發(fā)動機(jī)連桿有限元分析.pdf

雹鯊堅坐2 豎型衛(wèi)坐豎竺 工程技術(shù) 發(fā)動機(jī)連桿有限元分析 李淑英 ( 沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系沈陽 1 10 0 4 5 ) 摘要：本文利用c T I A 軟件建立了連桿的三維模型，采用o nF I 囂式作為c A T I A 和A N s Y s 軟件信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)，將模型再導(dǎo)入A N s Y s 軟件 進(jìn)行有限元分析，通過分析得到了連桿在置大爆發(fā)壓力作用下的位移和應(yīng)力情況。 關(guān)鍵詞：有限元法連桿A 、s Y s 中圖分類號：T K 4 1 2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1 6 7 2 3 7 9 l ( 2 0 0 8 ) 1 2 ( c ) 一0 0 4 2 0 l 連桿的功用是將活塞承受的力傳遞給 曲軸，并將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在發(fā)動機(jī)工作時連桿作復(fù)雜的 平面運(yùn)動。連桿組主要受壓縮、拉伸和彎曲 等交變負(fù)荷。因此，對發(fā)動機(jī)連桿的有限元 分析就變得尤為重要。 1 連桿有限元模型的建立 1 1 連桿三維模型的建立 連桿的三維建模采用了汽車行業(yè)廣為 表1 材料特性 彈性模量 泊松比 密度 2 0 6 G P a O 3 7 8 0 0 9 m m 圖1 連桿三維模型 使用的C A T I A 軟件，連桿的C A D 模型如圖1 。 1 2 有限元模型的建立 連桿的材料采用4 5 Cr ，網(wǎng)格劃分采用 智能網(wǎng)格劃分，選用8 節(jié)點(diǎn)s o l i d 4 5 單元，劃 分精度為8 級。連桿材料特性如表l 所示。 2 連桿的靜力分析 2 1 連桿有限元分析的理論基礎(chǔ) 當(dāng)連桿加載和約束時，利用力平衡條 件和邊界條件將各個單元按原來的結(jié)構(gòu)重 新連接起來，形成整體的有限元方程： 【嗣f 口1 = f ，) 式中【棚一整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣； 孽卜一節(jié)點(diǎn)位移列陣， ， 一載荷列陣。 解該有限元方程就可以得到最后分析 時所需要的各單元應(yīng)力及變形值。 2 2 邊界條件的處理施加 在A N S Y s 中，載荷包括所有邊界條件 圖3 連桿應(yīng)力云圖 圖2 連桿加載和約束示意圖圖4第6 氣缸爆發(fā)連桿位移云圖 4 2 科技資訊s c I E N c E T E c H N o L O G YI N F O R M A T l O N 以及外部或內(nèi)部作用效應(yīng)。對于不同的分 析類型，所施加的載荷有所不同，本文采用 了在連桿上直接施加均布載荷的方法，施 加力為7 8 6 E 一6 P a ，如圖2 為施加載荷和約 束示意圖。 2 3 計算結(jié)果 經(jīng)過計算連桿的應(yīng)力分布云圖如圖3 所示。連桿位移分布云圖如圖4 所示。 3 結(jié)語 ( 1 ) 最大位移出現(xiàn)在連桿小頭圓孔處， 值為O 2 0 8 2 2 E 一0 2 m m ，然后逐漸向內(nèi)遞減， 到連桿大頭圓孔處為最小位移。 ( 2 ) 最大應(yīng)力出現(xiàn)在干與小頭圓孔接觸 處，值為5 8 6 6 l O o P a ，是整個連桿最危險 的部位，應(yīng)采取相應(yīng)的表面處理手段進(jìn)行 強(qiáng)化。 