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基于ABAQUS的曲轴疲劳强度分析

范蒙

上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海安亭201804

摘要：本文以某直列4缸发动机为例，使用ABAQUS软件计算了曲轴在单位载荷

下的应力分布，使用动力学结果并结合单位载荷法的应力结果对曲轴进行了高周疲劳强

度计算，得到曲轴的最小安全系数。在疲劳计算过程中考虑了振动对曲轴强度的影响。

关键词：曲轴，单位载荷法，高周疲劳强度，安全系数

Strengthanalysisofcrankshaft

basedonunitloadresultsofAbaqus

FanMeng

SAICMOTORTechnicalCenter,AntingShanghai201804

Abstract:ThispaperdescribestheunitloadanalysisinABAQUSofacrankshaft,and

calculatethedynamicresultsofcrankshaft.Withthecombinationofdynamicresultsand

stressresults,wecalculatethehighcyclefatigueofcrankshaft,andgettheminimumsafety

factor.Whensetthedynamicboundarycondition,weconsiderthevibrationeffect,include

torsionalvibrationandbendingvibration.

Keywords:crankshaft,unitloadmethod,highcyclefatigue,safetyfactor.

引言

内燃机是最复杂的机械，而曲轴是内燃机的重要零部件，从动力学角度上讲，曲轴

的寿命严重影响着发动机的寿命与可靠性。随着科技的发展，环境问题的严重，对内燃

机的要求也越来越高，而随着内燃机的强化，曲轴的工作环境也越来越苛刻。因此在设

计阶段对曲轴疲劳寿命研究和破坏形式的预测，对于加速产品的开发，节约开发成本都

有很大的意义。

对于曲轴的计算分析，人们很早就进行了研究，但是由于曲轴的受力较为复杂，使

曲轴的强度考核也比较困难，特别是采用工艺强化措施后，其效果的定量描述难以确定。

已有的曲轴强度计算都归结为疲劳强度计算。另外，曲轴是运动件，但是在大多数计算

中，曲轴强度计算时的作用载荷都是按静力考虑的。也就是说，当评价曲轴强度时，所

用的某部位的最大应力和最小应力只不过是从大量的曲轴准动态计算中挑选出来的，并

没有考虑动力响应的因素。特别是内燃机在高速工况下，动力响应因素可能会对曲轴的

强度产生较大的影响。

本文建立了曲轴的多体动力学模型，模型总包含了缸体、活塞连杆组、轴系(包括

曲轴、飞轮、减振器)，用三维连续体的有限元模型分析，采用液动轴承支撑曲轴，对

曲轴的多个工作工况进行仿真，得到曲轴在不同工况下的受力和扭矩曲线，以及振动响

应的结果。对于曲轴的有限元模型，使用单位载荷法求出应力结果，将这些结果结合在

一起，得到曲轴的高周疲劳安全系数。

1.仿真模型

使用某汽油机的曲轴连杆系统进行建模和仿真，该机的主要结构和性能参数如下：

结构方式:直列水冷、4缸、四冲程

缸径×冲程:88mm×155.5mm

发火顺序:1—3—4—2

图1：曲轴的有限元模型图2：曲轴的多体动力学模型

①曲轴的有限元模型如图1所示，使用二阶四面体单元对曲轴进行网格划分，为

了详细计算倒圆角处的疲劳安全系数，在相关部位进行了网格加密。使用ABAQUS软

件对曲轴的有限元模型进行缩减计算，得到多体动力学计算所需要的柔性体模型。

②多体动力学模型

多体动力学模型如图2所示，除了曲轴本身为柔性体外，其他相关零部件皆为刚体，

在模型中定义各刚性体的相关属性，包括质量属性、惯量属性以及几何属性等。

③爆发压力使用其他软件计算得到的缸压曲线，最大缸压为120Bar；曲轴的轴承

使用迁移率法轴承，并假设为短轴承，第四主轴承为止推轴承。

2.动力学微分方程

所有主自由度节点的所有方向构成动力学方程组

???

MX+CX+KX=

f

式中

M———质量矩阵

D———材料动态阻尼矩阵

K———结构动态刚度矩阵

X———广义位移向量

f———广义载荷向量

3.计算工况

从3500RPM到6800RPM（该发动机的最高转速），每隔250RPM取一个工况，每

个工况计算4个循环，并取较稳定的一个循环结果。

4.曲轴上