汽車發(fā)動機連桿的有限元分析

1、汽車發(fā)動機連桿的有限元分析劉顯玉(遼寧科技學院機械工程系,遼寧本溪 117022摘要:采用基于ANSYS軟件開發(fā)的有限元模擬系統(tǒng),并利用網(wǎng)格重劃技術,對汽車發(fā)動機連桿桿身截面進行了彈、塑性力的有限元模擬,得到了變形過程中的應力場、應變場的分布,為進行發(fā)動機連桿的結(jié)構(gòu)分析建立了基礎.關鍵詞:汽車;發(fā)動機;連桿;有限元中圖分類號:TK4 文獻標識碼:A 文章編號:1005-8354 (2005 03-0009-03Finite Element Analysis of Automobile Engine Connecting RodsLIU Xian-yu(Mechanical Engineerin

2、g Faculty, Liaoning Science and Technology Institute, Benxi 117022, ChinaAbstract:This article adopts the finite-element simulation system based on the ANSYS software. By means of technology of grid rewriting, the finite-element simulation of the stress of elasticity and plasticity for the body sect

3、ion of automobile engines connecting rod is made to gain distributing of the stress and strains field and build the base of structure analysis of automobile engine connecting rods. Key words:automobile;engine; connecting rod; finite-element1 引言2 有限元的基本原理和特點有限元方法是近似求解一般連續(xù)域問題的數(shù)值方法.它最先應用于結(jié)構(gòu)的應力分析,很快就廣泛應

4、用于求解熱傳導、電磁場、流體力學等連續(xù)問題.對于一個連續(xù)體的求解問題,有限單元法的實質(zhì)就是將具有無限多個自由度的連續(xù)體,理想化為只有有限個自由度的單元集合體,單元之間僅在節(jié)點處相連接,從而使問題簡化為適合于數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)型問題.工程設計人員使用這些系統(tǒng),就可以高效而正確合理地確定最佳設計方案.概括而言,有限元法的幾個主要特點有:(1有限元法的基本思想是“離散化”.(2有限元法的物理概念十分清晰,容易為工程技術人員所理解.(3有限元法引入邊界條件的辦法簡單.(4有限元法不僅適用于復雜的幾何邊界條收稿日期:2005-03-11作者簡介:劉顯玉(1967-男,碩士,研究方向:內(nèi)燃機檢測與故障診斷.機

5、電設備 2005年第3期總第24卷 9 件,而且能夠處理各種復雜的材料性質(zhì)問題.(5有限元法必須求解一個大型代數(shù)方程組,用人工求解幾乎是不可能的.(6有限元法的計算機軟件是通用的.3 連桿的工作條件6110柴油機連桿為斜切口合金鋼模鍛件,然后經(jīng)機械加工和熱處理完成.連桿大端、連桿蓋通過螺栓及其預緊力與連桿緊緊結(jié)合在一起;桿身的橫截面呈“工”字形,且與連桿大、小端圓滑過渡,整個連桿呈上下對稱及左右對稱結(jié)構(gòu).在標定工況下,發(fā)動機連桿的運動是隨活塞的平移和繞活塞銷擺動兩種運動的復合運動.連桿在運動的過程中,一般承受的載荷有氣缸爆發(fā)壓力、往復慣性力和螺栓預緊力等,連桿大端還承受旋轉(zhuǎn)慣性力的作用.圖1為

6、6110柴油機曲柄連桿機構(gòu)簡圖,其曲軸回轉(zhuǎn)中心線和活塞銷中心線均與氣缸中心線相交. 圖1 連桿機構(gòu)運動簡圖連桿在工作中主要受到以下四種力的作用:(1作用于活塞的氣體作用力;(2活塞組件的慣性力活塞組件中所有零件(包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷、活塞銷卡環(huán);(3連桿慣性力;(4預緊載荷連桿螺栓裝配預緊力和連桿襯套過盈裝配產(chǎn)生的預緊力.在有限元分析時,根據(jù)力的作用效果,主要考慮以下三種載荷的作用:預緊載荷、最大慣性力、最大爆發(fā)壓力.連桿工作時,承受的應力是周期性變化的.一般情況下,應選擇連桿承受最大拉力和最大壓力兩情況進行分析,以便得到兩情況下的應力和變形分布情況,同時利用此計算結(jié)果來近似地進行連桿疲勞