參考文獻(xiàn) 【l 】趙經(jīng)文，王宏鈺結(jié)構(gòu)有限元分析【M 1 北京：科學(xué)出版社，2 0 0 1 【2 l 陳家瑞汽車構(gòu)造【M 】北京：機(jī)械工業(yè) 出版社，2 0 0 5 【3 】孫連科，唐斌，薛冬新，宋希庚6 1 1 0 柴 油機(jī)連桿的三維有限元分析【J 】車用發(fā) 動機(jī)，2 0 0 7 ( 2 ) 【4 】胡云萍，毛華永6 1 6 0 柴油機(jī)連桿三維 有限元分析山東大學(xué)學(xué)報，2 0 0 6 ( 2 ) 萬方數(shù)據(jù) 發(fā)動機(jī)連桿有限元分析發(fā)動機(jī)連桿有限元分析 作者：李淑英 作者單位：沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,沈陽,110045 刊名： 科技資訊 英文刊名：SCIENCE 分別采用六種載荷邊界條件和三種位移邊界條件對曲軸應(yīng)力和變形進(jìn)行了有限元分析;基于單拐曲軸、梁單元整體曲軸和體單元整體曲軸模 型,分別計算了N485柴油機(jī)的曲軸變形和主軸承負(fù)荷;采用兩種計算模型和兩種載荷邊界條件對N485柴油機(jī)曲軸強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析;提出了連桿軸承孔 表面變形計算的快速方法-變形(柔度)矩陣法,應(yīng)用該方法計算了N485柴油機(jī)連桿軸承孔表面變形.計算分析結(jié)果表明,直軸-軸承系統(tǒng)中軸承油膜壓力分布 形態(tài)對軸強(qiáng)度影響顯著;載荷和位移邊界條件的處理對曲軸強(qiáng)度剛度的有限元分析結(jié)果有很大影響;曲軸變形和主軸承負(fù)荷計算應(yīng)該采用更接近實際的整 體曲軸模型,梁單元整體曲軸模型可以進(jìn)行簡便、快速且較精確的計算預(yù)測;曲軸軸承的潤滑分析應(yīng)該考慮曲軸受載變形導(dǎo)致軸頸在軸承孔中傾斜的影響 ;雖然N485柴油機(jī)曲軸的工作應(yīng)力范圍在安全極限內(nèi),但該曲軸設(shè)計在結(jié)構(gòu)尺寸和材料選擇等方面仍存在進(jìn)一步優(yōu)化的潛力;變形(柔度)矩陣法計算連桿軸 承孔表面變形快速、有效;連桿軸承孔表面有較大的徑向變形,連桿軸承潤滑分析應(yīng)該考慮其影響. 3.期刊論文 呂彩琴.蘇鐵熊.狄建兵.張自明 連桿小頭油孔對連桿疲勞壽命影響的研究 -內(nèi)燃機(jī)學(xué)報2002,20(4) 采用有限元方法對兩種不同方案的連桿小頭油孔(單油孔方案和雙油孔方案)進(jìn)行了分析.通過對其主要考查部位的應(yīng)力、連桿大頭、小頭軸孔的縱、 橫向變形進(jìn)行對比研究,并根據(jù)疲勞累積損傷原理對連桿各方案進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核,發(fā)現(xiàn)雙油孔連桿方案在變形和應(yīng)力方面都有較好的改善.此外,還對雙 油孔連桿方案的兩油孔夾角采用不同的角度(50和60)做了有限元分析對比,結(jié)果表明兩油孔夾角為60時,油孔的位置恰好能避開連桿小頭的高應(yīng)力 區(qū).建議若條件允許,連桿小頭最好采用雙油孔方案,且油孔夾角取60左右為宜. 4.學(xué)位論文 江敏 B3E汽油機(jī)連桿的有限元分析 2003 當(dāng)前,有限元技術(shù)在發(fā)動機(jī)零部件設(shè)計中發(fā)揮著越來越重要的作用,它不僅縮短了設(shè)計周期,而且也大大提高了設(shè)計精度.該文旨在應(yīng)用有限元技術(shù)對 B3E汽油機(jī)連桿進(jìn)行靜力分析,以研究連桿在不同情況下的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)及其危險部位,為連桿的改進(jìn)和設(shè)計提供可靠的依據(jù).