发动机连杆的有限元分析

发动机连杆的有限元分析摘 要连杆作为发动机结构中一个重要构件，其作用是将活塞的往复直线运动变成曲轴的旋转运动，并在活塞和曲轴之间传递作用力。连杆在工作中经受拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的作用。一个重量轻而且具有足够强度的连杆对现代发动机设计起到举足轻重的作用 。本文参考了 CA4110 柴油机的相关参数，对四缸柴油机的连杆进行了结构设计和力学分析。应用Pro/E 软件进行建模，以 ANSYS Workbench 软件为平台，对连杆模型进行有限元分析。为了能更好地保证精度，使边界条件和载荷与工程实际情况相符合，并考虑了各种受力情况，进行了静力学分析、模态分和谐响应分析。静力学分析表明连杆最大应力值小于材料屈服强度极限，即符合强度要求。动态的模态分析，不仅从静态上保证了连杆的强度，同时也了解了连杆的动态的振动特性。连杆在不同固有频率下振型不同，在第四阶振型时易失效，并且在发动机工作时应该尽量避开各阶的固有频率。谐响应分析表明，结构在 2400Hz 的响应最剧烈，可导致弯曲失稳的位移最大。关键词: 发动机连杆；有限元分析；模态分析；谐响应分析Finite element analysis of engine connecting rodAbstractConnecting rod as an important component in the engine structure, its function is to the reciprocating linear motion of the piston into the rotation of the crank movement, and between the piston and the crankshaft transfer reaction. Connecting rod subjected to tensile, compression and bending in the job, etc. The effect of cyclic loading. A light weight and has enough strength of the connecting rod to the modern engine design play a decisive role. This article through to CA4110 reference for the related parameters of the diesel engine, four cylinder diesel engine connecting rod for the structure design and mechanics analysis. Pro/E software modeling is applied in this article, based on ANSYS Workbench software platform, finite element analysis was carried out on the model. In order to better guarantee the accuracy, the boundary conditions and load and engineering to coincide with the actual situation, and consider the various stress distribution, the static analysis, modal points harmony response analysis. Statics analysis shows that the strength of the connecting rod maximum stress is less than the yield limit, which conform to the requirements of the strength. From the static and dynamic modal analysis, not only ensure the strength of connecting rod, as well as understand the dynamic vibration characteristic of the connecting rod. Connecting rod under different natural frequency vibration mode is different, prone to failure when the fourth order vibration mode, and should be avoided when engine working each order natural frequency. Harmonic response analysis shows that the response of the structure in 2400 Hz is the most severe, can lead to the unstability of the bending displacement is the largest.Key words ：The engine connecting rod ;The finite element analysis; The modal analysis; Harmonic response analysisI目 录第 1章 绪论 .- 1 -1.1 课题来源及研究的目的和意义 .- 1 -1.2 国内外研究现状及分析 .- 2 -1.3 主要研究的内容 .- 3 -第 2章 连杆的三维建模 .- 4 -2.1 连杆的结构及参数分析 .- 4 -2.1.1 连杆的结构类型 .- 4 -2.1.2 连杆结构参数及其分析 .- 4 -2.2 基于 Pro/E 连杆的建模 .- 5 -2.2.1 Pro/E 的简介 .- 5 -2.2.2 连杆的建模过程 .- 6 -第 3章 连杆的静力学分析 .- 10 -3.1 连杆材料的选择 .- 10 -3.2 连杆的有限元网格划分 .- 10 -3.3 连杆的运动和受力分析 .- 11 -3.4 约束与载荷 .- 12 -3.5 静态模拟结果分析 .- 13 -3.5.1 连杆总变形分析 .- 13 -II3.5.2 连杆等效应力分析 .- 14 -3.5.3 连杆等效应变分析 .- 14 -3.6 静态分析结论 .- 15 -第 4章 连杆的模态分析 .- 16 -4.1 模态分析理论 .- 16 -4.2 约束与载荷 .