基于ug水平固定式剪式升降台设计论.doc

目目 录录 前言前言4 4 第一章第一章 绪绪 论论5 5 1.1 柴油机连杆研究的意义及本文主要工作5 1.2 国内外研究现状及存在的问题5 1.3 本文主要工作5 第二章第二章 连杆的结构特点及基本设计连杆的结构特点及基本设计6 6 2.1 连杆的结构特点分析6 2.1.1 连杆的运动分析6 2.1.2 连杆的受力分析6 2.1.3 连杆的结构分析6 2.2 连杆的工作条件和设计要点7 2.3 连杆基本尺寸的确定7 2.3.1 连杆小头 9 2.3.2 连杆杆身 9 2.3.3 连杆大头.10 2.4 过渡区.11 第三章第三章 柴油机连杆三维模型的建立柴油机连杆三维模型的建立1111 3.1 建立连杆大小头及杆身.11 3.2 建立连杆端盖 .19 3.3 建立连杆螺栓 .20 3.4 装配工作部件.23 3.5 装配质量分析.24 第四章第四章 柴油机连杆的有限元分析及强度校核柴油机连杆的有限元分析及强度校核2525 4.1 连杆几何模型的建立 .25 4.1.1 连杆的材料性能及特点.25 4.1.2 几何模型的建立.25 4.1.3 网格的划分.26 4.2 计算工况的选择和计算条件的处理.27 4.2.1 连杆载荷.27 4.2.2 连杆载荷的计算.28 4.2.3 连杆边界条件的处理.30 4.2.4 约束条件 .32 4.3 连杆应力分析.32 4.4 连杆安全系数计算 .34 结束语结束语3535 参考文献参考文献3535 致谢致谢3636 柴油机连杆柴油机连杆的三维建模及有限元分析的三维建模及有限元分析 摘要摘要：连杆是内燃机的关键零部件之一，连杆的结构和所处的工作环境十分复 杂，在工作状态下受到气缸内燃气压力、活塞连杆组的往复运动惯性力、连杆高速 摆动时所产生的横向惯性力等周期性载荷作用，产生机械应力和机械变形，从而导 致疲劳破坏。因此，对连杆在机械负荷作用下的变形、应力进行有限元分析，了解 连杆的变形和应力分布情况，对改进连杆设计，提高其工作可靠性具有重要意义。 本文对连杆在机械负荷作用下的应力和变形进行了研究。首先，根据设计要求 及连杆受力结构分析，确定了连杆的基本设计尺寸。其次，利用三维制图软件建立 了内燃机连杆的几何模型，在三维有限元分析软件中转换成有限元模型。完成了连 杆在机械载荷作用下的应力与变形分析。结果表明：杆身受力很小，导致大端被压 变形较大，这说明杆身的尺寸过大，强度太高导致。因此，本文的研究结果将为连 杆改进设计提供参考。 关键词：关键词：连杆，有限元，机械载荷，疲劳强度 Abstract: The rod is one of the key parts of the internal-combustion engine, the structure of rod and its working environment are very complicated. In working condition, various load, such as in-cylinder gas pressure, group of piston connecting rod reciprocating inertial force, connecting rods of high-speed swing when horizontal inertia forces, act on the rod and produce mechanical stress and deformation, as a result of causing fatigue failure. So the analysis of deformation and stress caused by mechanical load is important for improved design of rod structure. The purpose of this thesis is to study the stress and deformation of rod under influence of the mechanical load. First, the size of the basic design of the connecting rod is determined according to design requirements and the connecting rod force structure analysis. Secondly, the rod geometry model is established by using 3D graphics software, which can be transformed into finite element analysis model in 3D finite element software. The