該文采用了 Unigraphics.3D軟件進(jìn)行實體幾何建模,應(yīng)用有限元前處理軟件MSC.Patran對連桿模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、加載和約束的處理,然后提交到MSC.Nastran軟件中 進(jìn)行計算分析,并再次應(yīng)用Patran軟件對連桿在兩種危險情況下的應(yīng)力和應(yīng)變計算結(jié)果進(jìn)行可視化處理.分析中采用了Patran中的多點(diǎn)約束(MPC)技術(shù),有 效地模擬了活塞銷與小頭孔內(nèi)表面、曲柄銷與大頭孔內(nèi)表面以及連桿體與大頭蓋接觸面的力學(xué)接觸狀態(tài),并對連桿進(jìn)行合理的約束.最終,根據(jù)計算結(jié)果對 該連桿的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核,總結(jié)了連桿在拉、壓載荷作用下應(yīng)力分布的一般規(guī)律.該文說明了有限元法在零部件設(shè)計中的實用性和重要性.同時,有限元 法也將因之而更趨完善. 5.期刊論文 張鐸澤.侯發(fā)玲.ZHAN Duo-ze.HOU Fa-ling 195柴油機(jī)連桿有限元分析 -內(nèi)燃機(jī)與動力裝置2007,“(3) 當(dāng)前,有限元分析技術(shù)在發(fā)動機(jī)零部件設(shè)計過程中發(fā)揮著越來越重要的作用,它不僅縮短了設(shè)計周期,而且也大大提高了設(shè)計精度.連桿是發(fā)動機(jī)中重 要零件,也是易發(fā)生故障的零件,目前對它的設(shè)計、分析已廣泛地采用有限元法.本文旨在應(yīng)用有限元技術(shù)對195柴油機(jī)連桿進(jìn)行靜力分析,以研究連桿在不 同情況下的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)及其危險部位,為連桿的改進(jìn)和設(shè)計提供可靠的依據(jù). 6.學(xué)位論文 方丹 LJ276M電控汽油機(jī)連桿有限元分析及優(yōu)化 2009 作為發(fā)動機(jī)重要零部件之一，連桿在工作過程中承受著大小和方向都呈現(xiàn)周期性變化的活塞銷傳來的氣體作用力、本身擺動造成的連桿慣性力以及 活塞組的往復(fù)慣性力。因此，連桿受到的是壓縮、拉伸、彎曲等交變載荷，這就要求連桿具有足夠的剛度和強(qiáng)度。當(dāng)發(fā)動機(jī)動力性顯著提高后，連桿承 受著更高的氣體壓力，其結(jié)構(gòu)也更容易遭受破壞，因此需對連桿進(jìn)行分析以確定提升動力性后連桿是否仍滿足強(qiáng)度和剛度要求。當(dāng)前，隨著計算機(jī)技術(shù) 的日新月異，有限元技術(shù)在發(fā)動機(jī)零部件設(shè)計和分析中發(fā)揮著越來越重要的作用，因此本文運(yùn)用有限元方法對LJ276M汽油機(jī)的連桿進(jìn)行三維有限元結(jié)構(gòu) 分析，以研究連桿在不同情況下應(yīng)力、應(yīng)變和危險部位。 為此首先建立發(fā)動機(jī)示功圖測取系統(tǒng)以獲取進(jìn)行有限元分析所需的示功圖數(shù)據(jù)，然后以Pro/E為設(shè)計工具，以Pro/MECHANICA和ANSYS為分析平臺，對 LJ276M汽油機(jī)連桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及其性能優(yōu)化設(shè)計。 文中運(yùn)用Pro/E，基于特征建立了連桿的三維實體模型，對連桿實際受力情況、邊界條件和施加載荷進(jìn)行研究后，建立了連桿的有限元分析模型。通 過分析計算，得到其在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下最大壓縮工況和最大拉伸工況的應(yīng)力和位移結(jié)果。