汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿有限元分析

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿有限元分析

0有限元法在連續(xù)工段設(shè)計(jì)中的應(yīng)用作為車(chē)輛的主要部件，墓志銘在工作過(guò)程中承擔(dān)著不可避免的變化。如果強(qiáng)度和剛度不足，就會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，甚至嚴(yán)重事故。因此，它對(duì)強(qiáng)度提出了很高的要求。以往的連桿設(shè)計(jì)是靠經(jīng)驗(yàn)及參考資料,沒(méi)有合理的設(shè)計(jì)依據(jù),而有限元法作為一種有效的分析方法,在連桿設(shè)計(jì)中已得到廣泛的應(yīng)用。首先采用UG軟件對(duì)某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿進(jìn)行實(shí)體建模,然后采用ANSYS軟件對(duì)連桿進(jìn)行有限元分析,根據(jù)分析結(jié)果,從應(yīng)力云圖來(lái)獲取在危險(xiǎn)工況下連桿應(yīng)力的分布情況,從而為連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供合理的依據(jù)。1采用分布式開(kāi)元模型1.1連續(xù)元素連環(huán)的分析傳統(tǒng)的方法一般采用連續(xù)體模型對(duì)連桿進(jìn)行分析,這種方法具有明顯的缺陷,因?yàn)檫@樣必然將連桿的所有組件認(rèn)為是緊密融合在一起的,而連桿是由各個(gè)分離的組件組裝而成的,包括連桿體、襯套、軸瓦、連桿蓋及連桿螺栓等。各部件之間存在許多配合面,接觸狀態(tài)非常復(fù)雜,對(duì)連桿的強(qiáng)度分析有很大影響,如果不考慮這些因素,計(jì)算結(jié)果會(huì)跟實(shí)際情況有相當(dāng)大的差距,近乎于錯(cuò)誤。考慮到這些因素,根據(jù)連桿體和連桿蓋之間的接觸方式,將二者用接觸單元連為一個(gè)整體。而襯套、軸瓦、螺栓對(duì)連桿的作用將以連接預(yù)緊力的形式作用于連桿體及連桿蓋上。1.2ys軟件的分析采用UG軟件來(lái)完成建模,建好的模型以model格式導(dǎo)入ansys軟件。圖1為連桿的三維視圖?；谶B桿在幾何形狀上的對(duì)稱(chēng)性,采用1/2連桿模型進(jìn)行分析,可以節(jié)省大量計(jì)算機(jī)內(nèi)存,把這些內(nèi)存用于劃分網(wǎng)格中,可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。如圖2為連桿1/2模型。2聯(lián)合元分析2.1進(jìn)口壓力下的應(yīng)力分析發(fā)動(dòng)機(jī)工作的過(guò)程中,連桿小端隨活塞作往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),大端隨曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),而連桿體本身為平動(dòng)。通過(guò)分析可以得出,連桿的最大載荷出現(xiàn)在進(jìn)氣沖程的上止點(diǎn)附近,此時(shí)產(chǎn)生最大拉應(yīng)力,膨脹沖程的上止點(diǎn)附近此時(shí)產(chǎn)生最大壓應(yīng)力,因此選擇這兩個(gè)位置進(jìn)行應(yīng)力分析。工況1:連桿受活塞組的慣性力作用、連桿自身的擺動(dòng)慣性力、連桿小頭襯套和大頭軸瓦的徑向裝配應(yīng)力和連桿大頭所承受的螺栓預(yù)緊力;工況2:連桿載荷包括活塞組的慣性力、連桿自身的擺動(dòng)慣性力、小頭上承受的燃?xì)鈮毫?、連桿小頭襯套和大頭軸瓦的徑向裝配應(yīng)力和連桿大頭所承受的螺栓預(yù)緊力。2.2gp比該連桿材料為中碳鋼,密度為7850kg/m3,楊氏模量為210GPa,泊松比為0.3。由于連桿形狀復(fù)雜且不規(guī)則,因此采用高階四面體單元Solid92,進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分,共有159669個(gè)單元,247821個(gè)節(jié)點(diǎn),圖3為1/2連桿網(wǎng)格劃分圖。