stress and deformation of rod under the action of the mechanical loads are analyzed. Results show that: a small pole sustained force, resulting in large end is pressed with a large deformation, which shows the size of the shaft is too large, high intensity led. The results of this research could provide foundation for improving the design of rod Key words：connecting rod，FEM，mechanical load，Fatigue strength 前言前言 柴油机是我国机械行业的一个十分重要的行业，它的发展对我国工业，农业， 交通运输和国防建设以及人民生活都有十分重大的影响。柴油机是目前产业化应用 的各种动力机械中热效率最高，能量利用率最好，最节能的机型，它已经成为汽车， 农业机械，工程机械，船舶，内燃机车，地质和石油钻机，军用，通用设备，移动 和备用电站等装备的主要配套动力。在我国，车用柴油机应用还处于初级阶段，但 是随着汽车产业的快速发展，车用柴油机行业进入高速发展阶段。在当今倡导节能 与环保的理念下，车用柴油机以其高功率，低油耗，低污染的优点将在今后二十年 内成为世界用车主流。 连杆是汽车发动机中传递动力的重要零件，它把活塞的直线运动转变为曲轴的 旋转运动并将作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作过程中要承受装 配载荷（包括轴瓦过盈及螺栓预紧力）和交变工作载荷（包括气体爆发压力及惯性 力）的作用，工作条件比较苛刻。现代汽车向着环保节能方向的发展，要求发动机 连杆在满足强度和刚度的基础上，应具有尺寸小，重量轻的特点。本文应用 ANSYS 有限元软件，对新设计的某机型连杆进行了疲劳强度的校核。 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 柴油机连杆研究的意义及本文主要工作柴油机连杆研究的意义及本文主要工作 近些年来，柴油机因其功率范围大、效率高、能耗低，在各型工程机械类用车 中确立了其主导地位。新材料、新工艺、新技术的不断开发使用，为柴油机注入了 新的活力。受油价的影响，以及一些柴油机的缺点（比如烟度和噪声）被一一克服， 现在在乘用车市场，柴油动力开始渐渐显示其独特魅力。 发动机是汽车的心脏，而发动机连杆则是承受强烈冲击力和动态应力最高的动 力学负荷部件。其在工作中承受着急剧变化的动载荷，再加上连杆的高频摆动产生 的惯性力,会使连杆杆身发生形变，轻则会影响曲柄连杆机构的正常工作,使机械效 率下降，重则会破坏活塞的密封性能，使排放恶化，甚至造成活塞拉缸，使发动机 无法正常工作。因此对其刚度和强度提出了很高的要求。 1.2 国内外研究现状及存在的问题国内外研究现状及存在的问题 近年来，我国柴油机的技术水平获得较大发展，通过技术引进，不但使我们掌 握了国外柴油机先进技术，同时对我国柴油机制造工厂进行了相应的技术改造，补 充和更新了一批关键装备，健全了工厂的基础设施，加强了质保管理系统，相应培 养了一批专业人才，积累了他们对先进柴油机的制造和试验的经验，在消化、吸收 国外先进技术同时，也给我国自行研制柴油机奠定了良好的基础。与此同时，在各 研究设计院所、高等院校和制造企业的合作下，我国也研制了不少新一代柴油机产 品，通过大量研究和试制工作，也取得了不少丰硕成果。 80 年代初以来，我国陆续引进了一些较先进机型，这些机型对我国柴油机的发 展起到了积极作用。在吸收国外先进技术的同时，我国对老机型作了改进提高，同 时也开发了一些新机型。但总的说来，我国现有的柴油机主要技术指标如强载度、 可靠性和燃油消耗率等与国外先进机型相比，尚存在不少差距。 我国中高速柴油机产业发展现状是：设计、研究和生产体系初具规模，总体水 平不高，关键零部件制造工艺落后，达不到高质量水平。 1.3 本文主要工作本文主要工作 本课题的工作可以分为三大部分。第一部分为连杆的结构和基本尺寸的设计过 程；第二部分为运用 UG 对所设计的连杆进行三维建模装配；第三部分为柴油机连杆 的有限元分析及强度校核。 第二章第二章 连杆的结构特点及基本设计连杆的结构特点及基本设计 2.1 连杆的结构特点分析连杆的结构特点分析 2.1.1 连杆的运动分析连杆的运动分析 连杆是柴油机传递动力的主要运动件,在机体中作复杂的平面运动,连杆小头随 活塞作上下运动,连杆大头随曲轴作高速回转运动。连杆杆身在大、小头孔运动的合 成下作复杂的摆动，其作用是将活塞顶的气体压力传给曲轴,又受曲轴驱动而带动活 塞压缩气缸中的气体。 