改為電控汽油機(jī)后，連桿在最大壓縮工況下，其靜強(qiáng)度安全系數(shù) n=2.059，桿身應(yīng)力集中區(qū)域的最小拉壓疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)n=1.397，兩者均大于其許用值，結(jié)果表明連桿在發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力提高后其靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng) 度滿足要求；然后進(jìn)一步深入研究，對連桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析以確定在滿足優(yōu)化約束條件下連桿的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后電控汽油 機(jī)連桿在最大壓縮工況下最大應(yīng)力值減少4.9，靜強(qiáng)度安全系數(shù)提高5.4，因此優(yōu)化后的連桿工作可靠性得到提高；最后進(jìn)行連桿的模態(tài)分析，得到 其固有頻率和振型，從動態(tài)特性方面判斷連桿工作的可靠性。 7.期刊論文 呂彩琴.蘇鐵熊 4102ZQ柴油機(jī)連桿的改進(jìn)研究 -車用發(fā)動機(jī)2001,“(4) 用有限元法對4102ZQ柴油機(jī)連桿兩種設(shè)計方案(單油孔和雙油孔)的主要部位的應(yīng)力、連桿大頭內(nèi)孔和小頭內(nèi)孔縱橫向的變形進(jìn)行了對比研究;根據(jù) Von Mises屈服條件對連桿進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度校核.結(jié)果表明,兩種方案均可滿足4102ZQ柴油機(jī)增壓的要求,雙油孔方案優(yōu)于單油孔方案. 8.期刊論文 王金元.施紹寧 基于ANSYS的康明斯6CT柴油機(jī)連桿失效分析 -內(nèi)燃機(jī)配件2009,“(6) 柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動是基本均勻的,但活塞連桿組的運(yùn)動極不均勻,伴隨著很大的加減速度,產(chǎn)生超重上千倍的慣性負(fù)荷,對連桿的強(qiáng)度和耐久性影響很大 .本文對康明斯6CT柴油機(jī)連桿進(jìn)行了三維有限元運(yùn)動受力研究,分析導(dǎo)致失效的原因主要是某些區(qū)域的應(yīng)力集中以及在多軸非比例或非同相循環(huán)應(yīng)力的作 用下的疲勞失效.由此,對連桿的生產(chǎn)工藝進(jìn)行一系列的改進(jìn),提高其長期工作的可靠性. 9.期刊論文 王遠(yuǎn).朱會田.曹永晟.盛德號.谷葉水.Wang Yuan.Zhu Huitian.Cao Yongsheng.Sheng Dehao.Gu Yeshui 基于有限元法的發(fā)動機(jī)連桿疲勞強(qiáng)度分析研究 -機(jī)械傳動2010,34(3) 連桿在發(fā)動機(jī)工作過程中承受復(fù)雜的載荷.通過運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析獲得連桿的載荷和邊界條件,建立有限元模型.將復(fù)雜的連桿載荷分解為預(yù)緊工況 、裝配工況、爆壓工況和慣性工況實施有限元計算,對其各種指標(biāo)進(jìn)行評價.將預(yù)緊工況、裝配工況和慣性工況計算結(jié)果疊加,評價桿身與大頭蓋接觸面的 壓力分布.最后采用基于有限元計算結(jié)果的疲勞分析方法獲得連桿的疲勞安全因子分布,評價其疲勞特性.根據(jù)分析結(jié)果對連桿進(jìn)行改進(jìn),獲得了良好的效 果.實踐證明,該方法能有效地指導(dǎo)連桿的設(shè)計工作. 10.學(xué)位論文 郭茂 柴油機(jī)連桿三維有限元接觸分析及改進(jìn) 1998 該文系統(tǒng)地敘述并討論了用有限元方法求解接觸問題的相關(guān)模型和算法;總結(jié)了已有的對連桿工況、工界條件研究工作,建立了連桿詳盡的三維有限 元模