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基于Abaqus的曲轴模态压缩

李林1，2，郝涛1，2，李凤琴1，2

（1重庆长安汽车股份有限公司动力研究院，重庆，401120；2汽车噪声振动和安全技术国家重

点实验室，重庆，401120）

摘要：应用Abaqus软件对曲轴系有限元模型进行模态缩减，得到曲轴系的质量、刚度、

几何、自由度矩阵及模态结果文件，继而进行曲轴系和发动机整机动力学分析。模态缩

减将有限元模型原来数百万自由度，缩减为几百个自由度，节约了计算时间和成本，显

著提升计算效率。

关键词：Abaqus曲轴系统有限元模态缩减

Abstract:ThispaperisaboutusingAbaqussolvertocondensemodelofthecrankshaft,

obtainedthecrankshaftmatrixofmass,stiffness,geometricandDOFforvibrationanalysis.The

numberofdegreesoffreedomonoriginalFEMhadbeenreducedfromseveralmillionstoafew

hundred,greatlyreducedtheamountofcalculationandshowedefficiencyonanalysis.

KeyWords:Abaqus;Cranktrain;FEM;ModelReduce

1前言

由于发动机汽缸压力和惯性力等各种载荷的作用，曲轴同时发生弯曲和扭转振动。曲轴

振动是发动机振动噪声产生的重要因素。

有限元子结构分析中将每一弹性体可离散成许多集中质量点(含质量和惯量),并计入结

构静/动刚度(随振动频率变化)。子结构上的节点可用来施加外力和力矩，也耦合部件间的相

互作用，传递载荷。利用子结构主自由度节点的运动特性来表征部件运动和变形。

对原FEM模型定义主自由度，。用有限元模态分析求解器静/动缩减法，获得子结构模

型（表征结构固有特征的质量和刚度矩阵，固有频率和模态）。原FEM可用质量单元、梁、

壳或三维实体等线性单元建立[1]。

对于所有主自由度,构成动力学方程组：

其中：[M]质量矩阵

[K]结构动态刚度矩阵(随频率变化)

[D]材料动态阻尼(随频率变化),可用[D]=a[M]+b[K]的线性组合

{x}位移向量，体现全局运动和局部变形

{f}载荷向量，包括外载、体间相互作用力

本文采用多体动力学法和有限元法对曲轴进行仿真，应用AVL-Excite、Abaqus软件对

某发动机曲轴系进行动力学分析，了解其振动特性。

2有限元建模

建模的精准性直接影响分析的结果，曲轴有限元模型有必要表现出实际的几何特性。曲

轴系统包括曲轴本体、飞轮、皮带轮（见图1）。飞轮和皮带轮在不做详细飞轮设计时，控

制在几百个单元内。

图1曲轴系主要组成

为了保证计算精度及网格规模，曲轴系模型均采用六面体网格（见图2），并较好保留

曲轴轴颈的圆角特征，在连杆轴颈和主轴颈圆角处进行细化处理保证足够的单元数量和质

量。忽略曲轴结构中的小圆角、油孔、螺栓孔以及加工时的退刀槽等特征。

图2曲柄销及平衡臂六面体网格

在曲轴系建模涉及主自由度节点的设定，主自由度的选择必需考虑模型的结构(质量

和刚度分布)、外载作用形式、结构响应特征、以及有限元模型本身。根据动力学分析目

的的不同和计算量的大小，确定EXCITE的体单元形式和FEM模型主自由度的多少。

对于FEM模型，可自定义每个主自由度节点的自由度个数；同一组主自由度节点位置

尽量均匀，最好顺序编号，方便在子结构分析时连接单元的定义。有限元模型加载时，

一般不能施加在单个节点上。可将多个节点耦合在一个主自由度节点上，用于施加载

荷,RBE2。若有限元模型中无现成节点可作为主自由度节点，可专门另添加主自由节点。

皮带轮压缩点用于分析结果，如扭振角位移、角速度等，通过RBE2将曲轴和皮带

轮两侧分别绑定质心位置（见图3），RBE2中心点即为质心位置；

图3曲轴系压缩主自由度节点

曲柄销耦合连杆大头，连接径向滑动轴承，每段曲柄销中间建立一个RBE2单元，RBE2单

元的中心点在曲柄销轴心线上；主轴颈耦合主轴瓦考察滑动轴承的轴承力与弯矩，每段主轴

颈在轴瓦宽度内均布三个RBE2单元，飞轮中心点用于加；受扭矩负载，飞轮中心建立一个

RBE2单元，RBE2中心点为模态压缩主节点；对于三缸机曲轴，止推轴承在第二主轴颈边

缘两点（也是主轴颈压缩点），止推片受轴向力作用，曲轴系模态压缩总共需要压缩18