（机械制造及其自动化专业论文）4v105柴油机连杆有限元分析与优化设计.pdf

高校教师硕一l 学位论文 摘要 柴油机连杆在工作中承受复杂的载荷 对连杆的机械性能要求较高 连杆应该具有 足够的抗疲劳强度和结构强度 同时质量应该尽可能小以减少惯性力对连杆工作过程的 影响 采用常规设计难于使连杆达到既轻又可靠的要求 传统用解析法对连杆所受的应 力和应变情况分析 解析误差太大 本文介绍了4 v 1 0 5 柴油机连杆的工作概况 利用 c a e 设计分析程序a n s y s 对连杆进行了有限元分析和优化设计 在对连杆模型进行分 析后 对连杆模型进行适当的必要的简化 利用a n s y s 有限元分析软件的a p d l 参数 化建模功能对4 v 1 0 5 型柴油机连杆进行参数化建模 并对连杆模型进行了a n s y s 前处 理 根据连杆的受载状况 对连杆进行载何分析 通过引入相应的惯性力 根据前期 削 a m s 对4 v 1 0 5 柴油机连杆动力学仿真结果 施加以工作过程产生的最大合载为外 力 将求解连杆的动力问题化为相应的静力问题 根据分析的结果 对连杆有限元模型 进行加载并求解 对结果进行了简要结构强度计算分析 用有限元的方法对连杆杆身尺 寸进行了优化 并对优化结果进行较详细的体积变化分析 结构强度校核以及疲劳分析 对连杆进行相应的实验测试验证等 以验证连杆尺寸优化结果的合理性 最后得出了合 理的连杆优化设计结果 为进一步研究该型号柴油机连杆的其他动态性能或进一步优化 连杆大小端相关尺寸提供了有价值的依据 避免大量实验验证过程 降低设计成本 提 高设计效率 缩短开发周期 关键词 连杆 有限元 a n s y s a p d l 优化 高校教师硕士学位论文 p r o v i d e dt h ev a l u a b l eb a s i st ot h ee n d 如r t h e r s t l j d y i n gt h e0 t h e rd y n a m i c 如n c t i o no v i n ga 锣p et h ed i e s e lc o 加e c t i n gr o do ro p t i m i z i n gc o n n e c t i n gr o ds 娩e 如n h e r a v o i dl a r g ea m o u n t o f e p e r i m e mv e r i 匆i n gp r o c e s s r e d u c ed e s i g nc o s t i m p r o v ed e s i g n i n ga ne 虢c t s h o n e n ac o n s t m c t i o nc y c l e k e yw o r d s c o 衄e c t i n gr o d f i m t ee l e m e n t a n s y s i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均 已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 穆枷 日期 郦年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借 阅 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于一 l 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密团 请在以上相应方框内打 作者签名 箨枋日期 溉妇f 日 导师繇兹彬吼泖睁 月1 日 高校教师硕士学位论文 1 1 连杆的工作概况 第1 章概述 连杆是内燃机的一个重要的结构零件 它将活塞承受的力传给曲轴 并将活塞的往 复运动转变为曲轴的旋转运动 连杆小端与活塞一起作往复运动 大端与曲轴一起作旋 转运动i 因此在发动机工作时连杆作复杂的平面运动 连杆 x 4 v 1 0 5 柴油机连杆有限元分析与优化设计 方法 2 j 最初用于固体力学问题的数值计算 上世纪7 0 年代在英国科学家z i e n 虹e 埘c z o c 等人的努力下 将它推广到各类场问题的数值求解 如温度场 电磁场 也包括流 场 有限元的基本原理和特点 有限元方法是近似求解一般连续域问题的数值方法 它 最先应用于结构的应力分析 很快就广泛应用于求解热传导 电磁场 流体力学等连续 问题 对于一个连续体的求解问题 有限单元法的实质就是将具有无限多个自由度的连 续体 理想化为只有有限个自由度的单元集合体 单元之间仅在节点处相连接 最后根 据所求得的各单元的节点位移 利用单元分析得到的关系 就可求出各单元的应力和应 变 3 从而使问题简化为适合于数值求解的结构型问题 工程设计人员使用这些系统 就可以高效而正确合理地确定最佳设计方案 有限元法离散方程的获得方法主要有直接刚度法 虚功原理推导 泛函变分原理推 导或加权余量法推导 一般采用加权余量法推导 4 1 有限元法的优点是解题能力强 可以比较精确地模拟各种复杂的曲线或曲面边界 网格的划分比较随意 可以统一处理多种边界条件 离散方程的形式规范 便于编制通 用的计算机程序 在固体力学方程的数值计算方面取得巨大的成功 但是在应用于流体 