2.1.2 连杆的受力分析连杆的受力分析 连杆组在工作时工作条件恶劣承受着三方面的作用力； (1) 气缸内的燃气压力； (2) 活塞连杆组的往复运动惯性力； (3) 连杆高速摆动时所产生的横向惯性力。 这三种力的大小和方向随着曲轴转角的 变化而不断地变化，综合起来的结果使连杆 处于一种交变的复杂受力状态。 2.1.3 连杆的结构分析连杆的结构分析 连杆组一般由连杆体、大头盖、连杆螺 栓、轴瓦和连杆小头衬套等组成。连杆体包 括连杆小头、杆身和连杆大头的上部。连杆 大头的上部与连杆大头盖一起组成连杆大头。 连杆结构如图 2-1 所示： 1- 连杆衬套 2- 连杆小头 3- 连杆杆身 4- 连杆螺钉 5- 连杆大头 6- 连杆轴瓦 7- 连杆端盖 8- 连杆轴瓦凸键 9- 连杆轴瓦定位槽 图 2-1 连杆结构图 连杆把活塞和曲轴连接起来，连杆小头与活塞销相连接，并与活塞一起作往复 运动；连杆大头与曲柄销相连接，和曲轴一起作旋转运动；连杆的其余部分则作复 杂的平面运动，作用于活塞上的力经连杆传给曲轴。 连杆必须具有足够的结构刚度和疲劳强度。在力的作用下，杆身应该不致被显 著压弯，连杆大小头也应该不致显著失圆。杆身弯曲会使活塞相对于气缸、轴承相 对于轴颈发生歪斜；有的失圆会使轴承失去正常配合。如果强度不足，在发动机动 转过程中一旦发生连杆杆身、大头盖和连杆螺栓断裂，就会使机器受到严重的破坏。 2.2 连杆的工作条件和设计要点连杆的工作条件和设计要点 连杆在高速运动中承受由活塞组传递的气缸压力和往复惯性力的反复压缩和拉 伸，由此可能产生疲劳破坏，是内燃机主要受力运动件之一。连杆大小头轴承的润 滑条件苛刻，工作中反复受到挤压和冲击。 “小体积、大功率、低油耗”是高性能柴油机对连杆提出的基本要求，其设计 要点如下： (1) 在确保足够强度和刚度的条件下尽可能减轻外形尺寸和质量； (2) 注意过渡圆角及细节的设计，特别是连杆小头与杆身的过渡圆角及连杆大 头盖的螺栓支承面的过渡圆角设计，防止应力集中； (3) 必须根据总体设计的要求合理确定结构参数和连杆体与连杆盖的剖分形式。 2.3 连杆基本尺寸的确定连杆基本尺寸的确定 本论文所设计的某普通用柴油机已知的技术参数数据为： 功率 P=190KW 转速 n=2500r/min 六缸水冷 四总程 直列 缸径 D=130mm 行程 123.5mm 单缸容积 1.64L 六缸排量 9.84L 平均有效压力 0.927MP 缸心矩 169mm 曲柄半径 61.75mm 连杆长 221.5mm 压缩比 16 增压度 30 连杆的长短直接影响到柴油机的高度及侧压力的大小,在柴油机设计时,当运动 件不与有关零部件相碰时,都力求缩短连杆的长度。 连杆长度 L（即连杆大小头孔中心距）与结构参数（R 为曲柄半径）有关。 l R 连杆长度越短，即越大，则可降低发动机高度，减轻运动件重量和整机重量，对 高速化有利，但大，使二级往复惯性力及气缸侧压力增大，并增加曲轴平衡块与 活塞、气缸相碰的可能性。 在现代高速内燃机中，连杆长度的下限大约是 l=3.2，即=1/3.2，上限大约是 l=4R。连杆长度的确定必须与所设计的内燃机整体相适应，连杆设计完成后应进行 零件之间的防碰撞校核，应校核当连杆在最大摆角位置上时是否与气缸套的下缘相 碰，以及当活塞在下止点附近位置上时活塞下缘是否与平衡重相碰，它们之间的最 小距离都不应小于 25 毫米。 在机体的设计中，已经根据要求设计出连杆长度为 221.5mm。 2.3.1 连杆小头连杆小头 本连杆的小头的设计采用薄壁圆环形结构，优 点是构形简单、制造方便，材料能充分应用，受力 时应力分布较均匀。连杆小头的构造如图 3-1 所示： 图 3-1 连杆小头结构型式 连杆小头主要尺寸比例范围大致如下： D=(0.280.42)D =(040.08)d d1=(0.91.2)d d2=(1.21.4)d1 根据柴油机设计要求，初步设计连杆小头的主要尺寸为： 连杆小头衬套内径 d=50mm, 小头衬套厚度 =2.5mm 宽度同小头同宽 小头孔径 d1=55mm 小头外径 d2=70mm 小头宽度 b1=48mm 小头油孔直径 d0=6mm 2.3.2 连杆杆身连杆杆身 连杆杆身截面的高 H 一般大约是截面宽度的 1.51.8 倍，而 B 大约等于 （0.260.3）D(D 为气缸直径)。为了使杆身能与小头和大头圆滑过渡，杆身截面 是由上向下逐渐增大的。杆身的最小截面积与活塞面积之比，对于钢制连杆来说大 约是在（0.0330.043）的范围内。 根据柴油机设计要求，本连杆设计的杆身尺寸为： 杆身高度 H=48.8mm 杆身宽度 B=32mm 2.3.3 连杆大头连杆大头 从内燃机装拆方便性出发，要求连杆大头在拆卸连杆盖后应能通过所缸孔，即 B0D(最小空隙应为 0.5mm 左右)。在本设计中的某普通用柴油机中，由于曲柄销的 直径 D2=80.6mm,缸径 D=130mm,=0.620.65，所以采用平切口连杆。