基于拓扑优化下发动机曲轴固有频率优化

杨章林，胡 斌，贾会星

（滁州职业技术学院汽车工程系，安徽滁州239000）

0 引言

曲轴是现代发动机重要的转动部件，不仅连接连杆、飞轮等部件，也承受着复杂的载荷[1]。曲轴过度振动引起的故障，会破坏发动机的正常工作。根据机械振动理论中无阻尼振动可知：振动与零件或者机构本身的固有频率有关。通过曲轴的固有频率表明：当曲轴被外部瞬态激励时，将发生一定频率的振动。在这种情况下曲轴更容易产生疲劳裂纹，更严重情况下会出现曲轴的断裂，造成非常严重的后果。因此，在设计发动机曲轴的时候，曲轴的模态分析是非常重要的环节[2-3]。本文以四缸发动机曲轴为例，分析了模态，得到固有频率和振型图；再通过有限元中谐响应模块对该曲轴进行谐响应分析，得到最大的应力和频率、应变和频率的关系；最后，使用OptiStruct软件优化曲轴的一阶固有频率。这里，以某汽车发动机的曲轴参数建立三维模型来进行分析，如图1所示。

图1 曲轴三维模型

1 曲轴模态分析

1.1 曲轴网格划分

曲轴结构比较复杂，在有限元求解之前首先要进行几何清理工作，其目的在于减少一些对求解结果影响不大又影响计算效率的一些结构，如曲轴中工艺孔，工艺角及油道[4]。简化后的曲轴采用六面体网格的处理，能够保证有限元分析结果的精度。材料定义为：材料为40Cr，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，密度为7 850kg/m3。图2所示为曲轴网格。

图2 曲轴网格

1.2 曲轴有限元中的设置

大量的理论和实践证明：系统中，固有频率和振型受到阻尼的影响较小，所以在求解时，可以不计阻尼的影响[5]。……