流动和传热方程求解的过程中却遇到一些困难 其原因在于 按加权余量法推导出的有 限元离散方程也只是对原微分方程的数学近似 当处理流动和传热问题的守恒性 强对 流 不可压缩条件等方面的要求时 有限元离散方程中的各项还无法给出合理的物理解 释 对计算中出现的一些误差也难以进行改进 对于不同物理性质和数学模型的问题 有限元求解法的基本步骤是相同的 只是具 体公式推导和运算求解不同 有限元求解问题的基本步骤通常为 第一步 问题及求解域定义 根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域 第二步 求解域离散化 将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有 限个单元组成的离散域 习惯上称为有限元网格划分 显然单元越小 网格越细 则离 散域的近似程度越好 计算结果也越精确 但计算量及误差都将增大 因此求解域的离 散化是有限元法的核心技术之一 第三步 确定状态变量及控制方法 一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题 状态变量边界条件的微分方程式表示 为适合有限元求解 通常将微分方程化为等价的 泛函数形式 第四步 单元推导 对单元构造一个适合的近似解 即推导有限单元的列式 其中 包括选择合理的单元坐标系 建立单元形函数 以某种方法给出单元各状态变量的离散 关系 从而形成单元矩阵 结构力学中称刚度矩阵 2 4 v 1 0 5 柴油机连杆有限元分析与优化设计 的正确性和成功率难以保证 总之 传统的许多分析方法越来越难以满足高社会经济效 益和高性能提出的精益设计的要求 而a 姬技术正是设计分析技术的革命 为产品的 可靠性和高效性提供技术保证 同时避免大量实验验证过程 降低设计成本 提高设计 效率 缩短开发周期 a n s y s 软件是一个以有限元分析为基础的大型通用c a e 软件 它具有强大而广泛 的分析功能 一体化的处理技术嘲 在内燃机领域使用有限元方法 可以很直接地分析 内燃机零部件的结构问题 有限元技术的应用提高了内燃机零部件设计的可靠性 缩短 了设计周期 大大推动了内燃机工业的发展 将现代设计方法引入产品设计之中 通过分析优化来提高原有产品的性能与质量 是传统产品设计改进的一个重要方向 长期以来 我国内燃机产品多采用类比设计的思 想进行开发 且结构与尺寸一旦确定 往往很长时间不作改动 随着内燃机向高速轻质 低噪声及低排放方向的不断发展 原有产品越来越不能适应日益严格的法规要求 对比 国外同型号先进机型 国产连杆质量偏大 致使在相同转速下曲轴和机体承受的惯性载 荷过大 直接影响了整机振动噪声性能的进 步改善 本文即是在此背景下提出的 目的是通过采用现代设计方法及有限元技术 对连杆 的结构参数进行优化 寻求降低连杆质量的具体方向 为进一步改进产品设计提供参考 对连杆进行优化设计 关键是要选取适合的有限元方法和效率高的优化方法以及选取适 当数目的优化设计变量 7 1 在连杆的有限元计算中 准确地施加载何是非常重要 作用于连杆上的载何 如连 杆大小端上轴承的载何 连杆惯性力等其大小和方向都是随曲轴转角的变化而变化的 怎样将这些载何准确的施加到连杆的有限元模型上 是值得我们研究的 根据计算所得 的连杆的应力应变的分析结果 如何选取优化设计变量和高效的优化方法 也是分析的 一个要点 1 4 连杆的优化设计方法及国内外现状 目前 有限元法已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 是 研究发动机连杆的应办 应变的应用中最常用的方法 该方法较用传统的材料力学公式 计算的结果更为精确 鉴于此 本文应用有限元技术对4 v 1 0 5 柴油机连杆进行静力分 析及优化 近年来 国内外许多学者对内燃机连杆的有限元分析进行了大量的研究 连杆的强 度计算 在有限元法应用于连杆分析以前是对连杆小端 杆身和大端分别按均匀平面曲 梁和直梁计算 由于没有考虑截面的变化以及载荷和计算公式的简化 计算精度较差 4 高校教师硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代初采用常单元插值 线性单元插值和边界元嗍等方法对连杆 进行平面应力应变分析 9 采用 连杆多质量代替系统 的准静态平面变厚度有限元法 由最大应力和最小安全系数来判别强化后连杆的安全性 并提出改进连杆结构的途径 对连杆的三维实体应力应变分析开始于9 0 年代初 连杆的计算分析在早期多采用经验 公式 有限元理论和方法提出后 迅速在连杆分析上得到广泛应用 比如对内燃机连杆 三维有限元分析 连杆的有限元分析模型经历了一个由简单到复杂 由浅入深的演变发 展过程 从最早的曲梁模型 到2 0 世纪七八十年代的平面连续模型 以及9 0 年代至今 的三维实体模型 目前 内燃机工程中的结构优化设计已广泛使用二维结构优化设计方法 并正在向 三维的结构优化设计方向发展 但由于零部件的三维形状一般较为复杂 要较好地描述 其形状就不得不增加优化设计变量的数目 这就使得计算量急剧上升 而且优化设计变 量一增多 有限元网格就变得更加庞大 而优化设计过程中有限元网格的边界节点是在 不断变化的 从而很难保证网格能在较大范围内变动而不发生过分歪斜 