平切口连杆 D D2 采用螺栓定位方式，可防止连杆体和连杆盖安装错位，连杆螺栓不承受剪切作用。 本设计所采用的连杆是 M12 类型。 平切口连杆结构型式如图 3-2 所示： 图 3-2 平切口连杆的基本型式 大端孔径主要取决于曲柄销直径及连杆轴瓦厚度，根据柴油机设计要求，本连 杆设计的大头主要尺寸为： 连杆大头轴瓦厚度 =3mm, 大头孔径 D1=80.6+32=86.6mm 大头宽度 b2=51mm 螺栓矩 L1=(1.201.30)D1 取 L1=108=1.272D1 螺栓孔外侧边厚不小于（24）mm 取螺栓孔外侧边厚 3mm 连杆大头高度 H1=H2=0.50D1=43.3mm 2.4 过渡区过渡区 连杆的过渡区域需要较大的过渡半径。连杆小端工作时,下半部主要承受燃气的 爆发压力,而上半部则承受着活塞组的往复惯性力,所以连杆小端到杆身的过渡结构 对小端的强度有很大的影响,其切点处常常是应力高峰值的所在地,因此小端和大端 与杆身连接处采用大圆弧过渡,一方面提高小端与大端的刚度,另一方面也减少了这 些地方的应力集中。 第三章第三章 柴油机连杆三维模型的建立柴油机连杆三维模型的建立 根据上一章已经设计出来的连杆结构和尺寸，运用 UGNX4.0 进行三维建模。因 为过程中有很多的步骤，不可能一一详列，故本论文省略了一些小的过程，只将建 模的一些关键过程记录下来。 3.1 建立连杆大小头及杆身建立连杆大小头及杆身 建立新文件 选择菜单中的【文件】【新建】命令，出现【新建部件文件】对话框，在 【文件名】栏中输入“liangan01” ，选择【单位】栏中的【毫米】 ，单击【确定】 。 绘制连杆俯视图轮廓线 调用建模模块 选择菜单中的【应用】【建模】命令进入建模模块。 环境参数设置 绘制基本曲线 运用直线、圆、倒角、剪切等命令按照设计的尺寸绘制出轮廓曲线。如图 3-1 所示： 图 3-1 连杆轮廓基本曲线图 建立连杆毛坯建立连杆毛坯 建立拉伸体 选择拉伸命令，弹出拉伸对话 框，如图 3-2 所示。选择上上一步 建立的轮廓，沿 ZC 轴正负方向各拉 伸 16mm。拉伸对话框如图 3-2 所示： 拉伸操作如图 3-3 所示： 图 3-2 拉伸对话框 图 3-3 拉伸操作 建立凸台特征 选择【凸台】按钮，选择所拉伸的 实体的上表面为放置面弹出凸台对话框， 输入参数，如图 3-4 所示。点出 OK 按 钮，弹出【定位对话框】 ，选择【点到 点】定位方式，如图 3-6 所示。选择 【放置面】的实体边为定位目标，如图 3-5 所示。弹出【设置弧的位置】对话 框，选择【圆心】按钮，如图 3-8 所示，得到凸台特征。 图 3-4 建立凸台 图 3-7 定位方式 图 3-5 选择圆弧边 图 3-8 设置弧的位置 用同样的方式在大小头的两面分别建 立需要的凸台特征。 建立表面圆角 建立圆柱特征 建立拔模特征 移动 WCS 隐藏实体 移动并复制部分曲线 隐藏部分曲线 杆身工字形槽的建模杆身工字形槽的建模 进入草绘命令 曲线偏移 右击鼠标，改变视图方向为【俯视图】 ， 设置【隐藏边方式】为【不可见】 ，选择要偏 移的曲线，单击中键确认，系统提示偏移方 向向下，在弹出的对话框中，输入 6 作为 【偏移量】 ，然后确定。按同样方法偏移另外 三条线。 曲线倒圆 运用【插入】【圆角】命令，为刚 才偏移的四条线分别倒圆，得到如图 3-9 所 示结果。 完成草绘命令 建立拉伸体 选择刚才所建的草绘平面，进入拉伸 命令，布尔命令，选择差，如图 3-10 所示。 然后可得工字形槽。 图 3-9 曲线偏移结果 图 3-10 建立拉伸体 引用特征 点击【引用特征】命令，再点击【镜像特征】 ，弹出【镜像特征对话框】 ，然后 选择刚才所建的特征为【镜像体】 ，如图 所示。添加之后，再选择【镜像平面】命令，选择【XC-YC 平面】为镜像平面， 确定后可得另一侧的工字形槽。如图 3-11 所示： 图 3-11 镜像特征 建立连杆大小头孔及实体倒圆建立连杆大小头孔及实体倒圆 建立孔特征 进入【插入】【设计待 征】【孔命令】 ，选择实体上 表面为孔的【放置面】 ，设【孔 类型】为【简单孔】 ，输入直径 55，深度 60，尖角为 0，点击 确定按钮，然后弹出【定位】 对话框，选择【点对点】定位 方式，然后选择小头边缘，设 置【弧的位置】为【圆心】 ，再 点击确定按钮。如图 3-12 所示： 。 图 3-12 建立孔特征 用同样的方式建出大头的模型。 改变视图 实体倒圆 建立油孔建立油孔 改变视图方向 变换原点位置 选择格式 WCS 原点命令，捕捉小头孔中心为坐标原点。如图 3-13 所示 。 再偏移坐标原点至对称中心。 