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曲軸是發動機上的一個重要機件，裝上連桿后，可承接連桿的上下(往復)運動變成循環(旋轉)運動。在工作過程中，曲軸常見的損傷形式有軸頸磨損、彎扭變形和斷裂等，其中斷裂事故的危害性最大。因此，選擇可靠、全面的有限元分析工具對曲軸的強度進行計算和校核，找出斷裂破壞的原因，以改進設計方案，確保安全生產。有限元分析是在結構分析領域中應用和發展起來的，它不僅可以解決結構分析問題，還可以解決傳熱學、流體力學、電磁學等領域的問題。下面介紹應用ANSYS軟件對曲軸零件的強度分析過程，曲軸的強度分析屬于ANSYS最常用的結構分析領域。
建模是有限元分析問題的第一步，利用當前CAD與CAE軟件的數據交換技術，應用UG軟件建立曲軸的三維立體模型，保存為IGS的中間數據格式，然后導入ANSYS中進行分析，導入后的模型如圖所示。圖示曲軸由主軸頸、連桿軸頸、曲柄、平衡塊、前端和后端組成，主軸頸是曲軸的支承部分，通過主軸承支承在曲軸箱的主軸承座中。本例中采用了非全支承的方式，這種支承的主軸承載荷較大，但縮短了曲軸的總長度，使發動機的總體長度有所減小。在建模過程中需要注意簡化處理盡可能少。為了使計算模型和原結構盡可能等效，只對軸端便于安裝的工藝倒角做了簡化處理，特別需要注意在結構受力的關鍵部位，比如曲軸臂與主軸頸、曲軸臂與連桿軸頸連接處的圓角過渡都不可以隨意簡化。圖示曲軸材料為碳素結構鋼，彈性模量和主泊松比分別為E=2.1xe5MPa；u=0.30建立好實體模型，設定好合適的單元屬性，而后進行網格劃分。對模型進行網格劃分時應針對不同的圖元模型采用不同的網格劃分操作。圖所示曲軸的結構中，采用Sweep網格劃分方法對主軸頸和連桿軸頸部分進行劃分，網格密度設定為0.03；采用Free網格劃分的方法對曲軸臂部分進行精度為6的網格劃分。
選擇合適的載荷或邊界條件對分析結果的精度有重要影響，結構靜力分析的載荷有自由度約束、集中載荷、面載荷、體載荷和慣性載荷五種。根據對該曲軸零件的受力分析，將電機端和曲拐處承載的扭矩簡化為集中力載荷施加，沿y，z方向的關鍵點載荷編號及載荷值，并約束相應的軸頸面的位移，得到與原系統等效的計算模型。施加完位移約束后，將實體模型上的位移約束轉換到有限元模型上，載荷示意如圖所示。前處理的工作完成后，和原系統等效的物理系統就構建完畢，接下來的工作就是求解描述該等效物理系統的線性方程組，ANSYS提供了稀疏矩陣求解器、迭代求解器、波前求解器等。本例中選擇了ANSYS默認的程序選定求解器進行求解。
結果后處理就是對求解器的結果進行查看和分析，可以通過通用后處理器和時間歷程后處理器完成處理。本例中選擇通用后處理器分別查看圖形顯示變形形狀和圖形顯示節點平均等效應力結果。圖表明：最大變形量發生在前、后主軸頸及曲拐處，兩端的變形會導致主軸頸的同軸度誤差超過0.05mm，形成彎扭變形的損傷形式；除集中載荷作用處的幾個應力集中部位外，結構的高應力區主要集中在曲拐處的連接部位，是結構的危險區域，可能引起斷裂事故的發生。為了增強該曲軸工作的可靠性，應從結構、材料和尺寸等方面減小應力集中，以避免斷裂這樣的大事故的發生。
應用有限元軟件ANSYS分析的方法，能設置曲軸工作時的各項參數，且計算精度較傳統理論公式計算要高；利用ANSYS的圖形顯示功能，可以直觀、簡便地對曲軸的變形和應力分布情況進行分析。通過分析其受力變形，約束相應的軸頸面位移和集中載荷的施加，可綜合得出曲軸的變形圖和應力分布圖，為曲軸的結構優化設計提供可靠依據。
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