所以 通常只 是做局部结构的三维优化设计 对于发动机连杆来说 由于上述原因 一般只取大小端 或杆身作为研究对象 认为大小端与杆身断裂截面上的应力在优化过程中保持不变 从 而将其作为力边界条件施加于优化设计模型中 1 0 1 而实际上该截面的应力在优化设计过 程中是不断变化的 因而这种割裂连杆整体性的做法有其不合理性 对连杆的分析通常忽略次要载荷而取5 种主要机械载荷 即衬套装配预紧力 轴瓦 装配预紧力 连杆螺栓预紧力 作用在连杆小端的最大拉伸载荷 活塞组件及连杆本身 的惯性力 和最大压缩载荷 气体爆发压力和惯性力的共同作用 连杆在工作过程中最危 险的工况为燃气压力爆发时的最大压缩工况和活塞组件及连杆本身的惯性力所引起的 最大拉伸工况 此时连杆处于o o 或3 6 0 0 位置 对轴瓦 衬套装配预紧力 早期的分析 计算采用组合厚壁圆筒理论 或者忽略轴瓦 衬套装配预紧力 显然这种简化不符合连 杆大小端的实际情况 刚度计算有较大误差 因此计算结果是很近似的 目前常用的处 理办法是利用均布温升产生的初应变来模拟过盈 计算精度较以前大为提高 早期的分 析计算将螺栓预紧力视为常数 且忽略螺栓在连杆变形时的承载作用 这样得出的结果 是粗糙的 尤其是齿形剖分面部位的应力精度 要提高连杆的计算精度 就必须考虑螺 栓装配力的变化 目前常用的处理办法是把螺栓也作为承载体系的一部分 采用温升来 模拟预变形 由温差使杆单元收缩而获得准确的螺栓预紧力 连杆有限元计算中载荷的 施加是非常重要的 严格地说 前述5 种载荷只有使用接触单元和接触算法才有可能真 正模拟其本质 使计算状态趋于实际情况 有限元分析中 接触问题一直是个难点 连杆不是独立存在的 它与活塞销 曲 4 v 1 0 5 柴油机连杆有限元分析与优化设计 轴等零件组装成一个系统 这些零件间的接触面有接触力的作用 采用接触分析 将能 最大限度地模拟连杆与活塞销 曲轴间的关系 在分析连杆时 为考虑其它零件刚度的影响和力的传递 在计算模型中包括其它的 相关零件 其中非分析零件一般可作较大的简化 随着近年来计算机硬件技术的提高和 接触理论的广泛研究和应用 对连杆分析中的接触问题的研究也越来越多 2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代初吴昌华等在理论上提出了关于内燃机连杆弹性接触有限元分析的几个 问题 9 0 年代末期到本世纪初对连杆的分析大都采用三维实体接触模型 分别对不同的 约束边界条件 采用增压技术前后连杆刚度和强度储备对比等情况进行了应力应变分 析 虽然对接触问题的处理至今仍是一个难点 接触边界状态随变形过程的发展不断变 化 且事先难以确定 接触面间存在的接触摩擦是典型的非线性问题 但显然随着有限 元程序处理接触问题的能力越来越强 接触机理的研究越来越深入 接触和接触摩擦的 有限元处理技术已经成为工程研究热点之一 也必将为连杆的精确应力应变分析提供技 术途径 鉴于实际情况 本文考虑连杆分析模型包括连杆 衬套 轴瓦等 连杆受力是 通过加在连杆小端孔内衬套内表面 加在连杆大端孔内轴瓦内表面的载荷来计算分析 连杆上接活塞 下连曲轴 将活塞的往复直线运动转换为曲轴的回转运动 使缸内 燃油燃烧所产生的热能转变为曲轴输出的机械功 连杆组的运动情况比较复杂 小端部 分随活塞组作往复直线运动 大端部分随曲轴的曲柄销作旋转运动 杆身部分作由往复 运动和摆动所组成的复合运动 因此连杆的受力情况十分复杂 在其杆身的每一个截面 上都会有弯矩 剪力和法向力 但弯矩和剪力都不大 杆身的主要载荷是交变的拉压载 荷 l l 由于连杆是一个作高速复杂平面运动的结构 其静力分析模型又作了很多简化 还不能完全真实地反映连杆在工作时的受力情况 因此 有必要对连杆结构的静力分析 模型作进一步的改进 在改进连杆结构的分析模型时 采用动力分析的有限元法进行连 杆的结构计算分析是最理想的 但是 这种计算由于连杆牵连运动的复杂性而较为复杂 因此 需要寻求一种实用的静力分析的改进模型 连杆结构准动态分析模型是在其静态 分析模型的基础上 通过考虑其体积力而对载荷作重新计算和处理所得到的 根据达朗 伯原理 1 2 l 只要在作用于连杆的力系中 引入相应的惯性力 即体积力 就可以将求解 连杆的动力问题化为相应的静力问题 本文对4 v 1 0 5 型柴油机连杆就是采用的准动态 分析模型 连杆是汽车的重要零件 一个轻而可靠的连杆在工作中将产生较小的惯性力 它有 助于减轻汽车轴承负荷及振动 然而 采用常规设计难于使连杆达到既轻又可靠的要求 传统用解析法对连杆所受的应力和应变情况分析 解析误差太大 基于a n s y s 的结构 优化设计在解决结构优化问题时是有效的 实用的 是结构优化设计实现方法的一个重 6 4 v 1 0 5 柴油机连杆有限元分析与优化设计 数进行优化 2 优化方案 连杆优化设计的方案流程大致如下 研究4 v 1 0 5 型柴油机连杆相关 技术参数 模型特点 1r 基于有限元分析软件a n s y s 平台 进行有限元结构分析 j r 1r 基于有限元分析软件a n s y s 平台 进行结构优化并评价 8 高校教师硕士学位论文 第2 章连杆的有限元模型 本文采用a n s y s 软件建立连杆的三维实体模型 分析模型包括连杆 衬套 轴瓦 等 另处 对连杆的杆身和连杆盖做一些简化处理 