（光学工程专业论文）铝基粉锻连杆有限元结构分析.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 连杆是发动机中传递动力的重要部件，它在工作中不仅承受气体压力载荷和 惯性力载荷，而且各种载荷随时间作周期性的变化，机械负荷严重，工作条件恶 劣。因此，满足连杆的强度要求一直是发动机研究和改进过程中所关注的焦点。 由此对连杆设计的主要要求是在保证足够的强度、刚度和稳定性的前提下，尽可 能地减轻连杆质量，达到节能环保的目的。 粉末冶金是一种节材、省能、投资少、无污染，而且适合大批量生产的少、 无切削、高效金属成形的工艺，同时也是制造特殊金属材料的重要技术。 粉末锻造是用传统压制、烧结方法制造预成形坯，然后将多孔预成形坯热锻 成最终形状的致密件。 本文以铝基粉末冶金锻造连杆为研究对象，在p r o e 中建立了包括连杆衬套、 活塞销、轴瓦、曲柄销以及连杆螺栓在内的连杆组件的所有模型，然后在h y p e r m e s h 中进行了网格划分，最后采用非线性有限元分析软件a b a q u s 中的接触理 论对其进行应力、应变计算分析。计算结果表明：最大拉应力出现在连杆大头与 杆身的过渡圆弧处，最大压应力出现在连杆小头与杆身过渡圆弧处。 通过对连杆危险部位安全系数的计算，得出了铝基粉锻连杆具有良好的机械 性能，同时由于粉末冶金锻造连杆在加工工艺上的优势，可以推断铝基粉锻连杆 在不久的将来会有很大的发展空间。 除此之外，本文还对连杆螺栓预紧力进行了模拟分析，讨论了不同螺栓预紧 力对连杆大头的影响。 关键词：连杆组件；有限元接触法：应力：疲劳安全系数 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ei m p o r t a n tp a r to ft r a n s f e r r i n gp o w e ri ne n g i n e ，c o n n e c t i n gr o di ss u b j e c t t oa l t e r n a t i n gl o a dg e n e r a t e db yav a r i e t yo fc o m p l e xa n dp e r i o d i ct e n s i o n ，p r e s s u r e a n di n e r t i a lf o r c e ，h a v ep o o rw o r k i n gc o n d i t i o n s t h e r e f o r e ，t om e e tt h ec o n n e c t i n g r o dr e q u i r e m e n ti st h ef o c u so fe n g i n er e s e a r c ha n di m p r o v e m e n tp r o c e s s t h u st h e m a i nr e q u e s to fd e s i g n i n gt h ec o n n e c t i n gr o di st or e d u c ei t sm a s sa sm u c ha sp o s s i b l e a i m e da tp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n ta n dc o n s e r v i n ge n e r g yi nt h ea s s u r a n c eo fs u f f i c i e n t s t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n ds t a b i l i t y p o w d e rm e t a l l u r g y ( p m ) i sat y p eo fm a t e r i a la n de n e r g yc o n s e r v a t i o n ，l e s s i n v e s t m e n t ，n op o l l u t i o n ，n oc u t t i n g ，e f f i c i e n tm e t a lf o r m i n gp r o c e s ss u i t a b l ef o rm a s s p r o d u c t i o n ，b u ta l s o t h em a n u f a c t u r eo ft h ew e i g h to fs p e c i a lm e t a lm a t e r i a l s t e c h n o l o g y p o w d e rf o r g i n gi sm a n u f a c t u r e du s i n gt r a d i t i o n a lp r e s s i n ga n d s i n t e r i n gm e t h o d ， a n dt h e nt h ep o r o u sp e r f o r mb i l l e tf o r g i n gi n t ot h ef i n a ls h a p eo ft h ed e n s e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec o n n e c t i n gr o do fp o w d e rf o r g i n gi ss t u d i e d i nt h i ss t u d y , t h ea s s e m b l i n gm o d e lw h i c hc o n t a i n sp i s t o np i n ，b u s h ，c r a n kp i n ，b e a r i n gs h e l l sa n d c o n n e c t i n gr o db o l t ，i sb u i l tw i t ht h ep r o e t h e nm e s h i n gi nh y p e r m e s h t h el o a d a n db o u n d a r yc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e da n dt h e s t r e s sw a sc a l c u l a t e dw i t h a b a q u ss o f t w a r e f r o mt h ef i g u r e so fs t r e s s ，m a xt e n s i o nl i e si nt h en o t c ht r a n s i t i o n p a r tb e t w e e nb i ge n da n db o d ya n dm a xp r e s s u r el i e si nt h et r a n s i t i o np a r tb e t w e e n s m a l le n da n db o d y t h r o u g hc a l c u l a t e dt h es a f ec o e f f i c i e n t ，t h es a f e t yw a sd i s c u s s e do fc o n n e c t i n g r o d t h er o dm a d ew i t hp o w d e rf o r g i n gi sb e t t e ri nm e c h a n i c a la n d t e c h n o l o g y p r o p e r t i e s f r o mf m i t ee l e m e n tc a l c u l a t ea n da n a l y s i s ，t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ep o w d e r f o r g i n gr o dh a st r e m e n d o u sd e v e l o p m e n ts p a c e o t h e r w i s e ，t h ep a p e rs t i l lm a k e su s eo ff i n i t et h e o r yc a r r i e do ns t r e s sa n a l y s i st o t h eb o l ta n dr e c o g n i z e dt h eb o l ts a t i s f i e sa l l o p e r a t er e q u e s ta tt h ep e r f o r m a n c e p r e p a r i n gt i g h tf o r c eu n d e rt h ea c t i o n k e yw o r d s ：c o n n e c t i n gr o da s s e m b l y ；f i n i t ec o n t a c t m e t h o d ；s t r e s s ；f a t i g u es a f e t yf a c t o r t i 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 粉末冶金的发展概况 第1 章绪论 1 8 世纪末开始复兴并在2 l 世纪得到蓬勃发展的粉末冶金技术，既是- - f - 被 誉为“a d v a n c e dm e t a l l u r g y ”的先进技术，却又有着古老的历史。作为粉末冶金 雏形的块炼铁技术，在远古时期便是人类制取铁器的唯一手段。著名学者r k i o - - f f e r 和w h o t o p 在其专著( ( s i n t e r e i s e na n ds i n t e r s t a h l 中所首肯的观点：“在 许多情况下，冶金古代史简直就是粉末冶金古代史”，充分反映出古代粉末冶金 技术在人类生产活动和社会生活中的重要地位。而在近代两个世纪中，粉末冶金 作为一种高新技术，为满足社会生产和科学技术发展的需要，不断为人类提供各 种具有关键作用的材料和产品，并跻身于先进金属成形工艺之列。粉末冶金材料 已成为当今工业、农业和科学技术不可或缺的重要工程材料，粉末冶金材料的发 展丰富了材料学的内容。表1 1 所列出的粉末冶金历史中重大科技成果，可作为 以上论断印证【。 