图 3-13 变换原点位置 设置基准平面 选择【基准平面】【固定基准】【XC- ZC 平面】为【放置平面】 ，如图 3-14 所示： 建立沉头孔 设置孔直径为 6mm，建立结果如图 3-15 所 示： 图 3-14 设置准平面 图 3-15 建立油孔 建立轴瓦定位槽建立轴瓦定位槽 变换 WCS 变换视图 插入长方体 在已定好的位置插 入一长方体，基本参数为 a=6mm,b=5mm,c=1.4mm, 拉伸切割实体 布尔操作选择差运算， 得到结果如图 3-16 所示： 图 3-16 建立轴瓦定位槽 建立连杆螺孔特征建立连杆螺孔特征 移动 WCS 建立基准轴 建立孔特征 建立螺纹特征 选择【插入】【设计特征】【螺纹命 令】【详细的】 ，如图 3-17 所示： 图 3-17 建立螺纹 运用同样方法建立另一边螺孔，如图 3-18 所示 ： 图 3-18 螺纹孔 3.2 建立连杆端盖建立连杆端盖 建立连杆端盖的过程比较简单，很多过程与上一部分相似，这里不再赘述。建 成的连杆端盖如图 3-19 所示： 图 3-19 连杆端盖图 3.3 建立连杆螺栓建立连杆螺栓 建立新文件 绘制圆和多边形 选择【插入】 【曲线】【基本曲 线】 ，单击圆按钮，在 【跟踪栏】对话框中指 定指定圆的参数，半径 为 6，圆心为 （0，0，0） ，按确认键 生成一个圆。 图 3-20 绘制圆和多边形 选择【插入】【曲线】【多边形】命令，进入多边形绘制方式，在【多边 形】对话框输入【侧 面数】为 6，单击确定 按钮，在【生成方式】 对话框中选择【外切 圆半径】 ，在随后弹出 的对话框中输入多边 形的参数。 拉伸多边形 草绘回转体轮 廓线 草绘结果如图 3-21 所示： 图 3-21 回转体轮廓曲线 建立回转体 建立螺纹，如图 3-22 所示： 图 3-22 螺栓 移动工作层 建立拉伸体和回转体，结果如图 3-23 所示： 图 3-23 建立回转体 3.4 装配工作部件装配工作部件 加入组件 调入连杆组装配所需的文件，选择【装配】工具条上的【添加已存的】命令， 出现【选择部件】对话框，在对话框中单击按钮，出现选择【部件名】 对话框，在文件夹里选择端盖零件，单击【确定】 ，主窗口右下角出现一组件预览小 窗口。 定位组件 系统出现【添加已有部件】对话框，在引用集下拉框选择【实心的】选项，在 【定位】下拉框选择【绝对的】选项，在【层选项】下拉框选择【原先的】选项， 然后单击【确定】按钮，出现【点构造器】对话框，在此对话框中单击按钮， 然后单击【确定】 ，则加入了第一个组件。 装配螺栓 按照步骤 2 同样的方法加入螺栓零件，然后进行定位，系统出现【添加已有部 件】对话框，如图所示，在定位下拉框中选择【配对】 ，然后单击【确定】 ，出现 【配对条件】对话框，在次对话框中【配对类型】工具栏选择图标。 装配结果，如图 3-24 所示： 图 3-24 装配结果 3.5 装配质量分析装配质量分析 在 UGNX 中，能够很方便地反映出所建模型的质量、质心、面积、体积、惯性 矩、回转半径等信息。 打开已装配好的文件 设置材料性能 分析 选择【分析】【质量特性】【装配质量管理】 ，弹出【重量管理】对话框 【工作部件】 ，单击【确定】 ，自动分析出相关的信自，如图 3-25 所示： 图 3-25 装配质量信息 第四章第四章 柴油机连杆的有限元分析及强度校核柴油机连杆的有限元分析及强度校核 4.1 连杆几何模型的建立连杆几何模型的建立 4.1.1 连杆的材料性能及特点连杆的材料性能及特点 柴油机连杆在整个工作过程中受拉伸、压缩以及惯性力和连杆力矩所生成的交 变的载荷，尤其是大功率柴油机的工作条件更差,因此必须保证连杆具有足够的疲劳 强度及结构刚度。 本论文中由于不考虑温度的影响，材 料系数可取为常数。连杆和连杆端盖的材 料均为 40Cr，其屈服强度可达 800，弹性模量为 2.2E+5(),密MPa 2 /N mm 度取 7.83E-5（） ，并认为考虑范 3 /kg mm 围仅限于线弹性。 4.1.2 几何模型的建立几何模型的建立 当前，有限元分析技术在发动机零部 件设计过程中发挥着越来越重要的作用， 它不仅缩短了设计周期，而且也大大提高 了设计精度。该软件采用交互式将有关连 杆几何形状、材料特征和计算工况的参数 输入后，软件就可进行如下处理：(1)生 成连杆有限元网格及变厚度处理等有关参 图 4-1 有限元分析结构网格图 数；(2)自动进行载荷处理；(3)计算单元刚度；(4)计算节点位移；(5)计算节点应力； (6) 计算各节点的主应力，并求出最大主应力及其位置；(7)计算各强度理论中的相 当应力，并求出最大相当应力及其位置；(8)绘制单元网格图、边界应力图和边界变 形图。结构程序如图 4-1 所示： 利用 UGNX4.0 建立三维立体模型首先建立准确、可靠的计算模型 ,是应用有限 元法进行分析的重要步骤之一。在进行有限元分析时 ,应尽量按照实物来建立有限 元分析模型 ,但对结构复杂的物体 ,完全按照实物结构来建立计算模型、进行有限 元分析有时会变得非常困难 ,甚至是不可能的 ,因此可进行适当的简化。一般来说 ,因 模型带来的误差要比有限元计算方法本身的误差大得多。所以 ,结构有限元计算的 准确性在很大程度上取决于计算模型的准确性。 为了较准确地计算出连杆的应力情况 ,本文的连杆计算模型只对连杆大头做了 简化处理:包括将连杆大头看成一个整体 ,不考虑连杆螺栓 ,去掉了连杆大头的加强 筋。