这样对a n s y s 有限元分析有利 而且和真实受力情况相差不大 2 1 有限元的基本理论 有限元分析过程中 为了适应三维结构的各种复杂的曲面边界 往往将结构划分成 大量的单元 用小的直边去近似结构的曲面边界 同时在单元内部多取一些节点 单元 有较多的位移自由度 就能插值表示出复杂的单元内部位移场 这样 单元本身的精度 就提高了 可以用较少的单元来解决结构分析问题 实践表明 对于复杂的三维问题 使用较高精度的复杂单元是更有利的 总计算量可以减少 划分单元也比较方便 作为 三维离散化的模型单元有四面体单元 三棱柱单元 四棱柱单元 任意六面体单元等 用有限元进行结构分析是将连续体分离成单元 然后对单元进行分析 得到以节点位移 为未知数的大型线性方程组 用消元法或迭代法求出位移的近似值 以求出各节点的应 力值 这种先分后合 以有限的单元代替连续的弹性体的方法 便是有限元法的基本思 想 一 1 连续介质力学 连续介质认为结构是连续的 组成结构的材料没有间隙和空洞 连续介质力学就是 研究在外力作用下连续实体的特性 假设连续体具有确定的材料特性 2 运动学关系 连续介质力学中 通过确定每个材料点在外力作用下的运动状态 即可决定结构的 变形状态 材料点位置a 用定位矢量r 表示 变形后位置a 用定位矢量r 表示 作用在p 点上的力 f 的强度可用应力矢量 来表示 矗 p f y l y 5 应力分量 由正应力和剪应力构成 应力分量实际上是二阶张量的分量 共九个元素 大多数 条件下张量是对称的 故实际上只有六个独立的应力分量 p b 仃y 盯 f l o o a一耖o a一缸a一钯o a一缸o o a一砂o a 一如 鬲校教帅坝士竿伍论又 6 本构关系 应力分量和应变分量通过材料定律相联系 在材料具有工程意义的较大范围内应力 分量和应变分量具有线性关系 p e p 一瓴 杌 2 3 其中 为热应变 p 为初始应力 e 弹性系数矩阵 材料特性与方向无关的各 向同性材料具有两个独立的材料常数 通常称为工程常数 弹性模量或杨氏模量e 和泊 松比旷 根据实验 各向同性材料的正应变与正应力间有如下关系 q 壶p j u p 仃 l 2 4 占 2 圭p y 一 z 吒 1 2 5 乞 丢p 一u b 工 矿y 为 2 6 剪应变为 11 2 百 2 石f 弦 曩2 石f 曩 u 其中剪切模量g 利 2 1 d 7 平衡条件 应力分量必须平衡 应用牛顿力学我们可以写出平衡条件为 陋r p 一留 其中 x 为外部力 平衡条件展开后为 2 7 2 8 2 9 2 1 0 堕 丝 丝一x o 舐 砂 出 坠 堕 堕一x 产 苏 砂 出 7 丝 坠 堕一x o 彘砂 毖 8 虚功原理 是平衡的另一种描述方法 虚功可表示为内力虚功和外力虚功之和 由于内力虚功 与内部虚应变能u 相反 作用在物体上的力通过虚位移作的虚功可表示为 4 v 1 0 5 柴油机连杆有限元分析与优化设计 6 再 一鼬七翮蕊 将反映位移运动约束的应变 位移关系代入可得平衡方程 组拉格朗日算子 它就是满足运动学条件所要求的约束力 9 单元刚度方程 利用虚功原理可建立单元节点力和节点位移的关系式 f 瞰 6 2 1 1 此平衡方程可认为是一 2 1 2 此式即为单元刚度方程 阍 称单元刚度矩阵 1 0 结构节点平衡方程 利用虚功原理可得出全部节点的外载荷与节点位移间的关系式 k 5 r 2 1 3 它是求解有限元问题的基本方程 其核心问题是形成总刚度矩阵 2 2 接触问题简介 1 接触问题二般分为两类 刚体对柔体和柔体对柔体 1 刚体对柔体 一个或多个接触表面作为刚体 一个表面的刚度比另一个表面的 刚度要高很多 许多金属成形问题归入此类 2 柔体对柔体 两个或所有的接触体都可变形 所有表面刚度相差不多 螺栓法 兰连接是一个柔体对柔体接触的例子 2 a n s y s 有三种类型的接触单元 1 节点对节点 这是指接触的最终位置事先是知道的 2 节点对面 接触区域未知 并且允许大滑动 3 面对面 接触区域未知 并且允许大滑动 3 面对面接触单元 a n s y s 支持刚体对柔体和柔体对柔体的面对面接触单元 这些接触单元使用 目 标面 和 接触面 的概念来形成接触对 面对面接触单元使用增强的拉格朗日法施加 接触协调条件 默认 作为一个可选项 还可以用罚函数法 1 2 高校教师硕士学位论文 触面 目标面 图2 1 面对面接触示意图 面对面接触单元象皮肤一样覆盖在下面的有限元模型上 这些单元非常适合面对面 接触应用 如过盈装配接触 进料接触 锻造等 面对面接触单元由分别定义目标和接触表面的独立的单元类型组成 接触对通过共 用一个实常数指定 目标1 6 9 和1 7 0 单元 刚性或可变形的目标表面 接触1 7 1 到1 7 4 单元 二维和三维接触单元 c o i n r a l 7 4 单元是一种三维八节点高阶四边形面一面接触单元 每个节点有三个平 动自由度 用于表示三维 目标一面 t a r g e l 7 0 和本单元所定义的变形面之间的接触 和滑移状态 它下面覆盖的单元是有中间节点的实体单元 板单元或者壳单元 如果其 依附的单元没有中间节点 c o n t a l 7 0 单元的中间节点就被取消 本单元也可以应用在 库仑摩擦模型和剪应力摩擦模型 髓r g e l 7 0 是三维三节点目标单元 与相关接触单元联用 