摘 要

曲轴是船舶柴油机最为昂贵的零部件，其制造成本大致占整机的10%。同时，曲轴是整条船动力的保证，它将各个气缸往复运动所做的功汇集起来，然后以回转运动的形式输出给传动轴，带动螺旋桨给整条船提供动力，它的合格与否直接关系着整条船舶的安全性与稳定性。但是，曲轴的工作环境很恶劣，承受着各种各样的力，比如：往复惯性力气缸内、气体作用力和旋转惯性力等。因此，如果想要保证船舶的正常运转，提高船舶的可靠性，对柴油机曲轴强度分析评定在是必不可少的。本文主要从以下几个方面对6L32/40柴油机曲轴强度进行了探讨：

（1）研究了国内外对曲轴强度分析的方法，分析了各种方法的优缺点。

（2）分析气缸示功图，计算曲轴在每5°曲柄转角位置所受的力，并根据船级社《钢质船舶入级规范（2018）》对曲轴进行检查，计算出安全系数。

（3）利用AUTO CAD软件绘制曲轴的二维图，利用SolidWorks建立曲轴的三维模型，包括整个曲轴和单一曲拐。

（4）将曲轴三维模型转化为”.x_t”格式，导入ANSYS WORKBENCH中，生成有限元模型。然后分别对模型加载扭转、纯弯曲、弯曲加剪力三种载荷工况，计算各自的应力集中系数。

（5）通过（2）中的校核和（4）中应力集中系数的分析，确定曲轴是否符合满足规范要求，并在不影响其整体结构前提下提出优化意见。并提出应用有限元法应该注意的问题。

关键词:曲轴，强度，安全系数，有限元

Abstract

The crankshaft is the most expensive component of the Marine diesel engine, and its manufacturing cost accounts for about 10% of the total engine. At the same time, the crankshaft is the guarantee of the power of the whole ship. It gathers the work done by the reciprocating motion of each cylinder and outputs it to the drive shaft in the form of rotary motion to drive the propeller to provide power to the whole ship. However, the working environment of the crankshaft is very bad, and it is subjected to various forces, such as reciprocating inertia force in the cylinder, gas force and rotary inertia force. Therefore, if we want to ensure the normal operation of the ship and improve the reliability of the ship, it is essential to analyze and evaluate the strength of diesel engine crankshaft. This thesis mainly discusses the crankshaft strength of 6L32/40 diesel engine from the following aspects:

(1) The strength analysis methods of crankshaft at home and abroad are studied.

(2) analyze the cylinder indicator diagram, calculate the force received by the crankshaft at every 5° crank angle, and check the crankshaft according to the classification society "Classification Code for Steel Vessels 2018" according to the results, and calculate the safety factor.

(3) use AUTO CAD software to draw a two-dimensional diagram of crankshaft, and build a three-dimensional model of crankshaft with SolidWorks based on the two-dimensional diagram, including the whole crankshaft and a single crank.

(4) convert the three-dimensional model of crankshaft into ". X_t "format, import it into ANSYS WORKBENCH, and generate the finite element model. Then the stress concentration coefficients are calculated for the three loading conditions.

(5) through the check in (2) and the analysis of the stress concentration coefficient in (4), determine whether the crankshaft meets the requirements of the specification, and put forward the optimization opinion without affecting its overall structure.

Keywords: Crankshaft, Strength, Safety Factor, Finite Element

目录

第一章 绪论 1

1.1 选题的背景及意义 1

1.2 国内外研究的发展与现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 2

第二章 曲轴受力分析 4

2.1 曲轴的构造 4

2.2 曲轴受力分析 4

2.3 曲轴应力分布和集中部位 5

2.4 曲轴的结构参数与对强度的影响 5

2.4.1 单位曲拐的结构参数 5

2.4.2 结构参数对曲轴强度的影响 6

第三章 曲轴疲劳强度校核 9

3.1 提取气缸内压力 9

3.2 柴油机动力计算 10

3.2.1 动力计算公式 11

3.2.2 Python软件使用方法 11

3.3 应力集中系数的计算 13

3.3.1 弯曲应力集中系数 13

3.3.2 扭转应力集中系数 14

3.3.3 压应力集中系数 15

3.3.4 曲柄销油孔出口弯曲和扭转应力集中系数 15

3.4 应力计算 16

3.4.1 名义交变应力 16

3.4.2 交变弯曲应力 20

3.4.3 交变扭转应力的计算 20

3.4.4 附加弯曲应力的确定 21

3.4.5 当量交变应力的计算 21

3.5 疲劳强度计算 22

3.6 曲轴的合格衡准 22

3.7 本章小结 23

第四章 曲轴疲劳强度的有限元分析 24

4.1 ANSYS Workbench简介 24

4.2 模型的确定与导入 24

4.2.1 曲轴模型的确定 24

4.2.2 曲轴模型的简化 25

4.2.3 曲轴模型的导入 25

4.3 定义材料属性 26

4.3.1 泊松比和弹性模量对应力应变的影响 26

4.3.2 材料属性 27

4.4 网格的划分 27

4.5应力集中系数的计算 28

4.5.1 扭转载荷工况 28

4.5.2 纯弯曲载荷工况 30

4.5.3 弯曲加剪力载荷工况 31

4.6有限元算法与经验公式算法比较 32

4.7本章小结 33

第五章 结论与展望 34

5.1 结论 34

5.2 展望 34

1. 绪论
   1. 选题的背景及意义

2019年的《政府工作报告》中表示：我们国家要着重发展海洋经济，将我国建设为一个在海洋资源开发利用、海洋生态环境保护、海洋治理方面综合实力强的海洋强国。我们都知道，如果我们想把事情做好，它的准备是非常重要的。如果我们想在开发、利用、保护、管控海洋方面增大话语权，那我们首先需要有先进的海洋开拓者----船舶。曲轴是船舶上最重要的运动部件。