表1 - 1 发展中的重大科技成果 t a b1 - 1t h e g r e a ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf r u i t 首次出现的年代 材料起源地和发明者 公元前2 5 0 0 年前块炼铁小亚细亚人 公元1 3 世纪烧结铂粒南美洲印加人 1 8 7 0 在 金属粉末制造轴承材料美国sg w y n n 1 9 0 9 年 延性钨 美国w d c o o l i d g e 1 9 3 8 短 w - n i c u 重合金 g h p r i c e 1 9 5 2 生烧结铝美国a l c o a 公司i r m a n n 1 9 5 8 钲 快速凝固苏联i v s a l l i 1 9 6 5 正 粉末冶金高速工具钢美国c r u c i b l es t e e l s 公司 1 9 7 0 焦 超塑性高温合金美国s h r e l c h m a n 1 9 7 0 笠 机械合金化美国js b e n j a m i n 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 9 8 0 年注射成形美国r w i e c h d r e v e r s 1 9 8 3 钲 钕铁硼永磁材料日本住友公司 1 9 8 4 笠 纳米粉末材料德国rb l r r i n g e r 随着粉末冶金工业的发展，作为工业中占据不可忽视分量的汽车行业迅速的 发展起来，由下图1 1 可以看出各个国家在汽车领域市场中不断扩大粉末冶金零 件。 图1 - 1 美国、西欧、日本及中国平均每辆轻型车中使用冶金零件重量进展 f i g1 - 1t h eu n i t e ds t a t e s ，w e s t e r ne u r o p e ，j a p a na n dc h i n au s e sm e t a l l u r g yk i ti ne a c h l i g h tc a ro nt h ea v e r a g ew e i g h t 1 2 粉末冶金连杆的发展 粉末锻造的迅速发展是从六十年代中期开始的。美国通用汽车公司1 9 6 4 年 用铁粉锻造成连杆，1 9 6 8 年又研制成功汽车差速器行星齿轮，1 9 7 0 年又与辛辛 纳提公司合作建成了世界上第一条粉末热锻生产自动线。1 9 7 0 年在纽约召开的 第三届国际粉末冶金会议上发表了许多热锻论文，展出了美国和日本的粉末热锻 零件。从此以后，粉末锻造像雨后春笋在世界各主要国家迅速发展起来口i 。 1 9 8 1 年日本丰田公司全自动粉末锻造生产线投产，生产连杆和离合器。连 杆月生产能力1 4 万件，至1 9 9 2 年年生产连杆2 5 0 万件。现在日本马自达公司发 青岛理工大学工学硕士学位论文 动机也大批量使用粉末锻造连杆【1 】【3 】。 美国福特汽车公司于1 9 8 7 年在e s c r t 与l y n x l g l 发动机率先使用了粉末冶 金锻造连杆，并获得了8 7 年美国粉末零件设计竞赛全密度荣誉奖，随后，在 4 6 l v s 发动机中采用了较大的粉末冶金锻造连杆，并陆续扩大到其他型号的发 动机，至1 9 9 1 年该公司生产的连杆不少于1 0 0 0 万件，至1 9 9 3 年美国已累计生 产了约2 5 0 0 万件粉末热锻连杆。1 9 9 4 年美国通用汽车公司和克莱斯勒汽车公司 也采用了粉末锻造连杆【3 1 。 在欧洲，德国的b m w 公司的r 1 1 0 0 r s 摩托车用二缸发动机和的b m w - v 8 轿车发动机都于1 9 9 2 年开始采用粉末锻造连杆。这些粉末锻造连杆是由德国 s i n l m n e l a l v 垤n kk r e b s o g e g m b h 公司生产的。该公司目前摩托车发动机用连杆的 年产量为4 0 0 0 0 根，b m wv - 8 轿车发动机用连杆的年产量为6 4 0 0 0 0 根。 由上述材料表明，粉锻连杆在当今汽车行业迅速发展的浪潮中，将会得到进 一步的应用。 1 2 2 国内粉末冶金连杆的发展及前景 由于国内的粉末冶金技术起步晚，中国与美国、西欧等国家还是存在差距。 尤其在汽车工业用的粉末冶金零件量，仅为世界平均用量的1 3 1 4 t 3 1 ，而我国粉 末冶金零件厂的数量，则为世晁第一位。随着我国汽车产业的迅速发展，粉锻技 术因其优点将得到飞速的发展。粉锻连杆因其性能的优势将会得到广泛的应用。 1 9 9 8 年山东省机械设计研究院研制成功了粉末热锻摩托车连杆，随后建成了一 条粉末热锻生产线，成立了山东省粉末热锻技术中试基地。2 0 0 1 年，长春市粉 末冶金厂与东北大学联合开发和研制了粉末冶金热锻汽车连杆，此项目是国家汽 车行业重点攻关项目之一。 据中汽协公布数据显示，2 0 0 5 年汽车5 0 0 万辆，每辆汽车装用5 k g 粉末冶 金零件，就年需2 5 万吨，如装用1 0 1 5 蚝，就需5 万7 5 万t a 粉末冶金零件， 而2 0 1 1 年中国汽车产销量略有增长，增速为1 3 年来最低水平。2 0 1 1 年全国汽 车产量1 8 4 1 8 9 万辆，同比增长o 8 4 ，到2 0 1 5 年中国汽车产销量将分别超过 2 2 0 0 万辆，达到2 2 7 3 7 万辆【4 1 。由此可见，在未来中国的粉末冶金零部件潜力 巨大，粉锻连杆的前景很美好。 