利用ANSYS 軟件對汽車發動機連桿進行靜力學分析

顏愛平 余以道

（1.湖南理工職業技術學院，湖南 湘潭 411104；2.湖南科技大學，湖南 湘潭 411104）

連桿是汽車發動機的重要構件和主要運動件［1］，其承受交變工作載荷，受載情況比較復雜。 本文只對連桿進行靜力學分析。

1 ANSYS 有限元分析法簡介及其分析過程

ANSYS 是由美國ANSYS 公司開發， 具有結構， 流體，電場，磁場，聲場分析的大型有限元分析軟件[2]。 ANSYS 有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，應用于航空航天、汽車工業、生物醫學、橋梁、建筑、電子產品、重型機械、微機電系統、運動器械等工業領域。

ANSYS 軟件是一個功能強大的有限元計算分析軟件包，主要包括三個部分[2]：前處理模塊、求解模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；求解模塊包括結構分析(結構線性分析、結構非線性分析和結構高度非線性分析)、熱分析、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏分析及優化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。ANSYS 軟件提供了100 種以上的單元類型[2]，用來模擬實際工程中的各種結構和材料。

ANSYS 分析過程如下：

(1)創建有限元模型：包括創建或讀入幾何模型、定義單元類型、定義單元實常數、定義材料屬性、定義幾何參數及有限元網格劃分。

(2)施加載荷進行求解：包括施加載荷、邊界條件和進行求解計算。

(3)查看求解結果：包括結果的觀察、分析和檢驗。

ANSYS 軟件中的結構靜力分析是用來計算在固定不變的載荷下結構的響應，即由于穩態外載荷引起的系統或部件的位移、應力、應變和力。 同時結構靜力分析還可以計算那些固定不變的慣性載荷以及那些可以近似等價為靜力作用的隨時間變化的載荷對結構的影響。

在結構靜力分析過程中， 一般都假定載荷和響應固定不變，或假定載荷和結構的響應隨時間的變化非常緩慢。

2 利用ANSYS 有限元法對汽車連桿進行靜力學分析

2.1 汽車連桿的主要參數

材料為40Cr，彈性模量為206Gpa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。

2.2 定義單元類型［2］

定義單元類型是指定分析對象的特征， 主要包括三個基本類型的常數定義。 連桿單元類型選擇為Structural Solid，Brink 8node185。

2.3 創建幾何模型［3］

采用自底向上的建模方法建立連桿的幾何模型， 建立的幾何模型如下圖1。

圖1 汽車連桿幾何模型

2.4 網格劃分

利用ANSYS 軟件中的Mesh 命令對連桿模型進行網格劃分，網格劃分按等級6 劃分，劃分后的模型如下圖2 所示。

圖2 連桿模型網格劃分

2.5 加載求解［4］

在連桿工作過程中， 一般是在活塞經過上止點后約10°～20°曲軸轉角時，氣體壓力達到最大。 由發動機的示功圖可知，在曲軸轉角15°時氣體壓力最大，由公式sinβ=(R/l)sinα(其中，β為連桿的擺角，α 曲軸的轉角；R 為曲軸半徑，l 為連桿長度)，經過計算得到連桿的擺角為4.6°。 由于此時連桿受到活塞銷給予的壓力以及慣性力的合力已經不完全與連桿長度方向上的軸線平行，而且在實際工作時，連桿位移的受限是由大小頭接觸處節點自由度被限制所造成的。 因此，應該約束此處節點的部分自由度。

具體約束是在小頭接觸區， 保留沿氣缸長度方向上的移動和繞小頭孔中心線的轉動自由度，其他自由度給予約束。 在大頭與曲軸銷的接觸區保留繞大頭孔中心線的轉動自由度，其他自由度予以約束。

靜態計算中載荷的處理。 連桿在工作過程中受到氣缸內氣體壓力、連桿的往復慣性力和旋轉慣性力、活塞往復慣性力等作用。 氣缸內氣體的壓力和慣性載荷是周期載荷，它隨著時間的變化而變化。 載荷的施加方式對連桿的局部應力有著重要的影響。本文僅對連桿進行靜力學分析，為了方便，ANSYS 軟件中采用Solution 命令對連桿進行加載， 采用沿著連桿小頭內孔朝內的一半處均勻分布載荷1000Pa，在連桿大頭處內孔所有節點在X、Y、Z 方向約束。

2.6 求解并查看結果

(1)變形位移圖，如圖3。 由圖3 得出，最大位移為DMX=0.178E-05，發生在連桿小頭圓孔處。

圖3 變形位移圖

(2)節點等效應力分析圖，如圖4。 由于在連桿小頭內孔朝內的一半處分布的是均勻載荷， 得到的是節點等效應力分析圖。 由圖得出，節點等效應力最小值為0.046401MPa，節點的等效最大應力為2194Mpa，在連桿小頭圓孔處。

圖4 節點等效應力分析

2.7 結論

連桿小頭在施加均布載荷后， 其最大位移與最大應力通過ANSYS 有限元法分析得出如下結論：

(1)最大位移出現在連桿小頭圓孔處，值為0.178E-05mm,然后逐漸向內遞減，到連桿大頭圓孔處為最小位移。

(2) 最大應力出現在活塞與小頭圓孔接觸處， 值為2194MPa，是整個連桿最危險的部位，應采取相應的措施進行表面處理，以提高連桿的抗拉壓強度。 措施如下：1)提高調質熱處理質量；2)連桿采用鑄鐵材料時一般經過表面噴丸等技術處理；3)采用高強度冶金粉末鍛造連桿，其抗拉強度可達1000MPa 以上。

[1]陳家瑞.汽車構造[M].北京:機械工業出版社，2005

[2] 張朝暉主編.ANSYS11.0 結構分析工程應用實例解析.北京:機械工業出版社，2008.01

[3]程選生，張少波主編.彈性力學與有限元法教程.北京:中國計量出版社，2008.03

[4]岳東鵬，苗德華，張伯俊主編.車用發動機連桿有限元分析［J］.學院學報.2007.06，17(2)