将建好的模型导入 ANSYS 12.0 中，进行修复和修改。 4.1.3 网格的划分网格的划分 在网格划分之前，需要定义单元属性，包括单元类型、实常数和材料模型等。 这些属性对有限元分析来说，非常重要，不仅影响到网格划分，而且最关键的是， 对求解的精度影响极大。对于操作过程，只简述一个，其余具体操作不再赘述。 定义单元类型 选择主菜单中【Preprocessor】【Add/Edit/Delete】【Element Type】,然后如 图 4-2 所示，选择【Solid】【10node 92】【OK】 图 4-2 定义单元类型 定义实常数 定义材料模型 赋予单元属性 有限元分析的基础是单元，所以在有限元分析之前必须将实物模型划分为等效 节点和单元。在 ANSYS 单元库中有 100 多种不同类型的单元 ,不同的单元类型决 定单元的自由度、代表不同的分析领域、单 元是属于二维空间还是三维空间等特性。 由于连杆形状较为复杂，在满足计算精 度要求的情况下，为了让结点数量尽量少， 本论文对整个连杆采用能较好模拟物体形状 的自由三维四面体 Solid 92 划分自由网格， 连杆有限元网格如图 4-3 所示： 图 4-3 连杆有限元网格图 4.2 计算工况的选择和计算条件的处理计算工况的选择和计算条件的处理 在内燃机工作时，连杆作复杂的平面运动，它受到的力是周期变化的。本软件 模拟最恶劣的工况进行计算，即把连杆的受力状态固定在工况最恶劣的瞬时，化为 在静力作用下的应力分析问题来处理。在连杆的两个侧面并无外力作用，连杆的长 度又远大于厚度，因此，本软件把连杆的应力分析问题简化为变厚度的应力问题来 处理。为了计算方便，计算时把连杆与大头和大头盖作为整体处理。 4.2.1 连杆载荷连杆载荷 连杆工作时承受复杂周期变化外力。最危险的工况是受最大拉力和最大压力工 况。根据连杆设计计算的经验可知，连杆的最大压力出现在燃烧膨胀行程上止点后 20，此压力通过活塞销作用在连杆小头内侧下部与活塞销相接触的圆柱面上。最 大拉力则发生在排气行程终了的上止点，此拉力通过活塞销作用在连杆小头内侧上 部与活塞销相接触的圆柱面上。这两个力沿接触面圆柱面周向按余弦规律分布。如 图 4-4 所示： 图 4-4 连杆受力简化模型 左图中为连杆小头与活塞的接触角，一 般可取 120，沿连杆厚度方向近似均匀分布。 其分布规律为： cos(3/2) c qq 为最大径向力集度（） ， c q 2 /N mmq 为任意点处的径向力集度（） 。 2 /N mm 4.2.2 连杆载荷的计算连杆载荷的计算 已知： 活塞组质量 1 2.529Mkg 连杆小头质量 2 1.628Mkg 连杆大头质量 3 1.174Mkg 最大爆发压力 max 10 za PMP 曲柄销半径 0.06175rm 连杆长度 221.5Lmm 主机转速 2500 /minnr 则曲轴角速度 22500 3.14 2 261.6667/ 6060 n rad s 2 68469.444 曲柄连杆比 61.75 0.2787 221.5 r L （1）最大受拉工况： 取进气开始时刻的最大惯性载荷作为连杆的最大受拉工况，此时连杆小头受到 的是活塞组 M1 的最大往复惯性力： 22 1max1 12.529 0.06175 68469.4441 0.278713672.6049/ J PM rN mm 连杆大头则是承受活塞组和连杆小头往复惯性力及连杆大头产生的回 1 M 2 M 3 M 转惯性力： 22 1max2max3123 1 JJJ PPPPMMrM r 2.5291.6280.0617568469.444 1.27871.1740.0617568469.444 22474.10744963.658127437.7655N 式中，分别为活塞组、连杆小头和连杆大头的惯性力。 1max,J P 2max,J P 3 P 小头内孔表面 120范围内的面积为： 2 1 227.5482763.2 3 Amm 大头内孔表面 120范围内的面积为： 2 1 243.3 514622.708 3 Amm 连杆小头受到的是活塞组 M1 的最大往复惯性力，这个力在小头内孔表面 120 范围内的面积上产生的压力为： 1max,2 max 2 13672.6049 4.948/ 2763.2 J J PN PN mm Amm 连杆大头则是承受活塞组和连杆小头往复惯性力及连杆大头产生的回 1 M 2 M 3 M 转惯性力，这个力在大头内孔表面 120范围内的面积上产生的压力为： 2 max 2 27437.7655 5.9354/ 4622.708 J J PN PN mm Amm （2）最大受压工况： 已知气缸内最大爆发压力为： 2 3 2 6 max 130 10 10 10132665 44 zz D PPN 气缸内气体最大爆发压力的一瞬间，此时连杆承受最大压力以及活塞组和连杆 体本身的惯性力。