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 3 粉锻连杆的优势 粉锻连杆相对传统钢锻连杆的优势表现在：设计、技术、工艺以及成本方面。 其设计优势主要体现在设计优化上。粉锻连杆可以广泛应用于汽油或柴油发 动机中，到目前为止，汽油发动机最轻的粉锻连杆大约4 1 0 克，最重的柴油发动 机粉锻连杆大约重1 6 0 0 克，覆盖了发动机1 2 升至7 3 升排量的范围。粉锻连 杆的锻造因为闭模有效地将材料推到i 型杆部横截面的四个角上，通过取消钢锻 连杆的斜角和剪切线，增大了疲劳强度，提高了抗弯能力，优化了强度和重量之 比，降低了连杆在发动机中摆动和转动重量，提升了发动机的燃油效率。相比之 下，钢锻连杆由于开模锻造导致横向闪边，其工艺限制了设计工程师对连杆i 型部位进行优化的空间。由于粉锻连杆一致性好，所有的机械性能、尺寸、表面 形貌变化范围远远小于传统的钢锻连杆，即使在设计时利用的都是平均值粉锻连 杆的设计在安全系数相同的情况下也更加安全可靠畸1 。 其技术优势的一个主要来源是粉末冶金的准净成型。粉末冶金通过一套模 具的一个压机高效率地一次成型为预压件，其基本几何特征和几何尺寸已经十分 接近于最终产品的几何特征与几何尺寸，烧结过程中几何特征和几何尺寸基本保 持不变，在保护的气氛下，颗粒通过烧结实现了高强度。准净成型避免了许多加 工工艺，与钢锻连杆相比，材料利用率增加了4 0 。粉锻连杆的重量及其分布的 一致性好，精加工过程中取消了按重量分组及其重量的修正，简化了数个发动机 组装过程中的加工工序，组装之前的精加工方面的投资最小，工艺简单，机加工 生产线稳定，效率提高约2 5 ，将发动机组装厂的库存，废品率及生产车间面积 降到最小磕1 。 其工艺优势主要来源于粉末的锻造，粉末的成分及其加入方式经过多年的成 百上千次优化使得锻造后的性能赶上并超越了锻钢的抗涨强度、屈服强度和疲劳 强度，相比之下，钢锻连杆的成分仅仅经过几次调整和优化，所有成分的变化只 能在溶液中实现，研发成本高，试验周期长，其试验所需的设备所涉及的领域远 远超出了钢锻连杆企业的能力和业务范围，既不能像粉末冶金那样通过粉末混合 以数种不同方式加入某一个成分，也没有像粉末冶金中的铜这样一个元素可以利 用在钢锻连杆的成分调整中，取达到一个性能、可加工性、总成本和质量稳定性 的一个最佳平衡点。粉锻连杆中的闭模锻造使得闪边小、细、均匀一致，连杆加 青岛理工大学工学硕士学位论文 工时需要加工的量小，降低了主机厂的成本。粉锻连杆可加工性的提升主要是通 过在粉末混合时加入硫化锰，优化的硫化锰加入的量、形貌、颗粒尺寸分布，使 加工所用刀具的寿命比加工钢锻连杆高达四倍，大大降低了刀具成本，提高了加 工质量和加工效率。优化后的硫化锰只需最简单的机械式冲头开槽就能实现连杆 大头涨断，既不用激光开槽，避免了昂贵的设备采购，也没有钢锻连杆冲头开槽 对冲头的磨损和苛刻要求，轻而易举地实现了先进的涨断工艺。更重要的是，粉 锻连杆最优的可胀断性使得曲轴颈部变形忽略不计，客服了钢锻连杆涨断时常常 遇到的塑性变形问题，也与优化了硫化锰的应用有着密切的关系。 粉锻连杆相对于钢锻连杆的成本优势在公开文献中已有发表，美国迈特达因 公司的宣传是：粉锻连杆相对于钢锻连杆的成本优势是每根1 美元。这个结论是 建立在两个假设的基础上： ( i ) 粉锻连杆和钢锻连杆的精加工生产线效率都是9 5 。然而，众所周知， 粉锻连杆的加工生产线效率比钢锻连杆高大约2 5 ，这个加工生产线效率的差异 所导致的粉锻连杆成本优势没有量化报道； ( 2 ) 粉锻连杆因为原材料粉末的成本高于钢锻连杆，直接导致粉锻连杆毛坯 的成本。而实际上，粉锻连杆原材料每单位重量的成本与钢锻连杆能够实现涨断 的原材料每单位重量的成本相差无几，再加上粉锻连杆的原材料利用率比钢锻连 杆的原材料利用率高4 0 ，粉锻连杆的原材料成本实际上远远低于钢锻连杆的原 材料成本m 1 。 1 3 连杆有限元分析现状 随着有限元理论的日益成熟和计算机技术的飞速发展以及越来越多的著名 软件( a b a q u s a n s y s n a s t ra n h ，e r w o r k s a s k a a d i n a 等) 在有限 元分析方面的应用，工程上很多问题都需要运用有限元进行分析。对连杆的有限 元分析，国内外已经有大量的文献报导，但其中的大部分是针对钢锻连杆的有限 元分析，对汽车发动机铝基粉锻连杆尚未见于报。 在计算模型上，连杆的计算模型由原来的二维转变为三维，而三维有限元连 杆分析采用的计算模型一般有两种： ( 1 ) 1 4 连杆模型。文献【7 在对n 4 8 5 柴油机连杆进行静强度分析时，采用 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 4 连杆模型准确地得到了危险工况下的应力分布； ( 2 ) 整体连杆模型。文献【8 】和【9 】应用参数化设计和特征建模技术对连杆进 行了三维实体建模。文献【8 】采用三维接触有限元分析方法对连杆杆身、连杆盖、 连杆螺栓、连杆轴瓦组成的连杆大头装配件进行了最大拉载荷作用下的非线性求 解计算。文献 1 0 】采用了三维有限元方法，对4 1 0 8 q 型柴油机的连杆进行了动态 特性分析，分析其模态分布情况以及每一模态下的振型，指出了连杆的薄弱环节。 文献 1 1 1 1 1 2 1 基于特征的建模技术进行三维实体建模，并建立了连杆整体有限元 模型。 