当往复式发动机的曲轴旋转时，会发生自激振动。这些振动是由机械零件上曲柄销和平衡质量的偏心造成的。在这里，我们将使用转子动力学模块(COMSOL Multiphysics软件和结构力学模块的新附加产品)精确研究转子的响应和轴上质量平衡的轨道。根据这些结果，您可以改进曲轴的设计以减少振动，同时优化发动机性能。

　　分析往复式发动机中的不同部件

　　在往复式发动机——汽车工业中的一种突出的发电机——中，一个部件的故障会导致整个发动机的故障。我们分析了往复式发动机连杆的疲劳。虽然这种方法为优化发动机设计和提高其使用寿命提供了一种有价值的方法，但还有许多其他发动机零件需要考虑。

　　三缸往复式发动机连杆的疲劳寿命预测

　　例如，考虑发动机的曲轴。这个机械部件接受连接到曲轴上的活塞的往复运动，并将其转换成旋转运动。根据设计，曲柄销，有时称为曲柄轴颈，与轴的旋转轴偏心，以实现这两种运动之间的转换。但是曲轴转动时，曲柄销的偏心会产生不平衡的力。为了平衡这些力，曲轴上增加了一些死质量或平衡质量。然而，由于静质量与曲柄销的轴向偏移，沿零件长度方向会产生不平衡弯矩。因此，选择平衡质量的位置是为了最小化这种不平衡弯矩，也称为平衡转子。

　　这些曲柄销和平衡质量的偏心率以及它们之间的轴向偏移会导致曲轴在旋转时发生自激振动。与包括旋转部件的其他机器一样，这些振动会影响单个部件以及其辅助供电的整个系统的安全性和性能。

　　新的转子动力学模块包括使您能够对发动机曲轴进行精确振动分析的功能。今天，我们将从应用程序库中探索一个展示这些功能的示例。

　　模型示例:曲轴的转子动力学分析

　　让我们先看看我们的模型几何。对于本例，我们使用三缸往复式发动机的曲轴。曲轴的几何形状如下图所示，飞轮和轴承位置都突出显示。

　　发动机曲轴的几何形状。

　　在分析中，假设转子仅经历由偏心质量引起的自激振动。活塞作用在曲柄销上的负载被忽略。为了减少高频振动，转子采用材料阻尼。

　　在稳定状态下，曲轴的角速度为3000转/分。然而，它最初是倾斜的，以确保平稳启动。选择斜坡的长度，使得转子以从0到3000转/分的线性增加速度完成一次旋转，然后以该恒定角速度继续。

　　为了精确模拟曲轴轴承组件，我们可以使用带流体动力轴承的实心转子多物理耦合。该联轴器由以下部件组成:

　　A实心转子物理节点

　　A流体动力轴承结节

　　A实心转子轴承联轴器多物理耦合节点

　　为了解释滑动轴承中的薄液膜流动，我们可以使用油膜轴承功能，可在流体动力轴承界面。

　　评估模拟结果

　　下图显示了曲轴的应力分布。如图所示，靠近飞轮的轴承承受最大载荷，在相应的轴颈上产生最大应力。飞轮附近的轴承也是产生最高压力的地方。

　　曲轴内的应力和轴承表面的压力分布。

　　看看轴颈轨道，我们可以看到它们对于四个轴承中的每一个都是稳定的。在稳定状态下，每个轴颈达到各自的平衡位置。这在下面左侧的图中突出显示。同时，右边的图说明了第三个轴颈的横向位移分量。结果表明，这些横向位移经历阻尼振动，并在稳态时达到平衡值，如上所述。

　　左图:描绘轴颈中心轨道的曲线图。右图:显示第三轴颈横向位移分量的曲线图。