这时连杆小头载荷为： 1max1maxmax1max6049118992.3951 KzJzJ PPPPPN 这个力在小头内孔表面 120范围内面积上产生的压力为： 2 1max 118992.3951 40.0633/ 2763.2 K k P PN mm A 连杆大头上的载荷为： 2max1max2max3maxKzJJzJ PPPPPPP7655105227.234N 这个力在大头内孔表面 120范围内的面积上产生的压力为： 2 2 2max 105227.234 22.7631/ 4622.708 K K P PN mm A 4.2.3 连杆边界条件的处理连杆边界条件的处理 对于连杆大头边界条件的处理，假定曲柄销当作刚体固定，连杆受压工况，在 连杆大头内侧上部 120圆柱面上施加径向约束。连杆受拉工况，则在连杆大头内 侧下部 120圆柱面上施加径向约束。为了保证计算模型满足实际情况，在连杆宽 度方向中剖面上施加对称约束, 这样整个连杆的约束就完全了，没有其它刚体位移。 所以连杆大头、小头上的拉伸、压缩载荷均按 120范围内成余弦规律分布， 在处载荷最大，在处载荷为零。惯性力均匀作用于模型中所有节点上。连杆060 模型边界条件如图 4-5 和图 4-6 所示： 分析时，要在 ANSYS 界面的输入窗口中输入的计算程序式为： *get,nmax,node,num,max *get,nmin,node,num,min *dim,t1,array,nmax,1,1 *do,k,nmin,nmax *if,nsel(k),eq,1,then c=(ny(k)-180)/180*3.14 fn=abs(45.93*cos(3*c/2) t1(k)=fn *else t1(k)=0 *endif *enddo sffun,pres,t1(1) sf,all,pres,0 对于连杆拉压工况不同角度位置的的输入时要改变上列程序 c=(ny(k)-180) /180*3.14 中的角度，大头下端 120 度面受力情况分析时计算式为： c=(ny(k)-120)/240*3.14。对于其它位置，依次类推。 图 4-5 连杆受拉工况下的应力分布 图 4-6 连杆受压工况下的应力分布 4.2.4 约束条件约束条件 假定曲柄销当作刚体固定，连杆受拉工况，120 度在连杆大头内侧上部圆柱面 上施加径向约束，并在大头端面一侧上施加除径向外的其余两方向上的约束。连杆 受压工况，在连杆大头内侧下部 120圆柱面上施加径向约束，并在大头端面一侧 上施加除径向外的其余两方向上的约束。为了保证计算模型满足实际情况，在连杆 宽度方向中剖面上施加对称约束，这样整个连杆的约束就完全了。 4.3 连杆应力分析连杆应力分析 运用 ANSYS 12.0 对连杆进行应力分析，如图 4-7 和图 4-8 所示： 图 4-7 连杆拉伸工况下的变形 图 4-8 连杆压缩工况下的变形 经 ANSYS 中进行计算后，连杆在拉伸、压缩工况下的应力分布图如上所示。 从图中可以看出： 在最大受拉工况下，连杆小头的最大应力峰值出现在下头顶部油孔附近、小头 两边中心处，杆身部分的最大应力峰值出现在小头与杆身过渡处；最小主应力峰值 出现在内孔底部。在最大受压工况下，连杆小头的最大主应力峰值出现在小头底部； 最小主应力峰值出现在顶部；杆身处的最大应力峰值出现在与小头连接处，尤其是 一些小角处，应力集中比较明显。 在最大受拉工况下，连杆大头最大主应力峰值出现在连杆下螺栓凸台的过渡处 和内圆孔顶部。在最大受压工况下，连杆大头最大主应力峰值分别出现在大头内孔 底部中心、大头和杆身过渡处，另外出现应力峰值的部位还有内孔与端面的边界处。 由拉压变形可以看到明显的一点就是，杆身受力很小，导致大端被压变形较大， 这说明杆身的尺寸过大，强度太高导致。 4.4 连杆安全系数计算连杆安全系数计算 连杆承受拉、压载荷作用而产生拉压交变循环应力，连杆拉压疲劳安全系数按 下式计算： 1 / z am n 式中材料在对称循环下的抗拉压疲劳极限， 1z = 取 0.8 1z 1 0.70.9: 取 0.5 1 0.450.55 B : 对称循环情况下材料的抗弯曲疲劳强度 1 材料的强度极限 取=800 B B a MP 则 1 0.80.5 800320 za MP 应力幅 a 153.72474.286 114.005 22 PL a 平均应力 m 153.72474.286 39.719 22 PL m 考虑表面加工情况的工艺系数，其值取 0.75； 为角系数，表示平均应力对脉动部分的影响， ，其值取 0.2 10 0 2 代入计算得，连杆安全系数： 320 2.0006 114.005/0.750.239.719 n 考虑到动载荷，连杆轴承磨损，连杆加工误差以及连杆工作中由于偏斜引起的 压力沿轴分布不均匀及活塞卡缸可能行等造成的影响，一般推荐连杆疲劳安全系数 在 1.5 到 2.5 的范围之内，而大多推荐在 2.0 以上，所以本方案在许用范围之内。 