【2019年整理】四缸发动机曲轴的CATIA建模即ANSYS模态分析

目录1. 绪论 ........................................... (2)1.1研究背景 ........................................ (2)1.2研究内容 ........................................ (2)1.3所用软件的介绍 (2)2 曲轴的 CATIA三维建模 (3)2.1. 创建第一平衡重 ........................................... (3)2.2 创建第一曲拐及第二平衡重 .................... 错误！未定义书签。

2.3创建第二轴颈及第三平衡重 (6)2.4创建第二曲拐及第四平衡重 (8)2.5 通过镜像创建四缸发动机的全部曲拐及平衡重 (10)2.6创建曲轴前端特征 ............................................ 112.7创建曲轴后端特征 ............................................ 192.8完成曲轴的完整模型，并保存 (22)3. 曲轴的 ANSYS有限元分析 (23)3.1CATIA文件导入 ANSYS并显示实体 (23)3.2网格划分及添加约束 (23)3.3进行模态分析前处理 (24)3.4开始进行模态分析 .............................................. 253.5进行扩展模态分析 .............................................. 263.6结果分析 ........................................ (35)4. 结论 ........................................... (35)参考文献 . ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．361.绪论1.1 研究背景1.2 研究内容某曲轴的有限元分析或模态分析，用 catia 软件进行三维实体建模，然后生成的实体导入有限元分析软件 Ansys 中进行曲轴的强度分析和模态分析。

1.3 所用软件的介绍(1)CATIA 软件：CATIA是法国达索飞机公司开发的高档CAD/CAM软件。

目前在中国由IBM 公司代理销售。

CATIA软件以其强大的曲面设计功能而在飞机、汽车、轮船等设计领域享有很高的声誉。

CATIA的曲面造型功能体现在它提供了极丰富的造型工具来支持用户的造型需求。

比如其特有的高次Bezier 曲线曲面功能，次数能达到15，能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求。

而我们现在所用到的CATIA 的功能是三维实体建模！(2)Ansys 软件：ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数 CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN,Alogor, I －DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。

软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

2曲轴的 CATIA 三维建模打开 CATIA软件，新建一零件图，即“part ”模式。

进行零件建模程序。

2.1 创建第 1 平衡重（1）选取 XY 平面为草图参考平面，然后单击工具栏中的“草图”图标，进入草图绘制模式。

（2）用工具栏上的“圆”命令，以原点为圆心，绘制直径为“42”的圆。

图2-1（3）退出“草图”将该面拉伸成厚为“ 21”柱体。

单击生成的柱体的一圆截面，进入“草图”模式，绘制平衡重的草图形状。

图2-2（4）退出草图，完成对新建明面形状的拉伸。

生成平衡重的三维模型。

厚度为19图 2-32.2 创建第一曲拐及第二平衡重（1）单击新生成的实体的另一表面，并进入“草图”模式，绘制曲拐的草图。

图 2-4（2）退出“草图”编辑，拉伸曲拐实体。

图2-5（3）单击曲拐的另一端面，进入“草图”编辑。

绘制第二平衡重。

图 2-6（4）退出草图，用“凸台”命令拉伸生成实体。

厚为19图 2-72.3 创建第二轴颈及第三平衡重（1）单击新实体的另一端面，进入“草图”命令。

绘制第二段轴颈。

图 2-8（2）退出草图，拉伸实体。

厚为21图 2-9（3）单击新生成轴颈的另一端面，进入草图编辑。

绘制新的实体的草图。

图 2-10（4）退出草图，拉伸生成新实体。

图 2-112.4 创建第二曲拐及第四平衡重（1）单击第三平衡重的另一端面，进入草图绘制。

绘制第二曲拐的草图后，退出草图，进行拉伸，生成曲拐实体后，单击其另一端面进入草图绘制，绘制第四平衡重的草图，然后，退出，拉伸出实体。

图2-12 图2-132.5 通过镜像创建四缸发动机曲轴的全部曲拐，平衡重（1）对以上步骤所生成的实体进行镜像，镜像的对称面选为第一轴颈的第一端面。

图2-14图2-152.6 创建曲轴前端特征（1）单击新生成的完整曲轴的一端，继续创建轴颈。

在轴颈的另一端面后，创建新的实体。

图2-16图2-17（2）对新生成的实体进行细节处理。

选择 YZ 平面，进入草图绘制，利用“投影三维元素”，“弧”，“直线”等命令绘制草图。

图2-18（3）退出草图模式，利用工具栏上的“旋转槽”命令，选择合适的修剪方向，生成所要的实体。

图2-19（4）选择 YZ 平面，进入草图绘制模式，利用“投影三维元素” ，“直线”命令，绘制螺纹的草图图2-20（5）退出草图，利用“旋转槽”命令，选择合适的方向，完成螺纹的创建。