7、強度的計算,為其改進和設計提供可靠的依據(jù).最大拉伸情況發(fā)生在活塞運動到排氣沖程終了的上止點位置,此時連桿主要承受其它零件及其本身的最大慣性力;最大壓力情況發(fā)生在膨脹沖程開始的上止點位置附近,此時連桿主要承受缸內(nèi)燃氣的爆發(fā)壓力以及零件運動的慣性力.在連桿的有限元計算中,處理作用于連桿上的載荷是一件極為重要的工作.由于作用于連桿上的載荷系統(tǒng)一般都比較復雜,特別是某些載荷沿邊界的分布規(guī)律難以用理論或測量的方法來確定,而往往是采用一些假定的分布規(guī)律來模擬.因此如何正確地模擬這些載荷的分布規(guī)律,是有限元法計算中不容忽視的問題.4 發(fā)動機連桿的有限元計算由于連桿工作時的危險點常在連桿大、小端與桿身的過渡處

8、,按二維平面問題進行建模,將其簡化為平面應力問題來計算,則“工”字形梁的結(jié)構(gòu)就會發(fā)生改變,其承受載荷的能力必然也要受到影響,最終導致分析的結(jié)果與實際結(jié)果有很大偏差,況且丟掉大端蓋不利于對連桿整體進行應力應變的研究分析,也不利于后續(xù)研究工作的開展,從而進一步造成分析結(jié)果不周全的缺憾.相比較而言,若采用三維立體建模,可以顯著改進二維平面有限元分析的不足,同時以均布面載荷模擬通過螺栓頭和螺母分別作用于桿身和大端蓋接觸面上的力螺栓預緊力,用多點約束處理桿身與大端蓋的接觸面來近似模擬其力學接觸狀態(tài),以限制剛體某自由度上應力與位移,模擬更加真實,提高了分析結(jié)果的可信度.連桿結(jié)構(gòu)的離散化可采用三角形單元.在

9、連桿常發(fā)生破壞的小端過渡圓弧處,桿身與大、小端過渡處、大端蓋兩側(cè)夾角處以及桿身的工藝凸臺兩則 10 V ol.24, No.3, 2005 Mechanical and Electrical Equipment應加密網(wǎng)格,把這些部位的單元劃分得小一些,以提高應力集中區(qū)域的計算精度.由于連桿小端的銅質(zhì)襯套和鋼質(zhì)連桿具有不同的彈性常數(shù),小端和桿身的工字形截面又有不同的厚度,故把彈性常數(shù)和厚度的突變線劃成了單元的邊界線.在連桿大、小端軸孔處邊界單元的大小,將影響到軸承負荷向邊界節(jié)點移植結(jié)果的精度,采取沿軸孔按每10或15劃分一個節(jié)點,可基本滿足計算要求.圖2、圖3和圖4分別是發(fā)動機連桿的有限元計算模

10、型和拉應力、壓應力分布圖.圖2 發(fā)動機連桿的有限元計算模型.圖3 發(fā)動機連桿的拉應力分布圖 圖4 發(fā)動機連桿的壓應力分布圖 5 結(jié)論(1有限元方法是工程設計、開發(fā)領域中一種實用、可靠的方法.(2在有限元分析中,科學的力學模型、準確的邊界條件約束決定著分析結(jié)果的準確度.(3連桿應力計算中載荷施加的均勻性、對稱性和準確性對桿身、大端和小端過渡區(qū)的應力計算結(jié)果有很大的影響.(4連桿大、小端與桿身的過渡區(qū)是應力最嚴重的地方,為減少應力集中,在設計連桿時,小端孔不僅要有足夠的壁厚外,還要使小端與桿身的過渡圓角在合理的范圍內(nèi)盡量大些. 參考文獻:1 劉濤,楊風鵬等.精通ANSYSM.北京:清華大學出版社,2002.2 鄧兆祥,胡玉梅等.N485柴油機連桿靜強度有限元分析J.內(nèi)燃機,2001(2.3 Hiroyuki Tsuzuku,Naoki Tsuchida. An experimentalstudy of connecting rod big ends Z. SAE Paper950202.日本科學家發(fā)明“機器人服”日本科學家最近發(fā)明了一種代號為HAL-5的“機器人服”。穿上這身獨特