一、前言

曲轴是发动机的主要零件之一，其主要功能是传递与输出动力，承受缸内的气体压力和旋转质量的惯性力、扭转力等等。曲轴在正常工作时，会不断地承受发动机系统内部周期性交变的动载荷影响。在惯性力作用下，曲轴会产生复杂的弯曲和扭转应力，在高速运转的情况下还可能发生共振现象，对曲轴产生严重的影响。通过理论分析曲轴的应力分布情况可以知道曲轴的主要失效形式是疲劳失效。因此，能够准确地分析曲轴弯曲疲劳特性十分重要。

由于曲轴的复杂性，在对曲轴进行刚度，强度分析时，采用传统的力学方法只能近似的反应其受力及变形情况，远不能满足分析和设计的需求。例如，曲轴在发动机进行增大功率的改进后，将受到更大的工作载荷，结构的承载能力如何将成为关注的重点。采用常规的方法进行分析，不仅精度高低，而且无法正确的反应曲轴在发动机一个工作循环内各瞬时的应力分布。随着计算机和计算力学的飞速发展，最近30多年来曲轴的计算方法，应力分析精度有了极大的提高，目前先进的方法是利用基于理论平台的有限元技术分析、预测、评价这些关键零部件的力学属性，不仅可以较为准确计算曲轴的静强度，也可以较为准确计算曲轴的动应力。

曲轴的几何特性，边界条件和作用载荷都十分复杂，要尽量精确地模拟曲轴的弯曲疲劳特性，因此选择合适的计算模型是其中比较重要的一部分。

二、曲轴有限元发展现状

2.1国内发展状况

国内对于发动机曲轴弯曲疲劳特性的研究起步比较晚，早期的研究主要是通过试验法对曲轴进行应力的测量和圆角应力集中系数的计算，但由于试验条件的不一致和试验数量少，导致结果存在很大的差异，无法建立系统的计算，因此曲轴弯曲疲劳方面的计算还要依据国外的相关计算公式。

上世纪80年代初，国内的一些大型汽车企业，例如第一汽车集团公司^【1】从国外引进了大型有限元分析软件，还有一些高校或研究所^【2】也自行开发了有限元计算程序，开始从事曲轴有限元的研究。吴昌华^【3】等人进行了三维有限元模型的分析计算，但均为1/2或1/4单拐模型并且网络划分比较粗，因此计算得到的应力不够准确，与实测应力偏差比较大。当时利用三维单拐模型计算出的刚度以及应力集中系数结果与曲轴空间刚架模型相结合后，还能大幅度的提高后者的计算精度。但由于国外限制中国获取高性能的有限元软件，所以国内的曲轴有限元进展还是有些缓慢的。

到了上世纪90年代，随着计算机硬件技术的飞速发展和国外对有限元分析软件出口限制的解除，国内曲轴疲劳强度有限元分析快速发展。方华^【4】等人对493柴油机曲轴单拐模型进行了应力分析并做了可靠度计算，王良国^【5】等人应用有限元分析软件Super-SAP建立了368汽油机曲轴的整体有限元模型并对其疲劳强度进行的校核，还探讨了不同有限元建模方法对计算精度的影响，研究了轴颈圆角应力分布、形状优化以及强化工艺处理等问题，孙连科^【6】等人使用ANSYS分析软件对6110柴油机曲轴进行了静态应力分析和模态分析，研究了曲轴圆角部位的疲劳强度和曲轴振动特性，蓝军^【7】等人对曲轴油孔的应力集中问题进行了三维有限元分析，初步研究了油孔形状对曲轴疲劳特性的影响。

现阶段研究轴弯曲疲劳特性的时候，经常将曲轴进行简化计算，常用的简化计算方法有两种^【8】：1、把曲轴按单拐分成几段，段当成简支梁研究2把曲轴当成连续梁分析，但这两种计算过多简化，结果难以令人满意。目前曲轴有限元基本都采用三维计算模型，主要有以下三种^【9】：1、1/2曲拐模型，它主要考虑弯曲载荷作用，并认为曲轴的形状和作用载荷相对于曲拐平面对称。2、曲拐模型，它的优点在于计算规模小，但是很难准确确定主轴颈剖分面处的边界条件，而且当剖分面很近时，也会影响计算精度。3、曲拐模型，它是进行曲轴有限元分析最合理的模型，计算精度高，但计算规模很大。随着计算机运算性能的不断提高，将越来越倾向于采用曲轴整体三维有限元模型。

前期在曲轴有限元分析时，受到条件限制，模型需要一些简化，因此在分析时进行一些集中处理，主要有以下两种:1、体曲轴模型采用子结构法2、模型中综合应用连续梁和有限元法。