有限元分析及柴油機(jī)連桿的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1、有限元分析及柴油機(jī)連桿的結(jié)構(gòu)改進(jìn)摘要 :在本文中，應(yīng)用ANSYS軟件，采用三維有限元方法分析應(yīng)力分布，安全系數(shù)和連桿的疲勞壽命周期。結(jié)果表明，在最大壓縮的狀態(tài)下， 連桿的小頭端和曲柄的過(guò)渡位置是極具破壞性的。最大應(yīng)力為303MPa，安全系數(shù)為1.24 。在極限條件下，暴露破壞性立場(chǎng)是大端的I 形交叉部分。最大應(yīng)力為118MPa，安全系數(shù)為 3.19 。連桿結(jié)構(gòu)得到改善，并且安全系數(shù)和連桿的疲勞壽命周期增加了。關(guān)鍵詞： 有限元分析；連桿；應(yīng)力分布；安全系數(shù); 疲勞壽命周期導(dǎo)言簡(jiǎn)要介紹連桿是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的重要部件之一。它承擔(dān)各種周期變化的復(fù)雜負(fù)荷。如果它不夠強(qiáng)大，連桿就很容易產(chǎn)生疲勞破壞。正因如

2、此，連桿斷裂。這將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障和嚴(yán)重的結(jié)果。 作為一種有效的分析方法， 有限元分析已廣泛應(yīng)用于連桿 1-7 的設(shè)計(jì)。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展， 農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 單缸發(fā)動(dòng)機(jī)是主要的機(jī)械類(lèi)型，其中之一是 1100 單缸柴油機(jī)。在本文中，應(yīng)用 ANSYS軟件，采用三維有限元方法分析應(yīng)力分布，安全系數(shù)及 1100 單缸柴油機(jī)的連桿的疲勞壽命周期。在分析的基礎(chǔ)上， 連桿的結(jié)構(gòu)得到改善。 安全系數(shù)和連桿的疲勞壽命周期增加，連桿的可靠性增加。.模型的建立連桿的材料為 45 鋼。主要性能參數(shù)見(jiàn)表。建立精確和可靠的計(jì)算模型， 是用有限元分析法分析的關(guān)鍵步驟之一。在分析過(guò)程，有限元分析模型應(yīng)盡可能地

3、根據(jù)實(shí)際建立一個(gè)。 但是，如果對(duì)象的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，它是非常困難的， 甚至是不可能建立與實(shí)際相符的一個(gè)計(jì)算模型。 因此，近似簡(jiǎn)化是必要的。在本文中，連桿大端簡(jiǎn)化。軸瓦，連桿螺栓和連桿瓦被忽略了。大端蓋和連桿機(jī)構(gòu)是作為一個(gè)整體模型。 有限元網(wǎng)格尺寸會(huì)減少元素的質(zhì)量，為了避免有限元網(wǎng)格尺寸和計(jì)算精度相差太大， 簡(jiǎn)化處理小斜邊及圓形珠，這樣幾乎不影響連桿強(qiáng)度。為了確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，運(yùn)用了 10 節(jié)點(diǎn)四面體單元 SOLID92。這種分割模型的方法是自由的網(wǎng)狀分割。 該模型劃分網(wǎng)格劃分方法是免費(fèi)的。 因?yàn)榇朔椒ㄊ亲杂傻氖謩?dòng)控制， 所以它對(duì)網(wǎng)狀分割的結(jié)果的修復(fù)是有必要的。 因此，應(yīng)力集中的部件，比如連桿小頭

4、的過(guò)渡位置及連桿體， 大端的過(guò)渡位置和連桿體的 I 型交叉的內(nèi)側(cè)部分，都應(yīng)進(jìn)行檢查。修補(bǔ)后，有 118143 節(jié)點(diǎn)和 74511 的關(guān)于連桿有限元模型網(wǎng)格。該連桿的網(wǎng)格劃分如圖 1。.載荷當(dāng)連桿工作時(shí)， 定期外力由兩部分組成。 其一是由活塞頂轉(zhuǎn)化成的氣體燃燒壓力，活塞頂壓縮連桿。 另一種是由連桿延伸的活塞連桿高速運(yùn)動(dòng)造成的慣性力，擴(kuò)展移動(dòng)速度造成的。因此，在分析過(guò)程中，主要負(fù)荷是最高燃燒壓力，活塞的慣性力單位和連桿的慣性力單位。燃燒壓力是由氣體燃燒引起的氣體壓力。 它壓活塞， 這將改變力量， 活塞銷(xiāo)連接的連桿小頭。氣體燃燒壓力由公式可以算出（ 1）：(1)凡 Pg 表示氣缸壓力表， D表示氣缸

