魏武国 冯浩阳

摘   要：本文选取某水平对置四缸航空活塞发动机的曲轴为分析对象，基于ANSYS Workbench软件平台对曲轴进行三维实体建模和有限元建模，选取子空间法（Subspace法）计算了该曲轴前10阶固有频率和振型，对计算结果进行分析发现了该曲轴固有模态的规律。为该曲轴的后续结构分析和排故提供依据的同时，也为其他多曲柄曲轴的固有模态分析提供了便于工程应用的方法。

关键词：航空活塞发动机  曲轴  固有模态  有限元分析  子空间法

中图分类号：V231.92;V234                       文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（c）-0009-03

曲轴是航空活塞发动机最重要的运动机件。发动机工作时，燃气压力通过活塞、连杆传递给曲轴，带动螺旋桨和其他附件工作[1]。曲轴受力复杂，既要承受周期性的燃气传递过来的压力（曲轴转动两圈，各缸燃气爆发1次），还要承受自身质量带来的惯性离心载荷，以及带动螺旋桨、发动机附件的扭矩，且这些载荷会随着飞行阶段的不同而变化，再考虑到振动载荷，容易造成曲轴的结构故障[2]。曲轴的刚度和强度直接影响到活塞发动机的动力和运转特性，某飞行训练单位的初教机所配装的水平对置四缸航空活塞发动机在使用过程中，就曾经出现过曲轴配重块因为轴系扭转振动而导致断裂掉块的严重故障，造成发动机空停。

本文选取某水平对置四缸航空活塞发动机的曲轴为分析对象，基于ANSYS Workbench软件平台进行固有模态分析，以期发现该曲轴固有振动的规律，为后续结构分析和排故提供依据。

1  分析对象和有限元建模

选取某水平对置四缸航空活塞发动机的曲轴为分析对象[3]，该航空活塞发动机是国内主流的飞行员训练机型配发，基于有限元软件平台ANSYS建立起三维有限元模型，并进行模态分析。

提取曲轴结构尺寸参数，在ANSYS Workbench的DM模块中建立曲轴的三维实体模型。结构总体特征可见图1所示，曲轴从前往后：螺旋桨安装法兰盘，第一个主轴颈，1号和2号汽缸的曲柄，第二个主轴颈，3号和4号汽缸的曲柄，第三个主轴颈（轴尾）。为方便网格划分，在几何建模过程中，省略了对模态分析影响不大的轴颈与曲臂、轴颈与螺旋桨安装法兰盘之间的倒角、倒边等细小结构。

取曲轴材料为40Cr[4]，其材料常数见表1所示。

网格划分时，曲臂部分采用Tet 10单元，曲臂和主轴颈、曲颈的连接部位采用Pyr 13单元，主轴颈和曲颈采用Hex 20单元，主轴颈和曲颈的边缘部分采用Wed 15单元，最后，该曲轴共划得436 272个单元，899 774个节点。

实际发动机中：一方面，曲轴主轴颈和滑动轴承之间依靠压力油膜进行润滑，本文分析对象受三个滑动轴承支撑，因此在其有限元模型中，将曲轴上对应这三个滑动轴承的主轴颈表面施加径向对稱约束，即无摩擦约束（frictionless support）[5];另一方面，使用止推轴承防止曲轴的轴向串动，而曲轴在受热膨胀时又有一定的轴向伸长量，所以有限元模型中，只在轴尾后表面施加轴向位移约束。

由此，建立起的曲轴结构三维有限元模型如图1所示。

2  计算结果分析

在模态分析选项设置时，选择子空间法（Subspace法），基于ANSYS软件平台计算了该曲轴前10阶的固有模态，固有频率和振型的计算结果列于表2中。

理论上曲轴有无穷阶模态，但实际上各阶模态对结构影响不同。一般情况，如果发生低阶模态振动，频率低、振幅大，对结构影响大，且低阶频率的振动更容易发生。阶次越高，频率越高，对结构影响越小，越不容易发生。因此，对曲轴进行10阶模态分析已经足够。

曲轴振型计算结果中，3阶、5阶、8阶、9阶为扭转振动，4阶、6阶、7阶为横向弯曲振动。其中，扭转振型以三个主轴颈为界，螺旋桨安装法兰盘、1-2号汽缸曲柄、3-4号汽缸曲柄绕轴线扭转振动，在扭振方向上呈现组合现象。如图2所示的曲轴3阶振型，螺旋桨安装法兰盘与1-2号汽缸曲柄扭振方向相同，与3-4号汽缸曲柄扭振方向相反。弯曲振型，在前10阶模态中主要出现的是曲柄的横向弯曲振动，如图3所示的6阶振型，就是1-2号汽缸曲柄的横向弯曲振动。随着固有频率的增加，螺旋桨安装法兰盘、1-2号汽缸曲柄、3-4号汽缸曲柄也会出现组合横向弯曲振动的情况，方向相同或相反。

除扭转振动、横向弯曲振动外，还出现了曲轴作为刚体绕轴线的转动（1阶振型），曲轴前端轴向拉-压振动（2阶振型），以及螺旋桨安装法兰盘的1节径扇形振动（10阶振型，如图4所示）。1阶振型是因为曲轴有限元模型没有约束旋转方向的自由度;2阶振型是因为曲轴有限元模型只约束了轴尾后表面的轴向自由度，而没有其他轴向约束的缘故;10阶振型跟该曲轴的结构特征有关，进一步可考察曲轴和螺旋桨的耦合振动特性。

3  结语

模态分析是结构件动力学特性分析的基础，本文利用ANSYS Workbench对某水平对置四缸航空活塞发动机的曲轴进行了模态分析：

（1）相对于ANSYS经典界面，Workbench提供了更加友好的建模环境，方便曲轴这类几何不规整零部件的三维几何建模和有限元建模，模态分析流程也更加直观方便。

（2）通过分析发现，曲轴主要以主轴颈为分界，其前后的曲柄、螺旋桨安装法兰盘扭转振动、横向弯曲振动，或这些振动的组合。

（3）该航空活塞发动机在使用过程中，曾出现曲轴配重块因为轴系扭转振动而导致断裂掉块的严重故障，因此在操作使用中应避免引起曲轴扭转振动的激振源出现。

参考文献

[1] 李卫东， 侯甲栋. 航空活塞动力装置[M].成都：西南交通大学出版社， 2016.

[2] 付尧明. 活塞发动机ME-PA，PH[M].2版.北京：清华大学出版社， 2016.

[3] Textron Company. Lycoming Operators Manual， O-360 and associated models， 8th Edition. 2005.

[4] 吕端， 曾东建，于晓洋，等. 基于ANSYS Workbench的V8发动机曲轴有限元模态分析[J]. 机械设计与制造， 2012（8）： 11-13.

[5] Mourelatos ZP. An analytical investigation of the crankshaft flywheel bending vibrations for a V6 engine[J]. SAE Paper， 1995， 33（5）： 65-67.