2.3限制條件和負(fù)荷處理2.3.1接觸約束桿方向的施加因所選模型為1/2連桿,故在連桿的對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束,約束連桿在Z方向平移和在X,Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng),并選取2個(gè)節(jié)點(diǎn)約束住X,Y方向的平移和Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。工況1時(shí),在連桿大頭內(nèi)孔下部的120°施加Y向約束;工況2時(shí),在連桿大頭內(nèi)孔上部的120°施加Y向約束。2.3.2連續(xù)工段載荷受載關(guān)系(1)螺栓預(yù)緊力:螺栓作為承載體系的一部分,作用是拉緊大端和大端蓋,其預(yù)緊力可采用以下公式計(jì)算:M=0.2P0dM×10-2式中M——螺栓擰緊力矩;計(jì)算得螺栓預(yù)緊力約為3758.6N。(2)連桿小頭孔的載荷沿軸線(xiàn)方向按二次拋物線(xiàn)分布,沿孔圓周方向在120°范圍內(nèi)按余弦規(guī)律分布,而連桿大頭孔與曲柄銷(xiāo)接觸角為120°,載荷同樣按余弦規(guī)律分布。假設(shè)所受載荷曲線(xiàn)方程為而軸向受力長(zhǎng)度為2l,當(dāng)x=0時(shí),p=pmax,故c=pmax。而當(dāng)x=-l,l時(shí),p=0,這樣可以得出a=-pmax/l2,b=0。則作用在軸頸上的總載荷為:則沿軸頸圓周方向有px,θ=pxcos3θθ/2θ(3)連桿小頭與襯套,大頭與軸瓦之間,由于過(guò)盈裝配存在預(yù)緊力,通過(guò)計(jì)算可得出連桿小頭預(yù)緊力約為211.52N,連桿大頭預(yù)緊力約為70.25N。2.3.3桿最大受拉和最大充壓兩種工況下應(yīng)力云圖使用ANSYS軟件,定義材料屬性,并施加必要的位移邊界條件和力邊界條件,進(jìn)行求解后,可以得出連桿在最大受拉和最大受壓兩種工況下的應(yīng)力云圖,如圖4和圖5所示。從應(yīng)力云圖可以看出,連桿在最大受拉工況下的最大應(yīng)力在連桿大頭頂部,以及連桿大頭和連桿蓋用螺栓連接處,還有連桿小頭底部油孔處,而在最大受壓工況下最大應(yīng)力發(fā)生在連桿小頭孔下部的油孔處,同時(shí)連桿大小頭和桿身過(guò)渡處應(yīng)力也相對(duì)集中。3高速推廣連桿的設(shè)計(jì)步驟及建議基于連桿在兩種受力工況下的應(yīng)力集中情況,可以得出連桿在工作過(guò)程中主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先保證連桿具有足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度,不能簡(jiǎn)單依靠加大結(jié)構(gòu)尺寸,因?yàn)檫B桿重量的增加勢(shì)必導(dǎo)致慣性力增加,下面對(duì)連桿的設(shè)計(jì)提出幾點(diǎn)建議。(1)連桿材料的選擇要保證在結(jié)構(gòu)輕巧的條件下有足夠的剛度和強(qiáng)度,一般可選中碳鋼、中碳合金鋼、球墨鑄鐵、鑄鋁合金等。(2)連桿桿身應(yīng)具有足夠的斷面積,因?yàn)檫B桿在高速擺動(dòng)時(shí)的橫向慣性力會(huì)使連桿彎曲變形。一般高速內(nèi)燃機(jī)的連桿桿身斷面是工字形的,考慮慣性力依不同連桿截面的變化,從小頭到大頭截面逐漸加大。(3)連桿大頭蓋的內(nèi)徑和寬度與連桿大頭一致。連桿大頭蓋主要考慮的是剛度問(wèn)題,對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī),其承受慣性載荷,因此可以在連桿蓋上設(shè)置加強(qiáng)筋,有單筋和雙筋兩類(lèi)。(4)連桿螺栓在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先滿(mǎn)足具有足夠的抗拉強(qiáng)度,在預(yù)緊力和工作載荷下不產(chǎn)生塑性變形,而且要有足夠的耐疲勞載荷能力,沒(méi)有應(yīng)力集中,因此可采用細(xì)牙螺紋,螺栓剛度要小于被聯(lián)接件的剛度。4在最大壓力工況下,連(1)在連桿的最大受拉工況下,連桿大頭與連桿蓋的螺栓連接處應(yīng)力較為集中,在連桿的最大受拉和受壓兩種工況下,連桿小頭都是應(yīng)力集中的主要位置,在最大受壓工況下,連桿大小頭與桿身的連接處應(yīng)力集中。(2)針對(duì)這些情況對(duì)連桿的設(shè)計(jì)提出一些建議,從連桿材料及設(shè)計(jì)特點(diǎn)出發(fā),旨在增強(qiáng)連桿的剛度