- 17 -4.3 连杆模态求解与分析 .- 17 -4.4 连杆模态分析结论 .- 19 -第 5章 连杆的谐响应分析 .- 20 -5.1 谐响应分析 .- 20 -5.2 谐响应分析的结论： .- 21 -结论与展望 .- 22 -结论 .- 22 -展望 .- 22 -参考文献 .- 23 -致 谢 .- 24 -绪 论- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题来源及研究的目的和意义内燃机自十九世纪后期出现以来，经过一百多年的不断研究和优化改进，已经发展到比较完善的程度。它以热效率高、功率和转速范围广、比重量较小的优势，在动力机械中占有及其重要敏感的地位，广泛的应用于军事装备和国民机器的各个领域 1。汽车发动机连杆是内燃机中的一个重要的结构零件，其作用是连接活塞和曲轴，将作用在活塞上的力传递给曲轴，使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，对外输出做功。连杆小端工作时作往复运动，大端工作时作旋转运动，杆身作复杂的平面运动，因此连杆运动过程中的受力情况十分复杂，工作中经常受到拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的作用。这种复杂的载荷容易引起连杆的疲劳破坏，甚至直接关系到操作人员的安全，从而造成严重的后果。很早以前，连杆的制造通常以铸造法和锻造法为主。20 世纪 80 年代以来，由于粉末锻造法的产生，大批量生产粉锻连杆，其具有力学性能优良、尺寸精度高、质量偏差很小及质量较轻等特点，因此相继在发达国家快速发展。渐渐取代了锻造和铸造连杆。并且与此同时，高密度烧结法制造连杆也快速发展，其具有良好的力学性能。值模拟和演算已经成为辅助设计的重要手段。目前，有限元法已经日渐成熟实用，所应用的领域也十分广泛并发挥着及其重要的作用。有限元方法最先应用于结构的应力分析，它是近似求解一般连续性问题的数值方法。很快它就广泛应用于求解热传导、流体力学、电磁场等连续问题。对于一个连续体的求解问题，它实质上就是将具有无限多个自由度的连续体，转变成理想化，只有有限个自由度的单元集合体。单元之间由于仅在节点上连续，从而使问题简化为适合于数值求解的结构型问题，就可以高效而正确地确定最佳设计方案。此方法已经成为工程技术领域中不可缺少的一个强有力的计算分析工具。它在发动机零部件的设计分析中的应用也有着很大的进展。连杆在其工作过程中所受到的各种外载荷复杂且做周期性变化。而且即使是同一类型的连杆，连杆与连杆之间几何参数、物性参数也存在差异。因此，在分析连杆的应力和应变的时候，要考虑到这些不确定的因素。才能得到更加符合实际的结果。发动机连杆是一个很复杂但是是一个很有前景的研究领域，有很多需要完善和提高的地方。对其精确的分析，也可以为设计、生产、改进和装造提供更加可靠的相关数据和理论分析。同时也可以缩短发动机的开发、改进的周期成本提高其可靠性和经济性。发动机连杆的有限元分析- 2 -本文应用 ANSYS Workbench 有限元软件对连杆进行有限元分析，尽可能的按照实际受载情况对连杆加载，得到更加接近实际的应力变形分析结果，对连杆安全性设计有着非常重要的意义。1.2 国内外研究现状及分析自从 Angyris 在 1955 年和 Turner 等在 1956 年发表他们关于结构分析的矩阵位移法，并且 Tumer dcn 等在 1960 年首次提出有限元的概念以来，四十多年以来得到了巨大的发展。今天，它在航空航天、土木工程，机械工程乃至石油、化工、电子等工业部门以及诸多科学研究领域获得了广泛的应用，己经成为结构设计与分析的标准化工具。相应地，市场上也出现越来越多的成熟的商品化大型通用分析软件，如美国的NASTRAN、MARC、ADINA、ANSYS, 德国的 ASKA，大连理工学院、北京农业工程大学及北京航空航天大学等单位的 MCADS 和 MAS，这些软件的分析功能强，适应面宽、可靠性高，因而在国内赢得广大用户。随着有限元分析的微机化以及它在 CAD 环境下日益占有其支配地位的作用，这种分析在工业生产活动中具有缩短研究周期，降低研制成本，提高产品质量等重要作用。有限元网格模型( 包括节点数据和单元信息) 的建立是采用有限元法求解问题的。在整个求解过程中，它通常具有最大工作量。随着有限元技术广泛使用，有关有限元网格生成技术和可视化研究得到发展。目前发动机零部件有限元分析课题基本集中在应力位移场分析、温度场分析及振动分析三个方面。另外，随着人们对铸造分析方兴未艾，基于有限元分析结果的结构疲劳寿命预测也已逐渐发展起来。国外许多著名发动机研究机构如奥地利 AVL 研究所、英国 Ricardo 研究所以及主要发动机生产厂商如美国 GM,FORD、日本 NISSAN、德国 MTR 等和国内众多科研院所包括上海内燃机研究所、山西车用发动机研究所、吉林工业大学、华中理工大学、北京理工大学等广泛开展了发动机零部件的有限元分析，发表了大量的研究报告和论文。分析的零件小到橡胶密封圈，大到整个机体、缸盖，几乎涵盖了所有需要分析的零件 2。近几年来，发动机零部件有限元分析的一个特点是分析更加精确细致，尤其对小型零部件开始采用非线性模型进行接触问题的分析研究。 发动机零部件有限元分析的另一个特点是需要先进的前处理技术和高配置硬件设备，以进行大规模复杂零部件的分析。这类型零件主要包括曲柄连杆机构及其固定件。曲轴、连杆、活塞的计算已经在原来二维模型的基础上，进行了三维模型的分析，充分考虑了零件细节对零件应力分布或温度分布的影响;机体的刚度、强度分析及噪声预测己经用于机绪 论- 3 -体的结构修改研究；缸盖的分析曾一度集中于温度场及温度应力场的研究;近年来由于高强化要求的不断提高，某些缸盖的机械应力(即安装预紧力和燃气爆发力对缸盖的作用)也已成为决定其强度的主要因素之一，机械应力有限元分析结果已用于缸盖结构方案选型。在软件上，一般借助大型的 CAE 集成化软件包或采用大型 CAD 软件与专业有限元分析系统相结合的方式，硬件上采用超级计算机或工作站。接触算法的出现，促进了装配件分析的发展。装配件分析基本包括两类:一类是在分析某一零件时，为了考虑其它零件刚度的影响和力的传递，在计算模型中包括相关的其它零件，在这类装配件分析中，非分析零件可作较大简化。另一类是出于对系统整体性能了解的要求，而必须进行的装配分析，如连杆动力模态分析。动态响应分析是近年来有限元分析的一个重点。它推动了内燃机由传统静态设计向动态设计的发展。如利用缸套的动态分析结果，研究降低缸套振幅的可能性，保证了缸套在未来的使用中免受冷却水的穴蚀；曲轴、机体、增压器涡轮叶片的模态分析及动态特性研究，用于预测结构的固有频率、刚强度和噪声辐射特性，最终达到了优化结构设计的目的。有限元法已经成为结构优化设计中灵敏度分析、约束函数计算的常用方法 3。