船舶柴油机曲轴疲劳特性分析与结构优化设计
摘要
曲轴是柴油机里最重要的零部件之一，其结构复杂、造价昂贵、工作环境恶劣。工
作过程中的曲轴承受着弯曲扭转交变载荷和振动的作用，随着柴油机的功率越来越高，
使得对曲轴的要求更加苛刻，柴油机的寿命和可靠性一定程度上取决于曲轴的疲劳强度
和寿命。因此，曲轴的疲劳强度分析研究显得尤为重要，本文采用不同的方法对曲轴的
疲劳强度进行研究。
本文以船用大功率中速柴油机曲轴为研究对象，首先采用以简支梁法为基础的船级
社和国军标规范推荐的传统方法进行曲轴强度计算，得到了主轴颈圆角及曲柄销圆角的
合格系数，并且对船级社曲轴强度计算方法进行了程序化设计。然后对单拐曲轴进行静
态应力测量试验，通过改变加载力的大小研究曲轴的应力分布及变化规律。用有限元软
件ANSYS模拟单拐曲轴的静态应力测量试验，将有限元的应力结果与试验结果对比，
以此验证有限元仿真方法的合理性与准确性。使用ANSYS对曲柄连杆机构进行瞬态动
力学仿真分析，研究动态工况下曲轴的应力分布及应力变化趋势。通过不同方法计算出
曲轴的安全系数分别为1.648和1.628，大于曲轴的许用安全系数，那么曲轴疲劳强度的
合格。
利用多体动力学分析软件EXCITE对曲轴系进行分析，研究曲轴在一个完整工作周
期内的运转稳定性，并通过单位载荷法得到各个曲拐和圆角的应力数据及载荷历程，以
此计算各个圆角的安全系数，研究曲轴的应力分布。经过计算得到曲轴的安全系数为
1.59，满足疲劳强度的要求。
最后，在ANSYS中对单位曲拐进行静态有限元分析，研究不同载荷下曲轴的应力
分布。然后以最大等效应力和曲拐的质量为目标函数，对曲轴结构进行响应面多目标优
化分析，研究曲轴尺寸参数对目标函数的影响，在帕累托前沿中寻找到最优解并进行验
证，使曲轴实现轻量化的同时减小了应力，提高了曲轴的安全性和可靠性。
关键词：柴油机曲轴；疲劳强度；有限元法；多体动力学分析；结构优化
船舶柴油机曲轴疲劳特性分析与结构优化设计
Abstract
Crankshaftisoneofthemostimportantpartsindieselengine.Ithascomplexstructure,
expensivecostandbadworkingenvironment.Crankshaftbearsthebendingandtorsionofthe
alternatingloadandvibrationintheprocessofworking,withtheincreaseofthedieselengine
power,therequirementsforcrankshaftismoredemanding,Thelifeandreliabilityofdiesel
enginedependonthefatiguestrengthandlifeofcrankshafttosomeextent.Therefore,the
fatiguestrengthanalysisofcrankshaftisparticularlyimportant.Thispaperusesdifferent
methodstostudythefatiguestrengthofcrankshaft.
Inthispaper,wetakethecrankshaftofamarinehighpowermediumspeeddieselengine
astheresearchobject.Firstly,thetraditionalmethodrecommendedbyClassificationSociety
andGJBbasedonthesimplysupportedbeammethodisusedtocalculatethecrankshaft
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