在边界条件的处理上，文献 1 2 1 对连杆( 包括螺栓、轴瓦和衬套) 的刚体位移 约束，根据所分析的问题和模型确定约束边界条件，分析的重点部位不同采用不 同的约束边界条件。当考察连杆大头孔内表面的变形情况时，一般对连杆小头孔 内表面全约束。当考察连杆变形情况时，由于连杆大头孔与曲柄销连接，曲柄销 一端面全约束，另一端面可以轴向移动，在连杆小头顶端一节点横向进行位移协 调约束等。文献【1 3 】对连杆及轴承进行有限元分析时，考虑了轴承长度和弹性变 形等边界条件的影响。 在载荷施加上，文献 1 4 】用弹性变形恢复力来描述预紧载荷，能较准确地反 映螺栓预紧力的大小、螺栓预紧载荷的变化和影响；连杆轴瓦装配预紧力是以面 力的形式作用在接触面上；惯性载荷按余弦分布规律施加在连杆小头上；最大爆 发压力按余弦分布规律施加在连杆小头圆孔上。文献【1 5 】柴油机连杆进行整体三 维有限元分析计算中，把连杆的受力状态锁定在工况最恶劣的瞬时，将其转化为 静力作用下进行分析。模拟计算时，视连杆为一个二力杆，固定约束曲柄销的中 心线，在活塞销上施加载荷。 1 4 本文研究的主要目的与意义 高强度、轻量化、低成本是汽车发动机连杆的发展趋势，我国的发动机钢锻 连杆制造技术与国外差距不大，但在连杆轻量化方面与国外存在差距，而铝基粉 锻连杆在轻量化方面有较大的优势，同等排量下铝基粉锻连杆的质量比铁基的连 杆要轻4 5 左右【1 6 1 。 研究连杆在不同工况下的应力、应变情况，根据获得的应力数据，计算连杆 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 危险部位的疲劳安全系数，确定其是否满足强度要求，若不满足，需要对其进行 结构优化，若满足，则可进行试验验证与数值模拟的结果是否相近，若数值模拟 结果与试验结果相近，则可为以后连杆的设计提供有力参考数据，缩短连杆开发 设计周期。所以，对连杆进行有限元分析具有实际意义。 1 5 本文的主要内容及思路 本文以柴油机3 8 l 的铝基粉锻连杆为研究对象，在p r o e 软件建立连杆的 三维几何模型，然后导入h y p e r m es h 软件中进行六面体网格划分，最后导入 a b a q u s 中分析，运用弹性接触理论分析连杆在最大转矩工况下和最大惯性力 工况下的应力、应变分布情况，找出连杆的最大应力位置，从而判定连杆是否满 足强度要求：并且根据所得应力值计算连杆疲劳安全系数，来校核连杆疲劳安全 性能。除此之外，本文还对连杆螺栓预紧力进行了模拟分析，讨论了不同螺栓预 紧力对连杆大头的影响。 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章连杆有限元分析计算载荷和计算工况的确定 在发动机中，连杆主要承受活塞销传来的气体作用力和活塞组往复运动时产 生的惯性力。此外，由于连杆变速摆动而产生的惯性力矩，还使连杆承受一定的 弯矩。这些力和力矩的大小以及方向都作周期性变化的，因此连杆所受的是压缩、 拉伸和弯曲的交变载荷。 连杆在复杂的土作环境下主要受气体作用力、运动质量( 活塞组件、连杆) 惯性力、摩擦力以及外界阻力等。摩擦力主要取决于运动零件的制造质量与润滑 情况，其数值相对较小，在对连杆进行受力分析时可以忽略不计。因此只考虑气 ， 体作用力、运动质量( 活塞组件、连杆) 惯性力作用。如下图2 1 曲柄连杆机构 运动简图，其曲轴回转中心线和活塞销中心线均与气缸中心线相交。 图中： j j j r 图2 - 1 曲柄连杆机构简图 f i g2 - 1s k e t c ho fc r a n k s h a f ta n dc o n n e c t i n gr o d 三奎杆长度； k 曲柄销半径； 曲轴的角速度； 青岛理工大学工学硕士学位论文 仪曲轴转角； b 连杆的摆角，逆时针为正，顺时针为负； k 活塞的位移。 连杆不是单一工作部件，它是与衬套、活塞销、轴瓦、曲柄销以及螺栓组成 的装配体，除了承受以上几种作用力外，还受螺栓预紧力以及衬套和轴瓦的过盈 力作用。因此本文中对连杆的受力分析取下四种： ( 1 ) 气体作用力； ( 2 ) 活塞组件的惯性力； ( 3 ) 连杆自身的惯性力； ( 4 ) 预紧力( 螺栓预紧力、衬套与小头以及轴瓦与大头产生的过盈力) 。 2 1 最大气体作用力 表2 - 1 发动机连杆的参数 t a b2 - 1t h ep a r a m e t e ro fe n g i n ec o n n e c t i n gr o d 连杆载荷计算数据 气缸压力( p g ) m p a 5 6 缸径( d ) ( r a m ) 9 5 7 行程( r a m ) 8 5 曲柄半径( m m ) 4 2 连杆大小头孔中心距( r a m ) 1 5 5 4 活塞总成质量( 1 【g ) 0 6 0 5 连杆小头 连杆往复运动质量k g 0 6 1 7 ( 包括活塞总成) 连杆旋转运动质量l g 0 0 0 0 杆身连杆往复运动质量k g 0 6 9 4 ( 包括活塞总成) 连杆旋转运动质量l g 0 0 0 0 连杆大头连杆往复运动质量l g 0 6 9 4 ( 包括活塞总成) 连杆旋转运动质量l 【g 0 1 0 0 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 最大燃烧气体爆发压力 只= p g s = p g 翮2 4 ( 2 - 1 ) 式中，f 厂- 最大气体压力，； 尸r _ 缸内气体压强，m p a ； 卜活塞的投影面积，m m 2 j 出_ 缸径，m m 。 