来模拟面一面接触 t a r g e l 7 0 单元可以覆盖在刚体或变形体表面 并通过共享实常数号与相关接触表面配 对 在目标单元上可以施加平动 转动位移以及力 力矩 温度等其它载何 4 面对面接触处理 对于面对面接触单元 一个面指定为 目标 面 另一个面为 接触刀面 对 于刚体对柔体接触 刚体表面总是指定为目标面 对于柔体对柔体接触 接触面与目标 面都与变形体相关联 接触单元被约束 不能侵入目标面 然而 目标单元能够侵入接 触面 2 3 建模方案的确定 连杆的功用是将活塞承受的力传给曲轴 并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运 动 连杆小端与活塞销连接 同活塞一起作往复运动 连杆大端与曲柄销连接 同曲轴 一起作旋转运动 因此在发动机工作时连杆作复杂的平面运动 连杆工作时 主要承受 1 3 4 v 1 0 5 柴油机连杆有限元分析与优化设计 由活塞传来的气体压力 活塞组件和连杆本身运动的惯性力 连杆螺栓的预紧力 小端 衬套与大端轴瓦的过盈力 这些力都是处于连杆的摆动平面内 而且这些力沿连杆厚度 方向上可以认为是均布的 在垂直连杆摆动平面的方向上又无其它外力作用 所以 连 杆本身建模时可以简化为平面应力问题 过去设计人员常用二维有限元进行分析 采用 平面应力分析 建模简单 加载方便 工作量小 对计算机的要求不是很高在一些要求 不高的情况下 可以对连杆进行平面应力分析 但结果偏离实际太多 由于连杆工作时 的危险点常在连杆大 小端与杆身的过渡处 如果按二维平面问题进行建模 将其简化 为平面应力问题来计算 那么 工 字形梁的结构就会发生改变 其承受载何的能力必然 也会受到影响 最终导致最后的分析结果与实际结果有很大偏差 不利于后续研究优化 设计的开展 1 7 如果采用三维立体建模 可以显著改善二维平面有限元分析的不足 模 拟更加真实 提高了分析结果的可靠性 本文所研究的连杆取自4 v 1 0 5 柴油机 它的形状不规则 所以本文对此连杆采用 三维立体建模 分析模型包括连杆体 连杆盖和连杆螺栓 衬套与轴瓦 因为连杆大端 是剖分的 连杆盖用螺栓紧固 为使结合面在任何转速下都能紧密结合 连杆螺栓的拧 紧力矩必须足够大 另外本连杆的优化设计主要针对杆身 连杆受力是通过加在连杆模 型各节点上的惯性力和加在连杆衬套 轴瓦内表面的载荷的合载来计算分析的 由于连 杆的形状不规则不对称 故选取整个连杆来建立模型 由于只考虑连杆整体的受力 对 不影响结果和对结果影响较小的部分 如油孔 过渡圆角 定位槽等进行简化或忽略不 计 采用a n s y s 的前处理模块进行建模工作 由于连杆的结构和载荷均对称 因此分 析时只采用一半进行分析 这并不影响实际应力的分布 而且在建模前可对计算模型进 行合理简化 一些小的细节可不必在模型中体现 这并不影响分析所要求的精度 这样 既节省了计算时间 又减少了存储容量 在建模过程中 采用由底向上的建模方式 按 照尺寸建立面后 采用延伸的方式生成体 对不同区域设定合理的单元长度 选用四面体四节点单元 由程序自动进行有限元 网格划分 在结构的接触面之间设置接触单元以模拟接触效应 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 1 4 高校教师硕士学位论文 2 4 连杆模型的建立 在本文中 模型的建立是有限元分析的基础和优化设计的条件 进行有限元分析 首先要建立相应的有限元模型 科学的有限元模型是计算结果准确与否的基础 正确的 实体模型是形成有限元模型的关键 所以 建立准确可靠的连杆的实体模型 是一项最 为重要的工作 本文使用有限元软件a n s y s 对4 v 10 5 柴油机连杆进行优化设计 必须在a n s y s 中参数化的建立实体模型 因为在优化设计的迭代过程中需要不断地变更设计变量 所 以建模中有关设计变量数值应该以参数化的形式输入 2 4 1 实体模型的建立 本文研究的连杆模型取自4 v 1 0 5 柴油机 属斜切口连杆 几个主要的尺寸为大小 孔中心距2 1 0 咖 大端孔直径7 0 n l m 小端孔直径3 6 m m 小端厚度2 9 衄 大端厚度 2 9 n 吼 杆身厚度2 2 眦 图2 2 所示为4 v 1 0 5 柴油机连杆初始设计图 首先确定决定杆身形状的几个关键尺寸 并定义设计变量为杆身尺寸t k l n 9 在满足强度条件下 尽量减少重量以减少惯性力和材料 杆身是影响连杆重量的主要 因素 大小端可在此基础上进一步优化 所以本文只优化杆身尺寸 t k l t k 9 是影响杆 身形状和质量的主要参数 其中t k l 和n q 主要是为了在a n s y s 中用参数建模时便 于控制杆身尺寸 根据a n s y s 加载分析后应力显示 杆身和小端连接部位应力较大 杆身和小端连接部位的过渡圆弧n 为以及n 会影响应力 故初步优化这九个参数 连杆大 小端与杆身的过渡区是应力最严重的地方 为减少应力集中 在设计连杆时 小端孔不仅要有足够的壁厚外 还要使小端与杆身的过渡圆角在合理的范围内尽量大 些 然后建立大小端的模型 根据4 v 1 0 5 柴油机连杆初始设计图得出设计变量初始值如表2 1 高校教师硕士学位论文 利用a n s y s 的查询功能查出初始设计连杆总体积为 t v o l 1 2 