发动机曲轴连杆系统瞬态动力学结构场案例

发动机是指一种可以将燃料能转化为机械能的装置，用于驱动车辆、机械设备或发电机等。它是现代交通工具和工业发展中不可或缺的核心动力总成。发动机基本原理是将汽油或者柴油的热能，通过在密封汽缸内燃烧气体膨胀，推动活塞作功，转变为机械能。曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的传动机构，用来传递力和改变运动方式。

工作中，曲柄连杆机构在作功行程中把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动，对外输出动力，而在其他三个行程中，即进气、压缩、排气行程中又把曲轴的旋转运动转变成活塞的往复直线运动。

总的来说，曲柄连杆机构是发动机借以产生并传递动力的机构，通过它把燃料燃烧后发出的热能转变为机械能。曲轴连杆机构工作中进行往复运动，受力条件比较复杂，也是热、机械负荷最高的部件，因而也是整个发动机分析中最为迫切的部件。在曲轴的工作过程中，疲劳失效是其主要失效原因，因此对曲轴的疲劳性能研究也是其CAE分析的一个主要内容。

在发动机设计的早期和中期，有限元分析技术可以用来评估发动机中各种曲柄连杆机构的性能、结构强度和优化设计方案。通过分析模拟，可以更好地了解机构的运动状态、动力响应和疲劳寿命，为发动机设计和优化提供了强有力的支持。

< 四缸发动机运动示意图（动态图） >

2.1 几何前处理

计算模型为四缸直列式发动机的曲轴系统，其结构主要由气缸体、活塞、连杆和曲轴组成。

在划分有限元网格前，需要对CAD模型进行几何前处理，检查并进行几何修复，简化可以忽略的细微特征。

其CAD数模如下图所示：

< 图2 四缸发动机曲轴系统CAD数模 >

2.2 网格前处理

气缸体采用六面体网格，全局尺寸控制为5mm，单元类型为C3D8R（八节点线性六面体单元），活塞、连杆和曲轴均采用四面体网格，全局尺寸控制为5mm，单元类型为C3D4（四节点线性四面体单元），单元总数为213959。

网格如下图所示：

< 图3 四缸发动机曲轴系统有限元网格 >

2.3 材料及连接关系

曲轴系统所有零部件采用结构钢材料，材料参数如下表所示：

<表1 结构钢材料参数 >

连接关系主要包括运动副和接触建立，运动副包括移动副和转动副，移动副主要是活塞和气缸体之间，转动副主要是连杆和曲轴以及连杆和活塞。接触主要考虑活塞和气缸体之间的摩擦接触，切向行为采用罚函数，摩擦系数0.15，法向行为采用硬接触，建立四个摩擦接触对如下图所示：

< 图4 建立摩擦接触 >

2.4 载荷及边界条件

边界条件主要是对气缸体施加固定约束，固定其在空间的6个自由度，驱动采用角度加载，让曲轴在0-2s计算时间内实现绕轴线360度旋转。

< 图5 建立固定约束 >