基于ANSYS的活塞連桿強(qiáng)度分析

楊彬 王德吉 李源源 張旭

摘 要:以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿為研究對象,利用Pro/E軟件建立了連桿的三維實(shí)體模型,在ANSYS軟件中,根據(jù)其在實(shí)際工況下的邊界載荷條件,在連桿內(nèi)孔上施加余弦分布荷載,研究連桿桿身應(yīng)力分布狀態(tài),為連桿組件的實(shí)際設(shè)計(jì)提供理論參考。

關(guān)鍵詞:活塞連桿余弦載荷應(yīng)力分布ANSYS

中圖分類號(hào):TK4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)06(a)-0072-01

Abstract:In order to study the diesel piston connecting rod,the 3–D solid model was built in the Pro/E software.The strength analysis was made under the practical loading with ANSYS software,so as to study its stress distribution and provide theoretical reference for innovative design of connecting rod assembly.

Key Word:piston connecting rod;static analysis;ANSYS

連桿機(jī)構(gòu)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分,由連桿體和連桿通過連桿螺栓連接而成。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),連桿承受大小、方向都隨時(shí)間變化的燃?xì)鈮毫σ约白陨淼膽T性力,將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),將作用于活塞頂上的氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的扭矩并對外做功。在強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗沖擊性以及可靠性方面都有很高的要求,因而,應(yīng)力分析、應(yīng)變分析和位移分析是連桿設(shè)計(jì)過程中不可缺少的環(huán)節(jié)。在有限元的計(jì)算過程中,影響計(jì)算結(jié)果的主要因素是幾何和載荷的邊界條件的確定。早期的連桿計(jì)算過程中簡化了模型參數(shù)、邊界條件和載荷,計(jì)算結(jié)果雖具有一定的參照價(jià)值,但是相對實(shí)際情況較為粗糙。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,有限元軟件的功能更加完善了,能夠更加精確的模擬連桿承受拋物線規(guī)律的載荷,實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有實(shí)際意義。利用有限元法對機(jī)械零件模擬分析,節(jié)省了試驗(yàn)周期,節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。

1 靜力分析的有限元方程

靜力分析在有限元分析過程中是必不可少的一個(gè)步驟,主要是為了確定機(jī)械零部件的強(qiáng)度,即最大應(yīng)力應(yīng)變,是靜載荷設(shè)計(jì)的重要參數(shù),也是進(jìn)行疲勞斷裂分析的基礎(chǔ)。有限元法是把連續(xù)介質(zhì)離散成有限個(gè)單元,每一個(gè)單元設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn),單元體只在節(jié)點(diǎn)上相互聯(lián)系,選定場函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量,并在單元中設(shè)置插值函數(shù)表示場函數(shù)的分布規(guī)律,利用變分原理建立用以求解節(jié)點(diǎn)未知量的有限元方程,從而將一個(gè)連續(xù)域中的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散域有限自由度問題。靜力分析的基本方程如下:

{F}=[k]{δ}

{F}—集成整體節(jié)點(diǎn)載荷向量

[k]—集成整體剛度矩陣

{δ}—節(jié)點(diǎn)位移矩陣

2 連桿的有限元模型

(1)設(shè)計(jì)參數(shù)

連桿組的總質(zhì)量m1=2074g,連桿曲柄半徑R=58.5mm,中心距L=125mm,活塞組的總質(zhì)量m2=1670g,標(biāo)定轉(zhuǎn)速n1=2600r/min,最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速n2=1800r/min,氣缸直徑D=108mm,氣體最大爆發(fā)壓力P=9MPa。

該發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的材料為40Cr,彈性模量E=206GPa,泊松比μ=0.28,屈服極限σS=785MPa,安全系數(shù)取n=2,許用應(yīng)力[σ]=393MPa。

(2)有限元模型的建立

首先采用Pro/E軟件建立活塞連桿的三維實(shí)體模型,然后通過Pro/E與ANSYS的無縫集成,將模型導(dǎo)入ANSYS中,并進(jìn)行靜力強(qiáng)度分析計(jì)算。這種方法保持了導(dǎo)入模型的完整性,方便修改模型參數(shù),減少了直接在ANSYS中建模的巨大工作量,使分析過程方便快捷。采用三維solid45單元對連桿進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分,并細(xì)化大小端與桿身連接的過渡圓角部位,整個(gè)模型被離散化。

(3)載荷分布

連桿運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力是周期變化的,在進(jìn)行靜力分析時(shí),采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模擬分析方法,把連桿的受力狀況固定在工況最惡劣的連桿自身慣性力引起的最大拉伸工況和最大燃?xì)獗l(fā)壓力引起的最大壓縮工況。這兩種載荷作用在大小頭孔的內(nèi)表面,作用方向通過軸心連線,沿軸線方向呈拋物線分布,沿徑向方向按余弦規(guī)律分布。

(4)邊界條件

邊界條件的確定對有限元的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生重要影響,因此確保其與實(shí)際工況相吻合是至關(guān)重要的。連桿大頭孔與曲軸相連接,保留大頭孔繞中心的旋轉(zhuǎn)自由度,約束其它自由度。連桿小頭孔與活塞銷相接觸,保留小頭孔繞中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和沿汽缸方向的移動(dòng)自由度,約束其它自由度。

3 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

選取發(fā)動(dòng)機(jī)連桿在最大拉伸工況下的靜力分析,利用ANSYS提取最大位移和應(yīng)力值作為靜力分析的目標(biāo)。

再選取發(fā)動(dòng)機(jī)連桿在最大壓縮工況下的靜力分析,利用ANSYS提取最大壓縮時(shí)的等效合成位移。

最大應(yīng)力部位位于連桿小頭孔與桿身的連接處,σmax=276MPa,許用應(yīng)力[σ]=393MPa,可見連桿受拉工況下的靜力強(qiáng)度足夠。

4 結(jié)語

利用ANSYS模擬的計(jì)算結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本相同,即最大應(yīng)力出現(xiàn)在連桿小頭與桿身的連接處,說明利用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)是正確可行的。因此,ANSYS應(yīng)力應(yīng)變分析可以為設(shè)計(jì)者在選擇發(fā)動(dòng)機(jī)連桿材料、活塞壓力等參數(shù)時(shí)提供重要的參考;通過軟件模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法優(yōu)化參數(shù),對進(jìn)一步提高連桿的強(qiáng)度、設(shè)計(jì)精度、節(jié)省材料、提高經(jīng)濟(jì)效益具有一定的參考意義。

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