5、直徑。塞慣性力單元活塞裝置由活塞，活塞環(huán)，活塞銷(xiāo)，活塞銷(xiāo)卡簧組成?；钊麊挝坏馁|(zhì)量是所有部件的質(zhì)量總和。活塞慣性力單元在活塞銷(xiāo)上進(jìn)行工作。并通過(guò)活塞銷(xiāo)把慣性力傳遞到連桿上。慣性力的計(jì)算方程式為：（ 2）(2)代表活塞單元質(zhì)量， R代表曲柄半徑， 代表曲柄的角速度， 代表曲柄的連接比例。連桿慣性力單元連桿單元由連桿柄，大頭蓋，軸承殼、螺栓和接頭組成。連桿單元的質(zhì)量就是這幾部分的總和。 為了使計(jì)算簡(jiǎn)單， 連桿的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，它的質(zhì)量可分為兩個(gè)部分。一部分集中在連桿的小頭端上，連桿通過(guò)活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。另一部分集中在連桿的大頭端上， 連桿通過(guò)曲柄進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 因此，連桿慣性力由小頭端上的往復(fù)

6、慣性力和大頭端上的旋轉(zhuǎn)慣性力組成。 小頭端上的往復(fù)慣性力計(jì)算公式為 (3):(3)大頭端上的旋轉(zhuǎn)慣性力公式為(4):(4)m1表示連桿小頭端的質(zhì)量， m2表示連桿大頭端的質(zhì)量， R代表曲柄半徑， 代表曲柄的角速度， 代表曲柄的連接比例。 連桿的計(jì)算由兩種狀態(tài)組成， 最大拉伸狀態(tài)和最大壓縮狀態(tài)。 其載荷主要集中在內(nèi)表面的大頭和小頭端， 其分布式由二級(jí)軸線(xiàn)拋物圖和根式余弦圖組成。安全系數(shù)的計(jì)算公式為 (5):(5)表示屈服極限， 表示應(yīng)力幅， 代表表面粗糙度， 代表疲勞壽命因素， 代表平均應(yīng)力。IV. 結(jié)果與討論圖 2 所示，是連桿在最大張力狀態(tài)下的應(yīng)力分布圖。 結(jié)果顯示，連桿的應(yīng)力值是最大的，其

7、主要在大頭端的工字型截面上。 而且應(yīng)力也明顯集中在小頭端和連桿曲柄的過(guò)渡位置。 連接曲柄上的應(yīng)力稍微大一點(diǎn)， 但它的分布相當(dāng)均勻。 連桿的最大應(yīng)力是 118MPa，小于連桿材料的屈服極限。安全系數(shù)是 3.19 。圖 3 所示，是連桿在最大壓縮狀態(tài)下的應(yīng)力分布圖。 結(jié)果顯示，連桿曲柄的工字型截面上承受較大的壓縮應(yīng)力。 那么明顯的破壞性位置就在小頭端和連桿曲柄的過(guò)度段。其最答應(yīng)力是 303MPa安.全系數(shù)是 1.24. 整個(gè)連桿的安全系數(shù)也是1.24 ，這個(gè)系數(shù)要大于連桿設(shè)計(jì) 1.2 的要求值。因此，連桿符合設(shè)計(jì)的要求。由交替壓力導(dǎo)致的連桿斷裂稱(chēng)之為疲勞。 所需要的應(yīng)力循環(huán)值導(dǎo)致的連桿斷折稱(chēng)之為疲