通过前面的分析和计算可知，所设计的连杆的疲劳安全系数为 2.0006，对于发 动机关键零件的要求为：在制造工艺稳定的情况下，其安全系数应大于 1.5，因此本 论文设计的连杆的疲劳强度达到了设计要求。 结束语结束语 本文主要设计了某普通用柴油机的连杆，并运用 UG NX4.0 对所设计出来的连 杆进行建模，然后在此模型的基础上将连杆导入 ANSYS 12.0，进行柴油机连杆有限 元分析，计算出疲劳极限，从而使所设计连杆的可用性得到了验证，并为改进提供 了一些数据参考。 本文研究的最终目的是服务于实际生产，连杆的设计和强度校核已全部完成， 但校核的结果反映出，这个设计仍有一些不足之处。在今后的学习和工作中应当汲 取这次毕业设计的经验，继续努力。 参考文献参考文献 1 王秋冰，马鸣，卢震鸣. 发动机连杆用材料与工艺的发展趋势. 柴油机设计与制造. 2007，15(1)：39-44 2 周龙保，高宗英. 内燃机学. 机械工业出版社. 1999，325-332 3 柴油机设计手册编辑委员会. 柴油机设计手册（上册）. 中国农业机械出版社. 1984,501- 553 4 秦传江，杨震. 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UG NX 机械设计实例教程. 清华大学出版社. 2006，1-157 致谢致谢 本文是在郭姗姗指导老师的悉心指导下完成的。从毕业设计题目的选择、到选 到课题的研究和论证，再到本毕业设计的编写、修改，每一步都有郭老师的细心指 导和认真的解析。在郭老师的指导下，我在各方面都有所提高，老师以严谨求实的 治学态度和勤勉的工作态度深深感染了我，给了我很大的启迪，鼓舞和鞭策，使我 的知识层次有所提高。同时感谢所有教育过我的专业老师，你们传授的专业知识是 我不断成长的源泉，也是完成本论文的基础。同时，要感谢我的几位同学，他们在 我遇到困难时曾给予了热心的帮助。在完成设计的过程中，大家互相鼓励、互相帮 助、共同进步，这给了我努力前进的力量。其实最应该感谢的还是我的父母，他们 不辞辛劳，在我的学业和生活上给予了最大限度的关怀，在这即将毕业之际，我得 说一声：谢谢爸爸，妈妈！您们辛苦了！ 再次真诚地感谢所有帮助过我的老师同学。通过这次毕业设计，不仅提高了我 独立思考问题和解决问题的能力，而且培养了认真严谨和一丝不苟的学习态度。由 于经验匮乏，能力有限，设计中难免有许多考虑不周全的地方，希望各位老师多加 指教。 附件： 大学本科生毕业论文(设计)规范 一、毕业论文（设计）格式规范一、毕业论文（设计）格式规范 一份完整的毕业论文（设计）材料一般应包括下列内容： （一）题目； （二）目录； （三）论文主体（包括中英文摘要及关键词；正文；致谢；参考文献等）； （四）附录。 具体分述如下： （一）题目 题目应力求简短、精确、有概括性，直接反映毕业论文（设计）的中心内容和学科特点。题 目一般不超过 20 个汉字，如确有必要，可用副标题作补充。 （二）目录 毕业论文（设计）必须按其结构顺序编写目录，要求层次分明，体现文章展开的步骤和作者 思路。目录格式是论文的结构层次，反映作者的逻辑思维能力，所用格式应全文统一，每一层次 下的正文必须另起一行。目录独立成页，以章、节、小节来编排。 (三) 论文主体 1、中英文摘要及关键词 摘要一般不分段，不用图表，以精炼的文字对毕业论文（设计）的内容、观点、方法、成果 和结论进行高度概括，具有独立性和自含性，自成一篇短文，具有报导作用。中文摘要一般以 200-300 个字为宜。关键词是反映毕业论文（设计）内容主题的词或词组，一般 35 个。其中 英文摘要与中文摘要基本对应，英文关键词之间用分号分开，最后一个关键词后不加任何标点。 2、正文 包括引言、正文、结论等部分。 （1）引言 引言也称前言、导论、导言、绪言、绪论等。它的作用是向读者初步介绍文章的背景和内容， 通常包括以下几个方面：为什么写这篇文章，要解决什么问题；论文的主要观点；与课题相关的 历史回顾；写作资料的来源、性质及其运用情况，论文的规划和简要内容；研究中的新发现；课 题的意义等。 （2）正文 正文是论文的核心部分，是作者学术理论水平和创造性工作的综合体现，是作者运用掌握的 材料与方法进行论证、得出结论的部分，其任务是分析问题和解决问题。根据不同论文研究的课 题性质、研究方法的不同，理论型、实验型和描述型论文的正文格式和写法不尽相同，但他们的 要求是一致的。即： 主题明确：全文围绕主题展开讨论，不离题； 论证充分：有观点、有思路、有材料、有说服力； 结论清楚：研究导出的结论不含糊、易理解； 逻辑严密：文字精炼流畅、条理清晰。 （3）结论 结论是论文要点的回顾和提高，是整个研究过程的结晶，是全篇论文的精髓。结论中应对本 篇论文解决了什么问题，得出了什么规律，存在什么问题给出明确的回答。撰写结论时，要注意 精炼准确、总结提高、前后呼应。 3、致谢（无必要时可省略） 以精练的文字，对在毕业论文（设计）工作