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基于Abaqus汽油发动机曲轴圆角疲劳强度分析

李欣

（东风汽车公司技术中心武汉430058）

摘要:曲轴是发动机的核心零部件之一，其主要失效形式为疲劳失效。曲轴常规的疲劳强度分析

方法采用不同转速最恶劣工况进行组合。本文介绍了一种考察同一转速内交变工况的疲劳强度计

算方法，包括网格处理方法、约束和载荷。以某汽油机曲轴为例，使用Abaqus进行单位位移应

力分析，之后用疲劳软件对其进行疲劳强度计算，结果表明，曲轴疲劳强度满足设计要求。

关键词:曲轴，疲劳强度

1引言

曲轴是发动机的核心零部件之一，其破坏形式主要是交变的弯曲和扭转造成的疲劳失效，因

此在曲轴设计中对曲轴的疲劳强度进行校核是不可缺少的一环。曲轴疲劳试验方法周期长，成本

高，而利用有限元方法对曲轴疲劳强度进行校核则是经济快捷有效的方法。

曲轴疲劳强度分析常采用不同转速的最大载荷下的应力分布进行工况组合。这种计算方法存

在一定的缺陷。首先，不同转速的组合方式和曲轴实际工况不符，其次，疲劳工况组合为人工筛

选可能存在疏漏，再次，曲轴应力分布为最大载荷下的分布，工况选择偏严苛。

本文使用Abaqus软件和疲劳软件对某汽油机曲轴进行了疲劳强度分析。首先使用Abaqus

软件进行曲轴的单位位移应力分析，然后在疲劳软件中利用单位位移的曲轴应力分布和曲轴位移

谱进行疲劳强度分析。本文考察曲轴在各转速内的交变工况，工况选择贴近真实情况。采用软件

进行疲劳计算，工况筛选和组合更加全面合理。

在曲轴的疲劳强度计算中，由于需要对每个单拐的每个转速进行疲劳强度计算，整体计算量

大，同时根据以往经验，曲轴疲劳强度薄弱位置一般在圆角处，为了节省计算时间，仅对圆角处

的疲劳强度进行计算。

2仿真分析流程

曲轴疲劳强度分析基本流程如图1所示。

曲轴按单拐进行分块

Abaqus计算曲轴单拐单位位移

应力分布

疲劳软件中导入应力分布结果

和曲轴位移谱

计算各转速曲轴疲劳安全系数

结果评价

Yes

输出分析报告

图1发动机曲轴强度分析流程

3曲轴单位位移应力分析

曲轴疲劳强度计算主要分为两个步骤，

3.1网格划分

将3D数模导入HyperMesh中，进行必要的几何清理。

在主轴颈和曲柄销的中点，垂直轴向作截面，将曲轴切分为单个曲拐，对每个曲拐进行建模。

如图2所示以某三缸机为例，将曲轴分为六个曲拐，对每个曲拐单独建模。

图2曲轴几何分区示意图

曲轴基础网格为5mm的二阶四面体，由于曲轴轴颈圆角处为应力集中处，因此将此处网格

细化为0.5mm的二阶六面体。图3为曲轴单拐有限元模型，图4为曲轴圆角处细化网格示意图。

图3曲轴单拐网格示意图

图4曲轴网格划分示意图

3.2材料及属性

曲轴材料为钢。

3.3分析步说明

分别计算主轴颈和曲柄销xyz向平动和转动6个自由度的单位位移，每个曲拐需计算12个

分析步。

3.4边界条件

在曲轴主轴颈端面和曲柄销端面分别进行约束和加载。约束端端面节点全约束，加载端所有

节点约束除加载方向外所有自由度，加载端所有节点在加载方向加载单位位移（或转动）。

约束曲柄销上所有节点

yz向平动和xyz向转动，

x向平动设为1mm约束主轴颈

上所有节点

6个自由度

图5单拐位移约束示意图

以web1的连杆轴颈x向平动单位位移为例，约束主轴颈剖面上所有节点的6个自由度，连

杆轴颈剖面约束yz向平动和xyz向转动共5个自由度，x向平动位移设为1。如图5所示。

3.5工况说明

曲轴疲劳需计算重要转速下各拐的疲劳安全系数。除了汽油机的重要转速，可以每隔

500rpm~1500rpm选取计算转速。

4疲劳安全系数计算

曲轴疲劳强度计算采用多通道模块。单拐的主轴颈和曲柄销的每个自由度占用一个通道，单

拐计算需占用12个通道，如图6所示。

图6疲劳计算示意图

4.1材料及属性

进行疲劳安全系数计算时，除了常规的材料理化性能参数，还需要材料的力学性能参数，如

图7所示。

图7材料haigh图

4.2位移谱

位移谱是曲轴在720°运行工况里面，曲轴的位移历程。位移谱的输出节点分别选择主轴颈

和曲柄销的中间节点。位移谱由动力学计算提供。

4.3计算结果分析

疲劳安全系数限值为1.1，当疲劳安全系数SF1.1时，曲轴疲劳强度满足要求，当疲劳安全

系数SF1.1时，则建议进行结构优化改进。

以web5为例，其怠速转速主轴颈圆角的疲劳安全系数分布云图如图8所示