在发动机工作循环的四个冲程中，气体作用力始终存在。但由于进排气行程 中气体压力较小，对连杆影响不大，故对气体压力的研究主要出现在作功和压缩 行程中。而本文主要研究内容是在最大作用力情况下的连杆应力应变情况，所以 取连杆在作功行程中所受的气体压力，此时燃烧气体产生的爆发力直接作用在活 塞顶部，然后通过活塞将气体压力传递给活塞销，再由活塞销传给连杆。因此， 连杆在此时受到最大燃烧气体的爆发压力作用，根据上述发动机参数表2 - 1 计算 连杆在最大燃烧气体爆发压力。 2 2 活塞组件的惯性力 活塞组件包括：活塞、活塞环、活塞销，它们均随活塞在气缸中作变速运动， 其平均速度可高达1 0 1 4 1 1 1 s 【18 1 。这样的高速会产生很大的惯性力，它对连杆产 生很大载荷影响，活塞组件的惯性力计算如下。 吒，= 一m h = 一m h r 缈2 ( 1 + 五) ( 2 - 2 ) 式中，f 广活塞组件的惯性力，； m 扩“塞组件的质量，姆； 卜活塞组件的平均加速度，； 卜曲柄销半径，m m ； 曲轴的角速度，r a d s ； 见- 连杆比，允= r l ； 己连杆长度，m m 。 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 3 连杆的惯性力 连杆在发动机中的工作循环表明，连杆既随着活塞作往复直线运动又绕着曲 柄销作旋转运动。所以连杆不仅受往复运动的加速度惯性力还受变速的向心加速 度。整个连杆的质量为m ，根据质量守恒和质心守恒定理，有 所以 m ”= 聊1 + 聊2 ( 2 - 4 ) m l ，l 2 m 2 ，2 聊。= 弘聊：= 钞 式中，m 。连杆集中在小头的当量质量，单位为堙， ( 2 5 ) ( 2 6 ) 聊z _ i 奎杆集中在大头的当量质量，堙； 旌杆质心到小头的距离，m m ，； 如连杆大头到质心的距离，m 小。 1 连杆作往复运动的惯性力 连杆作往复运动的惯性力为： r = 一m ，( 1 + j t ) r c 0 2 ( 2 - 7 ) 式中，凡连杆身往复惯性力，单位为；此力通过连杆质心而平行于气缸 的中心线。 m ，连杆作往复运动质量，船； 歹活塞组件的加速度，耐； 国曲轴的角速度，r a d s ， 允连杆比，九- - r l ； i _ j 奎杆长度，m m 。 2 连杆旋转运动的惯性力 连杆作旋转运动绕曲柄销产生向心加速度，因而产生的向心惯性力为： r = 一m ，r ( d 2 ( 2 8 ) 青岛理工大学工学硕士学位论文 式中，b 旋转惯性力，； m ，连杆旋转部分质量，姆； 卜曲柄销半径，m m ； ( i ) 曲轴的角速度，r a d s 。 根据以上公式及发动机连杆数据，计算的连杆载荷如表2 2 所示。 表2 - 2 连杆的载荷 t a b2 - 2c o n n e c t i n gr o dl o a d 惯性载荷( ) 上止点下止点上止点下止点 上止点下止点 最大转矩工况 4 9 0 5 02 8 1 5 75 5 0 7 53 1 5 6 16 1 1 7 33 7 6 6 0 ( 3 6 0 0 r m i n ) 最大惯性力工 1 0 3 1 6 85 8 7 3 31 1 5 9 8 06 5 9 7 21 2 8 9 5 17 8 9 4 3 况( 5 2 5 0 r m i n ) 惯性载荷，气体压力 上止点下止点上止点下止点上止点下止点 最大转矩工况 3 5 7 7 5 62 8 1 5 73 5 1 7 3 23 1 5 6 13 4 5 6 3 33 7 6 6 0 ( 3 6 0 0 r m i n ) 最大惯性力工 1 0 3 1 6 8- 5 8 7 3 31 1 5 9 8 06 5 9 7 21 2 8 9 5 17 8 9 4 3 况( 5 2 5 0 r m i n ) 2 4 轴瓦过盈量计算 曲轴轴瓦一般由钢瓦背与减摩层组合而成，瓦背保证整个轴瓦的机械强度， 而薄的减摩层保证良好的摩擦性能。 轴瓦的刚度和强度主要依赖轴承座，因此安装时要有一定的过盈量，保证与 轴承座紧密贴合。 过盈量不足，轴瓦与轴承座就不能作为一整体一起变形，只能分别承载。在 动负荷作用下产生振动、弯曲应力，将使轴瓦合金层、瓦背甚至整个轴承座断裂。 轴瓦使用后如发现钢背与轴承座贴合面处存在磨亮痕迹，就表明过盈量不足。另 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 外，过盈量不足也会影响摩擦热通过钢背传给轴承座。 过盈量太大，则轴承紧固螺栓及轴瓦本身所受应力过大，导致轴瓦屈服、松 弛。这样不仅轴承盖与轴承座在安装时所具有的必要的预紧力会失掉，而且轴瓦 在轴承座内原有的过盈量也要减小，反而适得其反。另一方面，过盈量过大使轴 承座变形失圆，轴瓦对口面处直径收缩，严重时则发生烧瓦现象。所以，从轴瓦 对口面处出现异常磨损就可证明过盈量太大了【19 1 。 可见，合适的轴瓦过盈量对发动机的工作性能十分重要。本节对轴瓦的研究， 主要是计算轴瓦与连杆大头孔具有合理的过盈量。