8、勞壽命周期。在本文中 , 運(yùn)用 ANSYS方法對(duì)連桿疲勞壽命周期進(jìn)行了分析。結(jié)果表明疲勞壽命周期是 8.3 。說(shuō)明連桿的疲勞抗力是可以的。V連桿結(jié)構(gòu)的改進(jìn)整個(gè)連桿的安全系數(shù)是1.24 ，這個(gè)值要比設(shè)計(jì)的安全值略高。為了提高兩岸的可靠性， 必須采取一些改進(jìn)。 根據(jù)以上的分析結(jié)果， 應(yīng)力的主要集中在連桿的小頭端和曲柄的過(guò)渡部分和大頭端的工字型交叉部分。因此，提高這兩個(gè)部分的結(jié)構(gòu)是很有必要的。改進(jìn)主要集中于三個(gè)部位， 連桿小頭端和曲柄的節(jié)點(diǎn)，大頭端工字型截面的倒棱 大頭端工字型截面的邊緣倒棱 。圖表二是改進(jìn)后的方案和計(jì)算結(jié)果。如表中所示的改進(jìn)方案1，在最大拉伸狀態(tài)下的最大應(yīng)力大大降低，但是在最大壓縮

9、轉(zhuǎn)臺(tái)下的最大應(yīng)力卻很難改變，這樣，疲勞壽命的周期就大大提高，如表中所示的改進(jìn)方案2，如圖 4 和 5 所示，在最大拉伸狀態(tài)下和最大壓縮狀態(tài)下最大應(yīng)力會(huì)很快下降。疲勞壽命的周期很明顯提高其穩(wěn)定值是 。在方案 3 中，應(yīng)力很難發(fā)生改變，它的安全系數(shù)和方案 2 一樣。根據(jù)分析的目的 , 連桿應(yīng)該最輕 , 耐最小應(yīng)力并有最大的疲勞壽命周期。 綜合進(jìn)行分析后，方案 2 是最佳選擇。因?yàn)樵诜桨?2 中，和未改進(jìn)前的數(shù)據(jù)相比， 應(yīng)力能夠大大降低， 疲勞壽命周期就會(huì)大大提高，方案 3 中, 在某種程度上 , 雖然疲勞壽命周期也增加了，修改后的結(jié)構(gòu)尺寸相比其原有的值和形狀也發(fā)生了巨大的變化。所以方案2 是最好的

10、。VI. 總結(jié)在最大壓縮的狀態(tài)下，連桿的小頭端和去曲柄的過(guò)渡位置是極具破壞性的。最大應(yīng)力是 303MPa在.最大拉伸狀態(tài)下，連桿大頭端的工字型交叉處是極具破壞性的。最大應(yīng)力是 118MPa整.個(gè)連桿的安全系數(shù)是1.24.疲勞壽命中周期是8.3 。通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后， 其最大應(yīng)力明顯降低， 安全系數(shù)和疲勞壽命周期都行應(yīng)提高。方案 2是連桿結(jié)構(gòu)改進(jìn)的最佳選擇。出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂， 今天下三分， 益州疲弊， 此誠(chéng)危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報(bào)之于陛下也。誠(chéng)宜開(kāi)張圣聽(tīng)，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮

11、中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良實(shí)，志慮忠純，是以先帝簡(jiǎn)拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無(wú)大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)櫍孕惺缇瑫詴耻娛?，試用于昔日，先帝稱(chēng)之曰愚以為營(yíng)中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所?！澳?”，是以眾議舉寵為督：親賢臣，遠(yuǎn)小人，此先漢所以興隆也； 親小人， 遠(yuǎn)賢臣，此后漢所以?xún)A頹也。 先帝在時(shí)，每與臣論此事， 未嘗不嘆息痛恨于桓、 靈也。侍中、尚書(shū)、長(zhǎng)史、參軍，此悉貞良死節(jié)之臣，愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計(jì)日而待也。臣本布衣，躬耕于南陽(yáng)，茍全性命于亂世，不求聞達(dá)于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當(dāng)世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。后值傾覆，受任于敗軍之際，奉命于危難之間，爾來(lái)二十有一年矣。先帝知臣謹(jǐn)慎，故臨崩寄臣以大事也。受命以來(lái)，夙夜憂(yōu)嘆，恐托付不效，以傷先帝之明；故五月渡瀘，深入不毛。今