6 1 4 0 6 8 2 2 2 5 2 2 8 1 3 6 4 m i n 3 2 1 4 式中t v o l 为连杆总体积 2 4 2 定义单元类型 有限元的基本点在于将实体离散为有限自由度的一个个单元 每个单元在内部遵从 一定的位移模式 而在各单元的连接处保持连续 对不同的问题 需要应用不同特性的 有限元单元 以反映其特点 从而达到最佳的分析效果 因此 对有限元分析 选择合 适的有限元单元极为重要 单元选择不当 则分析结果可能误差较大 甚至完全不对 在a n s y s 单元库中有1 0 0 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 由于此连杆三维 模型不规则 所以选取单元为三维实体单元 三维单元又分为六面体单元和四面体单元 考虑到体的自由网格 x 4 v 1 0 5 柴油机连杆有限元分析与优化设计 它们不随温度变化或随温度变化 此处定义连杆和连杆盖的材料均为各向同性的线弹性材料4 0 c r 弹性模量为2 1 l 1 0 5 a 泊松比为o 3 其屈服强度8 0 0 m p a 强度极限为1 0 0 0 a 密度为7 8 0 0 k g m 3 且弹性模量和泊松比都不随温度的变化而变化 1 引 2 4 5 网格的划分 定义了实体模型以后 必须对实体模型进行网格的划分 网格的划分就是将几何形 状离散成称之为单元或网格的小块 1 9 j 才能产生有限元分析所需要的网格 同样的实 体模型可以生成不同的有限元模型 好的有限元模型单元排列得比较整齐 单元形状比 较接近 单元尺寸变化不突然 因此 即使是同一个实体模型 也应该通过一定的控制 使其产生尽量符合有限元计算要求的高质量的网格 进行网格划分控制的设置在整个有限元分析过程中是至关重要的 在该步骤中所进 行的设置将会影响到有限元分析过程的精度以及经济性 a n s y s 为用户提供了强大的网格划分控制工具1 2 0 a n s y s 本身对于网格划分的默 认控制就可能产生高质量的分网 在这种情况下 用户不需要特别地指定网格划分控制 在a n s y s 中有两种网格划分方法 自由网格划分和映射网格划分 自由网格划分 对于单元形状没有特殊的限制 也没有指定的分布模式 而映射网格划分则不同 不仅 对于单元形状有所限制 单元排布模式也有特殊的讲究 由于本文所分析的连杆形状不规则 单元形状也不规则 故对此连杆采用自由网格 划分方式 在自由分网中 单元的默认尺寸是由d e s i g n 命令设置的 但是 如果不是处于特 殊需要 而特意地使用d e s i g n 命令设置分网的默认尺寸 则最好使用s i n a r t s i z e 功能 s m j 疵s 协是a n s y s 所提供的强大的自动分网工具 有自己内部计算机制 使用 s m a r t s i z c 在很多情况下更有利于在网格自动生成的过程中生成形状合理的单元 s i n a n s i z e 的控制可分为基本 高级两种方法 所谓基本控制也就是简单地指定s n 娅t s i z e 的分网水平即可 s i i 斌s i z e 的分网水平值处于1 划分最细 一1 0 划分最粗 之间 a n s y s 将自动地设置一套独立的控制值 以产生所需要的尺寸水平 考虑到本文所分析的连杆没有什么特殊要求 故使用自由网格划分中的s r 嘣s 协 工具 选取分网水平值为6 首先 定义将要划分的网格单元为s o l i d 9 2 对整个连杆 模型划分网格 共得到3 6 3 3 8 个体单元和5 5 9 4 2 个单元节点 图2 5 显示了连杆在 s m a n s i z e 尺寸水平为6 下的网格划分结果 1 8 高校教师硕士学位论文 图2 54 v 1 0 5 柴油机连杆f e a 模型 2 4 6 创建接触对 利用a n s y s 接触向导创建连杆小端和衬套 连杆大端和轴瓦 螺栓联接等接触对 模拟装配关系 1 9 4 v 1 0 5 柴油机连杆有限元分析与优化设计 第3 章连杆载荷的计算 在连杆的有限元计算中 处理作用于连杆上的载荷是一件极为重要的工作 由于作 用于连杆上的载荷系统一般都比较复杂 特别是某些载荷沿边界的分布规律难以用理论 或测量的方法来确定 而往往是采用一些假定的分布规律来模拟 因此 如何正确的模 拟这些载荷的分布规律 是有限元法计算中不容忽视的问题 由于连杆与衬套 轴瓦 螺栓为一装配体模型 所以考虑连杆衬套 轴瓦过盈装配 及拧紧螺栓产生的预紧力 所以本文仅考虑连杆受到以下4 种力的作用 1 作用于活塞的气体作用力 2 活塞组件的惯性力 活塞组件中所有零件 包括活塞 活塞环 活塞销 活塞 销卡环 均作变速往复直线运动 3 连杆自身的惯性力 4 预紧力 4 v 1 0 5 柴油机连杆工作时 承受的应力是周期性变化的 一般情况下 应选择连 杆承受最大拉力和最大压力两情况进行分析 以便得到两情况下的应力和变形分布情 况 同时利用此计算结果来近似地进行连杆疲劳强度的计算 为其改进和设计提供可靠 的依据 连杆在工作过程最大载荷出现在进气冲程开始的上止点附近 最大拉应力 和膨 胀冲程开始上止点附近 最大压应力 因此本文取连杆的这两个位置进行应力分析 3 1 气体作用力的计算 在做功行程时 连杆受到由活塞 活塞销传过来的最大爆发压力 对连杆来说 施 