1. 研究目的与意义（文献综述）

柴油机自十九世纪后期出现以来，经过一百多年的不断研究和改进，已经发展到比较完善的程度，它以热效率高、功率和转速范围宽广、比重量较小的优点^[1]，在动力机械中占有极其重要的地位，广泛应用于国民经济和军事装备的各领域中。在柴油机发展初期，内河船舶就基本全部采用柴油机作动力，远洋客货轮和油轮则采用汽轮机或柴油机作动力。第二次世界大战后，由于船用柴油机废气涡轮增压技术^[2]的不断进步以及成功地解决了燃烧重油的问题，使船用柴油机的经济性大大得到改善。近些年来，在远洋客货轮和油轮上，柴油机动力已占有明显的优势。

曲轴是柴油机主要零件之一，也是造价最贵的机件。它汇集各气缸所作的功，以回转运动的形式输出。整个发动机的可靠性，在很大程度上取决于曲轴的强度，而发动机的外形尺寸和总重量也与曲轴的尺寸和结构有很大的关系。例如，曲柄销直径的增大，导致连杆组重量和尺寸的增大，而后者又影响曲轴的平衡重以及曲轴箱的尺寸等^[3]。因此，曲轴的设计必须和发动机总体设计一并考虑。

曲轴在周期性变化的各种力和力矩作用下工作，在其内部产生迅速变化的交变应力，而且由于曲轴的形状复杂，存在着严重的应力集中现象，使某些部位的交变应力达到很高的数值，容易产生疲劳破坏。因而如何保证曲轴的疲劳强度就成了曲轴设计的关键。而曲轴各轴颈在很高的比压下高速运动，并且由于载荷的冲击性，使轴颈和轴承之间不易建立稳定的油膜，易引起轴颈和轴承的强烈磨损，严重的情况下甚至引起袖承的烧损，这也严重影响到发动机的使用寿命和工作可靠性。此外，由于曲轴的形状复杂、刚性差、加工要求高和对材质的要求很严格，从而大大提高了曲轴的造价。因此要求曲轴必须具备足够的疲劳强度、刚度和良好的动静态特性^[4]。在周期性变化的载荷的作用下，为防止曲轴过早产生弯曲和扭转疲劳破坏就需要对曲轴进行应力计算，以此为根据做出改进。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容及目标

曲轴的实际工作应力计算是相当困难的，因为实际曲轴是一个多支承的静不定系统；曲轴及支承都是弹性体（轴），受载后二者均产生弹性变形；曲轴载荷并非均布，而且分布规律复杂多变；曲轴各主轴颈与支承孔并不同心，二者之间的工作间隙亦不完全相同，且随零件磨损而变化；加之曲轴形状复杂和受载随时间变化，使得曲轴应力的计算极为复杂，故在一般实用计算时只能作近似的简化计算，先求取名义工作应力^[7]，再计入应力集中系数得到实际最大工作应力。

2.2技术方案

传统方法有两种：简支梁法和连续梁法。简支梁方法用垂直于曲轴中心线并过主轴颈轴向中心的平面将曲轴分为若干个单独曲拐，每个单拐均视为简支梁。连续梁法将曲轴视为多支承的静不定连续梁，应用三弯矩或五弯矩方程求解各支承处的内弯矩^[8]。根据几何-力学模型的假设不同，连续梁法主要分为以下三种：⑴曲轴简化为多刚性支承的等圆截面直梁，其直径与主轴颈直径相同或相当⑵曲轴简化为多个弹性支承的等圆截面或变圆截面直梁；⑶曲轴简化为多个弹性支承的变截面空间曲梁。连续梁法仍然保留了曲轴在主轴颈中央截面处作铰支承等假设。然而有研究文献认为：内燃机曲轴的主轴承宽度相对曲拐长度占有较大比例，计算分析中忽略轴承约束力矩的影响并不妥当，应该假设曲轴与轴承接触表面受到沿轴向均匀分布的载荷。显然这个力学模型更接近实际工况。曲轴受载时在轴颈与曲柄的过渡圆角处和轴颈油孔旁存在着严重的应力集中现象，一般实用计算方法通常用应力集中系数^[9]修正由简支梁法或连续梁法计算出的名义应力，以得到曲轴的实际最大工作应力。应力集中系数在过去一般通过实验分析法进行研究，所得到的应力集中系数计算公式也都是经验计算公式^[10]，使用时应该注意公式的适用试验条件、参数取值范围以及应用场合，否则有可能导致较大的计算误差。此外，实验分析法也未考虑轴颈过渡圆角处三维形状的影响，所以无法用于应力的精确计算。

随着计算机软、硬件技术和数值计算理论的迅速发展，通过有限元和边界元方法的应用，为精确地计算曲轴应力或应力集中系数提供了条件。传统实用计算方法根据名义应力和应力集中系数求取曲轴危险部位的最大工作应力。但由于曲轴形状复杂，而应力集中系数一般由有限样本数量的曲轴试验数据推算或由单拐平面有限元模型计算得到，这种情况下通过综合名义应力和应力集中系数较难准确反映实际最大应力，因此传统实用计算方法存在相当的局限性。现代有限元理论的发展和三维有限元软件^[11]的应用，可以较全面地分析曲轴弯曲与扭转的变形和应力状况，使研究者精确计算曲轴应力成为可能。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1]沈晓雯,王阜西.增压中冷型柴油机曲轴强度计算[j]. mechanical electrical engineering magazine.1998年04期.41-43.

[2] 王庆来.柴油机曲轴轴承润滑状态及动态强度计算研究[d].武汉：武汉理工大学，2010.

[3]e.weiss.calculationof crankshafts for reciprocating internal combustion engines.usa,united statespatent 6510822[p].01/28/2003