曲轴是船舶主机中价格最为昂贵的也是极其重要的零部件，其制造成本大致占整机的10%。曲轴是整条船动力的保证，它将各个气缸往复运动所做的功汇集起来，然后以回转运动的形式输出给传动轴，带动螺旋桨给整条船提供动力。曲轴工作环境恶劣，它承受着气缸内气体作用力、往复惯性力、旋转惯性力引起的周期性变化的弯曲和扭转负荷，还可能承受横向振动、扭转振动引起的附加应力^[1]。由于曲轴形状复杂，特别是多曲拐曲轴弯头多，存在着严重的应力集中现象，主轴颈与曲柄臂的过度圆角处、曲柄销与曲柄臂过渡圆角处、油孔边缘等部位的交变应力很高，容易产生疲劳破坏^[2]。并且曲轴的破损还可能引起柴油机的其它零件的故障甚至损坏，因此如何保证曲轴的疲劳强度就成为了曲轴设计的关键。

而且如今曲轴应用十分广泛，从运货的大型集装箱船、大型散货船、巨型油轮，到承载数千人用于娱乐的邮轮，再到用于军事行动的特种舰船，这些船舶执行各自的任务时的动力的转换都离不开可靠性高、换向性好的曲轴。

如果通过有限元分析，对曲轴强度进行计算研究，并与经验公式计算结果相结合，就能较为精准的掌握应力的大小，计算出容易发生疲劳断裂部位的应力集中系数，校核出曲轴的尺寸和强度是否满足要求，这不仅对于柴油机的设计、改进、更换有着巨大的帮助，并且还能提前发现可能出现的问题。

• 1. 国内外研究的发展与现状
     1. 国外研究现状

从柴油机广泛应于海洋船舶开始，曲轴作为柴油机中最重要的零部件之一，它的强度计算分析深受工程师们的重视。20世纪60年代以前，工程技术人员主要采用试验方法研究曲轴的强度，采用静定简支梁模型计算曲轴的强度。在60年代末期，针对曲柄强度的经验算法被美国的Porter教授提出，随后在世界各地又出现了各种简化计算方法，比如：日本海事协会的连续梁法、CIMAC曲轴专家小组推荐的连续梁法、英国劳氏船级社的连续梁法等多种计算方法。但这些方法由于将形状复杂的曲轴结构过于简化，因此误差较大，可能对曲轴的评定产生影响^[3]。

20世纪末，计算机技术发展的越来越快，计算机被应用于计算极其复杂的模型，有限元法由于计算精度较高，开始用于计算曲轴强度。一开始人们采用截断法，将整个曲轴简化为单位曲拐作为有限元计算模型，这种方法可以大大减少划分网格的数量，从而计算简便。但人们发现，这种方法与实际情况的边界条件差别较大，忽略了各支撑弯矩的影响，因此用有限元法仿真单位曲拐的受力很难反映整体曲轴的受力情况。随着计算机技术的不断发展，在曲轴应力分析方法中，曲轴整体作为有限元计算模型的应用越来越广泛。

近年来，有限元技术日渐成熟，使用有限元软件研究曲轴强度已经成为必然。国外许多专家学者利用有限元软件对曲轴的动态特性进行分析，研究曲轴的强度，如冈村等人建立了三维有限元模型，并利用子结构理论进行计算。

• • 1. 国内研究现状

国内有关柴油机曲轴强度分析的研究起步相比于国外较晚，曲轴强度计算早期主要需要依据国外的相关文献和经验计算公式。20世纪80年代，杨杰和邵光炎提出了一种计算精度较高的斜截面法来确定曲柄刚度，该方法优于波特的曲柄刚度经验算法。但由于不考虑轴肩切削和中心油孔对曲轴的影响，计算刚度与实测值的比值仍然较大。2000年，蓝军、薛远、付光琦对某4缸柴油机曲轴建立了模型，对其油孔的应力集中有关问题进行了有限元分析，研究了油孔形状、位置、直径对曲轴强度的影响^[4]。2005年，天津大学的张俊红等人，采用子结构技术，对曲轴模型进行动力学非线性仿真，从而得到在一个工作循环内，曲轴的动态应力分布状况，并计算曲轴的疲劳安全系数^[5]。2007年，基于曲轴的有限元分析，梁兴宇等人。通过建立发动机刚柔耦合多体动力学系统模型，分析了曲轴的扭振响应，并对一台四缸柴油机进行了扭振测试。分析得出，计算结果和实测结果具有较高的等同性，取得了较好的研究成果^[6]。

1.3 本文主要研究内容