力物体是活塞销加载时把最大爆发压力作用在活塞销上方 连杆处于最大压缩状况时 曲轴转角a 为9 0 0 这时候作用于连杆的力有 最大燃气爆发压力 曲轴箱内气体压力 活塞组的往复惯性力 连杆的惯性力 小端在压缩工况下工作条件最恶劣 因而也就是 最危险的 表述做功冲程的气体压力函数时考虑到每一个做功冲程运行时间很短 只有约0 0 1 秒 故将工作冲程看作是气体多变过程 气体变化的压力用以下公式 3 1 表示 2 1 f1 i j f 吨 么 t 么胁嘛吣棚 川3 1 式中 f n 单位为n p b 为工作冲程的爆发压强 9 a 约9 0 个大气压 v c 为 高校教师硕士学位论文 气缸燃烧室容积 4 5 1 0 5 m 3 石 d 么为气缸截面积 r 为曲轴曲柄回转半径为o 0 6 m t 为时间变量 n 1 为做功冲程时的绝热指数为1 1 8 工作冲程末端压强为2 1 6 6 8 4 p a 3 2 活塞组件的惯性力 活塞组件中的所有零件包括活塞 活塞环 活塞销和活塞销卡环 均以活塞加速度 j 作变速往复直线运动 计整个活塞组件的总质量为 i p 活塞组件的惯性力公式阎 3 2 p j 脚 j 3 2 式中 惯性力p j 单位为n 总质量n l p 单位为k g 加速度j 单位为州s 2 3 3 连杆的惯性力 连杆是一个作高速复杂平面运动的构件 它的静力分析模型还不能完全真实地反映 连杆在工作时的受力情况 因此 有必要对连杆结构的静力分析模型作进一步的改进 在改进连杆结构的分析模型时 采用动力分析的有限元法进行连杆的结构计算分析是最 理想的 但是 这种计算由于连杆牵连运动的复杂性而较为复杂 因此 需要寻求一种 实用的静力分析的改进模型 连杆准动态分析模型是在其静态分析模型的基础上 是通 过考虑其体积力而对载何作重新计算和处理所得到的 根据达朗贝尔原理 只要在作用 于连杆的力系中 引入相应的惯性力 即体积力 就可以将求解连杆的动力问题化为相 应的静力问题 为了进一步简化这种计算 在计算中不考虑连杆振动的影响 3 4 预紧力 包括连杆衬套和小端过盈装配的预紧力 轴瓦和大端装配的预紧力及拧紧螺栓产生 的预紧力 螺栓预紧力用于保证连杆大端紧固的可靠性 它对连杆大端处的应力分布有着比较 明显的影响 它不随时间变化 在节点连接的构造中 螺栓预紧力对节点受力及稳定性 状态至关重要 因此如何正确的施加螺栓预紧力在利用a n s y s 进行节点连接有限元模 拟中非常关键 运用a n s y s 软件进行有关螺栓的计算分析基本都是摩擦接触分析 接 触分析是典型状态非线性分析 而在分析过程往往还要考虑材料的塑性 这就使分析成 为状态非线性和材料非线性组合在 起的高度非线性分析 因此如何施加螺栓的预紧 力 合理的建立模型 就显得很重要 通常 a n s y s 软件中模拟各种装配的预紧力 主要可以通过直接加载法 等效力 法 等效应变法和等效温度法来实现 本文通过等效温度法来实现 2 1 4 v 1 0 5 柴油机连杆有限元分析与优化设计 3 5 连杆大小端的载荷的等效计算 连杆推力方向是沿连杆中心线作用在连杆上的力 它反映连杆承受载荷情况 由于 连杆是通过活塞销与活塞连接的 因此活塞销将自身承受的合力传给了连杆 主要是活 塞承受的气体压力 当合力为正值时 连杆受压 产生压缩应变 当合力为负值时 连杆受拉 产生伸长应变 根据连杆受力公式 3 3 足 p 正虿忑石 3 3 其中p 为活塞销合力 栅 2 8 5 7 a 为7 5 5 2 2 5 0 代m a 的值后 可得出连杆受力 a d a m s 仿真结果为图3 1 1 iil lf 矗 i磊 l ii i 再 zz i i i i i ii i l 己 i j i i i j ll i 1 l i z j一 njf r 一j 二 热 i i 一土 滁1 i 膝蕊 s i i 一 y矿y 丫一 c x x r 砭 r 馨 一 影 辅y c 吨 z 确r o r f t i i 一 ily 7 矿 j 7 lzl 卜7 i r 了y v一 l 鼍 l 1 r 7 一 f 一 p 7 v l 4 v 1 0 5 柴油机连杆有限元分析与优化设计 第4 章连杆有限元模型的加载与求解 在连杆的有限元计算中 处理作用于连杆上的载荷是一件极为重要的工作 由于作 用于连杆上的载荷系统一般都比较复杂 特别是某些载荷沿边界的分布规律难以用理论 或测量的方法来确定 而往往是采用一些假定的分布规律来模拟 本文考虑连杆为一装 配体模型 连杆受力是按余弦分布规律加载在连杆衬套 轴瓦内表面上 在连杆大小端 和衬套 轴瓦采用接触的方式加载 连杆既是传力构件又是运动构件 其受力情况很复 杂 而连杆失效多为在周期变化的外力作用下的疲劳破坏 故连杆的计算应考虑预紧 最大惯性力和最大燃烧压力3 种工况 以获取在危险工况下连杆应力和变形的分布情 况 计算出了连杆的惯性力和作用在大小端内表面的载何以后 要把它们施加到连杆的 模型上 有两种加载方法 直接在实体模型上加载和在有限元模型上加载 有限元分析 中的载荷 根据分析对象的实际情况 载荷可以直接加在实体模型上 也可以将载荷加 在有限元模型上 如加在节点或单元上a 如载荷加在实体模型上 在有限元分析过程中 程序会自动将载荷转化到节点和单元上 由于连杆做复杂的平面运动 受力较复杂 不 容易直接在实体模型上加载 