汽车发动机是为汽车提供动力的装置，是汽车的心脏，决定着汽车的动力性、经济性、稳定性、舒适性和环保性。曲轴是发动机中最重要、承载最复杂的零件之一，其强度和振动特性都会影响到整机的工作性能。
汽车发动机剖面图
曲轴在运转时，每个曲拐上都承受着周期性变化的力，这会导致曲轴容易产生周期性变化的扭转和弯曲变形。
多缸发动机曲轴一般采取全支撑方式，即在两个相邻的曲拐之间都设置一个主轴颈。在全支撑方式下，每段曲拐跨度小，弯曲刚度大，弯曲振动的固有频率很高，一般不会在曲轴工作范围内产生共振。但由于多缸发动机曲轴整体较长，扭转刚度较小，所以扭转频率较低，在工作范围内容易发生强烈的共振，引发曲轴扭断，进而导致发动机其他零部件的损坏，降低发动机的性能和寿命。
此外，曲轴的振动还会引起发动机机体的振动，通过悬置、传动轴等路径传递至车身，引起车身振动、产生车内噪声，影响乘坐人员的乘坐舒适性。
因此，对曲轴的振动特性（模态）进行仿真，对于指导曲轴的安全设计、提高曲轴的寿命和整机性能均有着重要意义。
一、曲轴模态仿真APP应用介绍
基于伏图的隐式结构分析功能，可以方便快捷地建立曲轴模态的仿真流程，并且通过内置的APP开发器，以鼠标拖拽的方式便捷地将参数化仿真模型及仿真流程封装为可复用的曲轴模态仿真APP，可大幅提高同系产品的建模和分析效率，缩短仿真周期。
本文以四缸四冲程发动机曲轴为例，分别开发了曲轴自由模态仿真APP、曲轴约束模态仿真APP和曲轴预应力模态仿真APP。通过仿真APP，工程师不再需要进行繁琐的建模与分析操作，也不需要过多关注分析原理和计算过程，只需要进行参数修改和提交计算就可以实现不同设计方案的振动特性计算和对比评估，完成符合动力学性能要求的产品结构设计。
1. 曲轴自由模态仿真APP
曲轴自由模态仿真APP是对曲轴单体进行模态计算，反映其自身固有的频率和振动特性。
通过本仿真APP可实现：
1）曲轴的参数化建模，通过调整几何参数，对比评估不同设计参数下曲轴的固有振动特性；
2）调整网格密度，研究网格尺寸对曲轴固有模态频率的影响，确定合适的分析参数；
3）修改模态提取阶数，保证计算频率范围满足性能评估需求；
4）便捷查看频率分析结果，结合振型云图对曲轴的振动特性进行评估。
发动机曲轴自由模态仿真APP
2. 曲轴约束模态仿真APP
发动机曲轴在实际工作过程中，滑动轴承的约束会对曲轴的振动造成一定影响，对曲轴进行约束模态分析，施加滑动轴承的约束边界条件，可以使分析更加接近曲轴的工程实际情况。
通过发动机曲轴约束模态仿真APP可实现：
1）考虑滑动轴承的约束对曲轴的影响，考察曲轴在安装状态下的振动特性；
2）曲轴的参数化建模，通过调整几何参数，对比评估不同设计参数下曲轴的约束模态特性；
3）调整网格密度，研究网格尺寸对曲轴固有模态频率的影响，确定合适的分析参数；
4）修改模态提取阶数，保证计算频率范围满足性能评估需求；
5）便捷查看频率分析结果，结合振型云图对曲轴的振动特性进行评估。
发动机曲轴约束模态仿真APP
3. 曲轴预应力模态仿真APP
曲轴在实际工作中除了受轴承的约束，还受到来自活塞连杆的推拉力和高速旋转导致的离心力，这些载荷的作用又带来曲轴结构刚度的变化，从而使结构的固有特性发生变化，也就是说预应力的存在使结构的振动特性相比于空载时发生了改变。
曲轴预应力模态仿真APP首先采用静力学分析计算曲轴在旋转角速度和活塞连杆载荷作用下的应力，再进行带预应力的模态分析。约束条件与进行约束模态仿真时相同，载荷设置为对曲轴整体施加旋转角加速度载荷，在各连杆轴径施加拉压载荷，用户可以根据实际工况设置载荷的拉、压类型和大小。
通过发动机曲轴预应力模态仿真APP可实现：
1）研究实际工况载荷对曲轴振动特性的影响；
2）曲轴的参数化建模，通过调整几何参数，对比评估不同的设计方案；
3）调整载荷参数，进行曲轴在不同循环极限工况下的静力和预应力模态分析，获得不同工况下曲轴的应力结果和模态结果，评估曲轴的静强度和振动特性是否满足要求；
4）修改模态提取阶数，保证计算频率范围满足性能评估需求。
发动机曲轴预应力模态仿真APP
二、仿真APP赋能千行百业
相较于传统CAE仿真软件，基于伏图开发的仿真APP更加灵活易用，用户可以零门槛低成本、跨平台跨终端随时随地访问云平台进行仿真分析工作，提升产品研发效率。以上基于伏图的汽车发动机曲轴模态仿真APP均已发布在工业仿真APP商店Simapps，欢迎在线体验：汽车交通 - Simapps Store - 工业仿真APP商店
三、关于伏图
伏图（Simdroid）具备固体力学、流体力学、电动力学、热力学等通用求解器，支持多物理场耦合仿真。在统一友好的环境中为仿真工作者提供前处理、求解分析和后处理工具。同时，作为仿真PaaS平台，其内置的APP开发器支持用户以无代码化的方式便捷封装参数化仿真模型及仿真流程，将仿真知识、专家经验转化为可复用的仿真APP。
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