图2-21（6）在新生成的实体的表面进行掏阶梯孔的操作。

图2-22图2-23图2-24 图2-25（7）在端面上创建圆周排列的六个小孔，相间角度为60°。

先由端面绘制草图。

后退出草图，完成一个小孔的实体化。

用“凹槽”命令。

图2-26图2-27（8）用“圆形阵列”命令，将小孔阵列为六个。

图 2-28图2-292.7 创建曲轴后端特征（1）在曲轴的后端端面，进入“绘制草图”绘制轴颈的草图，后拉伸为实体。

图 2-30（2）在曲轴后端，创建带有键槽的一小段轴。

图2-31图 2-32 （3）利用“平面”命令，创建新的平面。

图2-33（4）在新的平面上绘制草图图 2-34（5）退出草图，用“凹槽”命令，选择正确的方向，生成实体凹槽。

图2-35（6）在最后的端面，生成一孔。

绘制草图，并由“凹槽”命令生成实体。

图 2-36图 2-372.8 完成曲轴的完整模型，并保存。

图2-383 曲轴的 ANSYS有限元分析3.1 CATIA 文件导入 ANSYS并显示实体（1）将 CATIA文件保存为“ model”格式。

（2）由于版本之间的差异，在运行ANSYS之前，须将系统的时间改为2010 年。

点击 File>>Import>>CATIA, 选择保存的“ model”文件，打开。

（3）依次选择 PlotCtrls>>Style>>SolidModelFacets>>Fine （4）依次选择 Plot>>Volumes ，生成实体。

图3-13.2 网格划分及添加约束（1）定义材料的属性。

定义网格类型为Solid Tetnode187（2）定义弹性模量E=2.06e11 ，泊松比μ=0.3 ，密度ρ =7.9e3。

（3）选择自由网格划分，网格间距为“smartsize,10. ”对实体进行网格划分。

（4）选择曲轴的两端轴面，加载全约束。

3.3 进行模态分析前处理（1）模态分析前处理。

Solution>>Analysis Type>>New Analysis>>Model图3-2（2）在 Analysis Option 中，选择算法，选择“ Block Lanzcons”, 选择 10 阶矩阵运算。

图3-3（3）在算法选项中选择截止频率为“100000”图 3-43.4 开始进行模态分析（ 1）依次选择“ Solution>>solve>>Current LS 。

跳过步骤中警告，观察运行代码，并等待运算结束。

图 3-5（2）待出现“ Solution done ”提示，点击“ Close ”。

依次点击“ General Postproc>>Results Summary ”出现计算的结果，即曲轴的固有频率。

图3-63,5 进行扩展模态分析（1）依次选择“ Solution>>Load step opts>>ExpansionPass>>Single Expand>>Expand Model”进行设置。

图 3-7（2）选择每步操作都进行到每个子空间（Substep）图3-8图 3-9 （3）再次进行运算，步骤同第一次运算。

图3-10图3-11（4）查看各种振型，依次选择“General Postproc>>Read Result>>FirstSet ”>>Plot Result>>Contour Plot>>Nodal Solu 。

十种振型列在下面，每查看一种振型，要选择“ Next Set ”图 3-12图3-13图3-14 图3-15图3-16 图3-17图3-18 图3-19图3-20 图3-21图3-22 图3-233.6 结果分析由各振型图，可知，最大的形变为0.292e-4 ，各频率见列表。

图3-244结论（1）基于 CATIA 进行三维建模，相比较在 ANSYS 中建立三维模型而言，可以大大缩短建模时间，提高工作效率。

（2）在ANSYS 中进行模态分析，可以比较详细地了解系统固有频率，对生产设计时考虑系统的频率有一定的参考意义。

参考文献【1】刘相新孟宪颐《ANSYS基础与应用教程》科学出版社。