2载荷说明

考虑柴油机所匹配挖掘机的实际工况获得不易，因此采用公司台架试验所累

积的经验来确定计算采用的振动加速度，皮带力采用余弦函数方式加载。

考虑到强度与疲劳的分析出发点及计算原理不同，因此本次分析采用针对强

度和疲劳计算所采用的加速度是不同的。3.3材料属性

风扇轴、缸盖垫块风扇螺栓、皮带轮、轴承内外圈

材料名称HT250AlQ235ASteel

杨氏模量(N/mm2)1.15e56.9e42.1e52.1e5

泊松比0.260.330.30.3

密度(ton/mm3)7.25e-92.7e-97.8e-97.85e-9

表一，常规材料属性

强度值强度极限数据-50%的存活率

MPa抗拉极限屈服极限脉动疲劳极限交变疲劳极限试件尺寸

拉伸2501007515

压缩7807815

弯曲35017510515

剪切

表二，HT250的疲劳强度属性

4.分析结果

强度分析采用最大螺栓预紧力+皮带力+六个方向加速度工况，计算结果如

图2~图7所示，其强度结果变形比例为100倍，不考虑螺栓接触部分的应力。

图2最大螺栓预紧力+皮带力+曲轴正方向工况

图3最大螺栓预紧力+皮带力+曲轴负方向工况

图4最大螺栓预紧力+皮带力+垂直向上方向工况

图5最大螺栓预紧力+皮带力+垂直向下方向工况

图6最大螺栓预紧力+皮带力+第三正方向工况

图7最大螺栓预紧力+皮带力+第三负方向工况

以Abaqus的疲劳工况的强度计算结果为输入，结合材料属性、疲劳强度数

据、材料统计规律、零件表面粗糙度、热处理等数据及参数，应用Femfat疲劳

计算软件计算得风扇轴在设定工况下的最小安全系数，如图8

图8最小安全系数

5.结论

本文针对柴油机匹配工程机械的实际应用，采用Abaqus软件进行了有限元

强度分析的前、后处理及求解，采用其后处理分析疲劳强度结果。Abaqus软件

覆盖整个强度计算流程，其前处理方便易用、求解速度精度可控、后处理简洁，优势明显，在设计、分析等工程领域及其它各行各业中都得到了广泛的应用。

根据图2~7的计算结果，风扇轴增长35mm后，其最大抗拉应力低于材料的

强度极限；风扇轴的疲劳计算结果表明，最小安全系数为0.87。

参考文献

【1】石亦平周玉蓉ABAQUS有限元分析实例详解北京：机械工业出版社，2008

【2】THEORIE_BASIC46_FEMFAT