所以加载到连杆的有限元模型上 由于连杆上各点的惯性 力的大小 方向各不相同 所以连杆的惯性力是分别加到每一个节点上的 作用在大小 端内表面的载何是作为表面压力施加在大小端内表面上的 有限元计算涉及到的数据类型多 数据量大 产生的结果数据量也大而复杂 对输 入信息的检查核对 结果数据的理解的难度迫使人们去探求更新的软件技术 科学计算 的可视化技术正是在这一背景下发展起来的软件技术 它凭借计算机自身及其配套设备 的图形和图像形式 可以使用静态的或是动态的画面 并可以交互式的呈现于研究者和 工程师的面前 以加快与加深它们对被模拟的对象的分析和理解 所有的计算及结果可视化处理工作都在a n s y s 分析软件上完成 在a n s y s 软件 的后处理 g e n e r a lp o s tp r o c e s s 0 r 中 用户要查看节点或单元的计算结果 有三种方式 可以实现 1 用等值线 c o n t o u rp 1 0 t 的方式 包括彩色云图或等值线 2 采用矢量 方式 v e c t o rp l o t 3 采用文本文件的方式 可以显示或保存 同时 该软件也可以用 图示或列表方式来显示用户所定义截面 a n s y s 称为路径操作一p a n lo p e r a t i o n 上节点 计算结果的分布四 经a n s y s 软件后处理后 应力单位一律采用m p a 图中均为等效应力 校核计算 也均取等效应力 高校教师硕士学位论文 4 1 预紧力加载 在预紧工况下 连杆承受螺栓预紧力 连杆轴瓦装配时产生的预紧力以及连杆衬套 过盈产生的预紧力 螺栓预紧力通过在螺栓单元节点上施加节点温度 由温差使单元收 缩而实现准确的预紧力 连杆轴瓦装配预紧力和连杆衬套过盈量产生的预紧力均以面力 的形式作用在接触面上 也可用温升的方法加载 连杆衬套和小端过盈装配的预紧力 轴瓦和大端装配的预紧力加载后 如图4 1 示 螺栓预紧力加载后 如图4 2 示 4 2 边界条件的处理 图4 1 预紧力图示 图4 2 螺栓预紧力图示 目前 内燃机结构有限元分析的误差主要来源于边界条件的处理不当 而不在于有 限元单元的离散误差 针对连杆 位移边界条件包括消除连杆整体模型的刚体位移和解 决位移函数在边界上的初始条件两方面 其位移边界条件 由于连杆大端孔位置不对称 其几何形状仅相对于其摆动平面对称 为减小计算规模 取1 2 连杆模型进行计算 在 模型的对称剖分面上施加对称约束 如图4 3 所示 蝴糊娜 设嚣嚣 蓄黑分南示 高校教师硕士学位论文 图4 5 连杆压缩工况受力图 图4 6 连杆杆身和小端过渡处最小横截面图示 a d 蝴s 仿真结果显示连杆总载荷最大值 p 为6 1 8 7 7 2 n 连杆杆身和小端过渡处 最小横截面积 a 如图4 6 所示约为4 8 0 删玉 不考虑应力集中影响情况下 如果按材料 力学应力公式 2 5 1 p p a 计算杆身在和小端过渡处最小横截面积处最大应力值为 p p a 1 8 7 7 2 4 8 0 1 2 9 m p a 4 1 在确定了连杆大小端的总载荷以后 按上面所述规律把连杆大小端的力施加到连杆 大小端孔轴瓦 衬套的内表面 杆身的惯性力施加到每一单元上 按上述加载及约束条 件使连杆的受力及约束接近其实际工况 并且没有刚体位移 根据上述条件 利用a p d l 语言编程实现对连杆的加载求解 作用在大小端轴瓦 衬套内表面的载何是作为表面压力施加在大小端内表面上的 上文已经计算出了大小端作用力合力的大小和方向 选取大小端轴瓦 衬套内表面为施 加表面载何的面 这样就完成了大小端轴瓦 衬套内表面载何的施加 其中 按最大压缩工况计算出的大端轴瓦内孔最大分布载荷p i m a x 为 p l n i a x 6 1 8 7 7 2 2 2 9 3 3 3 2 3 3 l 仰a 小端衬套内孔最大分布载荷p 2 m 双为 p 2 m 矿6 1 8 7 7 2 2 2 9 1 7 6 2 7 5 m p a 2 7 高校教师硕士学位论文 图4 9 节点等效应力图示2 从应力图示看出 连杆大端应力较小 大端内表面虽有应力集中 应力也不是很大 杆身应力也较小 只有杆身和连杆小端过渡处外侧面稍大 小端内表面也出现了最大应 力 这是有应力集中的结果 据a n s y s 查询应力最大结果为 n o d es 1s 2 s 3s i n ts e q v 1 9 0 3 34 6 7 5 11 6 0 4 71 3 5 5 53 3 1 9 53 2 0 2 2 最大应力出现在小端内表面的1 9 0 3 3 号节点上 最大应力值为3 2 0 2 2 兆帕 4 0 c r 材料的屈服极限为8 0 0 御a 取许用安全系数n s 为1 5 则许用应力为5 3 3 御a 在最大 的压缩工况下 最大应力为3 2 0 2 2 m p a 小于许用应力 满足强度要求 杆身所受最大应力节点位置如下图4 1 0 示 图4 1 0 杆身所受最大应力节点位置 2 9 4 v 1 0 5 柴油机连杆有限元分析与优化设计 鬻鬻辫嚣蒸 i 誓纛 7 z i i i l i 妇荔 鬻攀藕蕊粪篱攀萋蘩囊缫鳞黪戆蘩篆 警黉蒸 崮潮囊 攀霾黼豢 攀霭鬻攀嚣蒸i i 囊爹爹攀 二 蔓善蓁嚣 嚣 舞 嚣 臻 弱 誓j 图4 1 1 节点数据查询对话框 通过如图4 1 1 查询知杆身所受最大应力节点