对轴瓦的过盈量计算如下： 连杆轴瓦总厚度为2 m m ，外层材料为0 8 钢，厚1 5 m m - 1 7 m m ，其余材料为 2 0 高锡铝合金，轴瓦当量壁厚t 牛，连杆轴瓦弹性模量为2 1x1 0 5 m p a ，泊松比为 0 3 0 。轴瓦最大半圆周长高出度为hm 。x _ o 0 2 m m ，可算得最大半圆周过盈量为： 而一= u + 日。+ 万a 1 2 = 6x1 0 一d z p o ( b x ，) + h 。诅。+ 万a 2( 2 9 ) = 0 0 6 2 ( 聊垅) 式中：h 棚孵卅瓦最大过盈量，m m ； f 卜一形量，m m ； d 广j 奎杆大头孔与轴瓦配合直径，5 9 m m ； z 厩轴瓦最大圆周长高出度，0 0 2 m m ； 良卅瓦宽度，1 9 3 r a m ； 模具座孔公差，0 0 1 6 m m ； p 。试验测试力，取4 7 5 0 n 。 在连杆组件件分析模型中轴瓦两端各取h 舢2 作为配过盈量，即取0 0 3 1 为 轴瓦过盈量在后续的连杆组件中进行分析。 2 5 工况的选择 发动机工作的过程中，连杆小端随活塞作往复直线运动，大端随曲轴作旋转 运动，而连杆体本身为平动。通过对连杆在发动机中的工作情况分析可以得出， 连杆的最大拉伸载荷出现在进气冲程的上止点附近，最大压缩载荷出现在压缩冲 程的上止点附近，因此选择这两个位置进行应力分析。具体分为两个工况： 工况1 ：最大惯性力工况 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 连杆受活塞组的惯性力作用、连杆自身的摆动惯性力、连杆小头衬套和大头 轴瓦的径向装配应力和连杆大头所承受的螺栓预紧力； 工况2 ：最大转矩工况 连杆载荷包括活塞组的惯性力、连杆自身的摆动惯性力、活塞销上承受的燃 气压力、连杆小头衬套和大头轴瓦的径向装配应力和连杆大头所承受的螺栓预紧 力。 2 6 本章小结 本章比较全面的介绍了连杆在工作过程中的受力情况，并分别对连杆小端、 杆身和连杆大端在不同的工作情况下进行了受力分析及计算，同时确定了轴瓦装 配时产生的过盈量。最后由连杆工作状况和受力情况确定了连杆有限元分析的工 况，即最大惯性力工况和最大转矩工况。 青岛理工大学_ 【：学硕士学位论文 第3 章连杆实体建模和有限元模型的建立 连杆工作时承受着由活塞传来的气体压力、活塞组件和连杆本身运动产生的 惯性力、连杆螺栓的预紧力、小端衬套及大端轴瓦的过盈力等，然而国内部分连 杆有限元分析的文献中，只建立了连杆体模型，未计入连杆相关组件，这样建模 与连杆实际工作情况有较大差异，会影响分析结果的准确性。因此有必要对连杆 组件进行全部建模，连杆组件包括：连杆体、连杆螺栓、衬套、活塞销、轴瓦、 曲柄销。 3 1 连杆几何模型的建立 本文根据3 8 l 柴油机铝基粉锻连杆的实际尺寸，在p r o e 软件中建立连 杆的j 维几何模型图，如图3 】所示。 图3 - 1 连杆模型图 f i g3 - 1c o n n e c t i n gr o dm o d e l 由图3 1 可以看出，连杆大、小头相对纵截面、杆身的横截面对称，且杆身 呈“工”字形，与连杆大小头圆滑过渡。为了避免有限元网格的尺寸大小相差太 大而影响有限元单元质量和计算精度，把一些对连杆分析结果影响很小的小倒 青岛理工大学工学硕士学位论文 角、小圆角作了简化处理。 3 2 连杆有限元模型的建立 h y p e r m e s h 软件是a l t a i r 公司为用户提供的一款简便易用且功能强大的创建 和编辑c a e 模型的工具。在二维及三维c a e 模型的创建过程中，用户既可以使 用多种网格生成功能，亦可籍于h y p e r m e s h 强大的自动网格生成工具自动生成 高质量的分析模型。同时h y p e r m e s h 还具有直接读取业界主流的c a d 模型文 件以生成有限元分析模型的能力。在此基础上，h y p e r m e s h 强有力的几何清理 工具能自如修复模型导入过程中产生的各种几何错误，以保证在网格生成阶段得 到高质量的分析模型，除了输入如此简便之外，h y p e r m e s h 软件的输出功能也很 强大，满足多种软件的要求【2 。 鉴于h y p e r m e s h 在划分网格、处理模型以及输入输出方面的优点，本文采 用h y p e r m e s h 软件对连杆组件进行网格划分。 在对连杆模型进行划分网格之前，需要对连杆结构进行观察。由图3 1 可以 看出，连杆模型较复杂，其大小头与杆身过渡处圆弧以及杆身内槽均是不规则的 形状，因此需要对连杆模型进行剖分，对连杆结构进行剖分的好坏直接影响到后 续连杆网格划分的质量。以下是对连杆进行六面体的网格划分的思路： ( 1 ) 对整个模型进行观察，然后做出模型的剖分策略，剖分的核心思想是 将复杂的模型剖分成几个易于划分规则网格的简单模型组合。在h y p e r m e s h 中 一般采用t r i mw i t hn o d e s t r i mw i t hl i n e t r i mw i t hs u r f s p l a n e 等方法对模型进行分 割： ( 2 ) 对划分好的各剖分体进行自动面网格划分，观察划分好的面网格，对 于不规则的面网格要进行局部调整。在h y p e r m e s h 中调整网格的方法一般是选 取不规则区域的网格进行重新划分。重新划分的方法是，根据规则的网格分布趋 势，修改自由边的网格数目，使不规则的网格对齐成规则分布的网格，从而为后 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 续生成规则体网格做好了准备。 ( 3 ) 将各剖分体的面网格生成为体网格。在h y p e r m e s h 中将面网格生成 体网格的方法一般有6 种，均是s o li dm a p 模块下的g e n e r a l 、l i n ed r a g 、l i n e a rs o l i d 、 e n d so n l y 、o n ev o l u m e 、m u l t is o l i d s 。 很多文献中对连杆进行网格划分多采用四面体单元【9 、1 0 、1 1 | 。四面体单元网 格划分较为简单，且四面体单元如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不 正确的结果，使用了中间节点又会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题， 而六面体单元在后续的求解过程中，无论从结果的准确度还是计算的效率方面均 大大优于四面体网格，因此本文对连杆的分析采用六面体网格。 图3 - 21 1 4 连杆的几何模型 f i g3 - 21 4g e o m e t r yo fc o n n e c t i n gr o d 采用1 4 模型进行有限元网格划分，这样既可以获得需要的有限元模型又可 以减少网格的数目，从而提高模型的计算效率。若采用了四面体单元进行网格划 分较为简单，但四面体网格数目相对于六面体网格数目增加了3 7 7 ，且最后计 算的应力结果与六面体单元计算的结果相差5 9 【22 1 ，并且在连杆杆身与大小 1 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 头过渡圆弧处采用六面体单元更容易判断哪个方向的应力较大，为后续模型的优 化设计提供了有效依据，鉴于以上几个因素，所以本例对连杆采用六面体单元进 行网格划分。 划分网格：根据前面三维模型划分网格的思路，先对连杆模型进行观察剖分， 由图3 2 连杆的全模型可以看出，模型为轴对称模型，并且连杆所受载荷也关于 中心线( 或轴线) 对称，且施加的载荷也为轴对称，所以取l 4 模型进行有限元 网格划分。对连杆模型剖分为三部分，如图3 3 所示。 第2 部分 筇l 部 一分 图3 - 3 模型的剖分 f i g3 - 3t h ep a r t i t i o no fm o d e l 模型剖分成三部分后，对模型进行面网格划分。从上图中可以看出第1 、3 部分的网格划分相对第2 部分网格较易，且第2 部分网格需要以第1 、3 部分网 格做基准。所以首先对1 、3 部分进行网格划分，再对第2 部分进行网格划分。 第l 、3 部分的网格划法如下： 首先，对第1 、3 部分的上表面进行自动q u a d s 面网格划分； 其次，利用投影将上表面的网格复制到下表面上，这样做为后续的体网格生 1 8 分部 簌f 苛岛理工大学工学硕十学位论文 成对应做好了准备； 最后，通过s o l i dm a p 模块巾的l i n ed r a g 进行六面体生成。需要注意的是划 分好的两部分体网格在相接处的网格要衔接好，并且需要对连杆过渡圆弧处和 衬套、轴瓦接触处的网格密度进行) j t l 密。 第2 部分网格的划分如下： 观察第2 部分图，将第2 部分进行细致观察分析后进行剖分，如图3 - 4 所示， 剖分后的第2 部分分为7 块： 将划分好的7 块模块分成两类，一类是以1 、7 块需要注意的不规则圆弧， 另一类是简单规则的小模块2 、3 、4 、5 、6 。1 、7 块网格是通过s o l i dm a p 中旋 转模块牛成，而简单模块则是通过l i n ed r a g 模块将六面体网格生成。 1 - - ， r 一 5 力 6 t 力 图3 - 4连杆模型第二部分 f i g3 - 4t h es e c o n dp a r to fc o n n e c t i n gr o dm o d e l 最后对划分好的连杆六面体网格要进行检查修改，一般有以f 三步： 1 ) 为防止出现网格重复，影响后续的有限元计算，将连杆体网格隐藏，删 除而网格； 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 ) 连杆模型的不规则会导致模型内部存在多余的节点，需要通过t o o l 模块 中的f a c e 查找出多余节点，然后采用e q u i v a l e n c e 来去除内部多余的节点： 3 ) 最后要检查网格质量，如偏斜度、翘曲度、雅克比数、尺寸比例等是否 满足模型后续分析的要求。划分好的网格如图3 5 所示。 图3 - 51 4 连杆有限元模型 f i g3 - 51 4f e m o ft h ec o n n e c t i n gr o d 由上述连杆六面体网格的划分问题可知，三维模型六面体网格划分包含了几 何结构的观察剖分，网格的局部加密，各部分之间的网格连接。网格划分的方法 根据各种模型不同而异，需要认真思考找出一种即可，不管采用什么样的方法划 分网格要注意以下几点： 1 ) 在划分网格前，要弄清楚模型分析的重点何在，对接触部位要进行加密