ANSYS 软件在农用机车内燃机连杆应力分析中的应用.doc

ANSYS软件在农用机车内燃机连杆应力分析中的应用江桂兰，王广云，田德宇（1平顶山工业职业技术学院 河南平顶山 467000；2漯河职业技术学院 河南漯河 462002 ）摘要：在农用机车零部件的设计中，一个重要的问题是分析零部件各部分所受到的应力，因为应力的大小直接关系着零部件在实际工作中的可靠性和安全性。ANSYS软件的出现很好地解决了这个问题。讨论了ANSYS软件在农用机车内燃机连杆应力分析中的应用问题。关键词：ANSYS软件，农用机车，内燃机连杆，应力分析作者简介：王广云（1955）女，河南平顶山人，平顶山工业职业技术学院副教授。主要研究方向为有限元。在农用机车零部件的设计中，一个重要的问题是分析零部件各部分所受到的应力，因为应力的大小直接关系着零部件在实际工作中的可靠性和安全性。由于农用机车往往在露天环境工作，而且工作强度一般较大，所以零部件的可靠性和安全性就显得更为重要。传统的应力分析方法费时耗力，且精确性差。ANSYS软件的出现很好地解决了这个问题，本文拟讨论ANSYS软件在农用机车内燃机连杆应力分析中的应用问题。一、ANSYS的功能ANSYS软件是集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。它主要包括3个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。1前处理模块PREP7这个模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自底向上与自顶向下。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动和复制实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉和旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、复制和删除。ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸网格划分、映像网格划分、自由网格划分和自适应网格划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。自用网格划分可对复杂模型直接划分，避免了各部分分别划分后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算，估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。2分析计算模块 前处理阶段完成建模后，用户可以在求解阶段获得分析结果。ANSYS软件提供的分析类型如下：（1）结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。（2）结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。（3）结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。（4）动力学分析ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。（5）热分析程序可处理热传导的3种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的3种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。（6）电磁场分析主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。（7）流体动力学分析ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可分为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。（8）声场分析程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分析，或预测水对振动船体的阻尼效应。（9）压电分析用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其他电子设备的结构动态性能分析。可进行4种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。3.后处理模块POST1和POST26ANSYS软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26。用户可以很容易获得求解过程的计算结果并对其机械能显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。二、基于ANSYS软件的内燃机连杆的有限元应力分析1在Solidworks中建模采用Solidworks对其进行三维实体建模，而不是直接在ANSYS中建模，因为在有限元中进行实体建模会带来很大的工作量，一些复杂零件的重要细节有时无法模拟。这样用Solidworks建模既能节省时间又能准确地反映零件的结构特点和边界条件。2将模型导入Ansys中导入文件体分解定义单元类型、材料、生成网格保存。3载荷处理载荷特点即三维建模发动机工作时,连杆的受力是周期变化的,在计算时采用准动态模拟分析方法,即把连杆的受力状况固定在工况最恶劣的最大燃气爆发压力引起的最大压缩工况和连杆本身的惯性力引起的最大拉伸工况,把动力学问题转化为静力学问题来分析。最大拉伸工况为进气上止点(0),最大压缩工况为压缩上止点(360),此两种载荷的作用力方向通过连杆大、小头孔中心的连线,并且作用在连杆大、小头孔的内表面上,沿轴向呈抛物线分布,沿径向呈余弦分布。由于连杆盖通过螺栓与连杆紧紧结合在一起,在有限元分析时,把连杆盖和连杆处理为一个整体。计算模型是分析研究的前提。所建立的模型应能如实反映结构的几何形状、材料特性、传力路线、承载方式及边界约束条件。连杆是由各个分离的组件组装而成,各部分之间存在着许多配合面,其接触状态复杂,对连杆的强度和刚度有很大影响,完全不考虑这些因素所得出的计算结果和真实的力学性态有相当的差距。由此可见,连杆分析的复杂性在于杆身和瓦盖,大端、瓦盖与轴瓦,小端与衬套,以及连杆螺栓与杆身、瓦盖各个部分之间相互配合关系的不确定性,在连杆工作的每一瞬间这些连杆零件的相互作用力也在变化,其间复杂的接触状态也只有通过计算之后才能明确,因而这本质上是一个非线性的多体接触问题,即边界非线性问题,不可能用常规的线性有限元法解决。采用的连杆有限元分析模型是三维多体接触组合模型。计算模型中计入了连杆组装的全部零件,并将所有零件的相互配合关系用多体接触模型来模拟;同时,计算模型中还包含了活塞销、曲柄和连杆颈,并且在活塞销与衬套之间,以及连杆颈和轴瓦之间也按接触关系考虑,由此可以准确地模拟小端的加载和大端的支承情况,这就是将活塞销、连杆、曲柄销视为一个整体系统统一考虑的连杆组合计算模型建模的基本原则。在此基础上,结合计算量、计算精度的综合因素,利用以下方式建立最终使用的计算模型。从连杆结构上来看,连杆为大端结合面呈平切口连杆,整个连杆组件是一个对称结构,它共有两个对称面,一个是杆身厚度方向的中间剖面,即杆身的摆动平面,另一个是连杆结构平面的中间对称平面;连杆的载荷也都对称于以上的两个中间剖面,因此,对于这样一个双向对称结构受对称载荷的问题,由力学理论可知,只要在各对称平面内考虑对称的位移边界条件可以沿其两个对称面切开而只取其1/2作为计算模型。如此,则可在一定的计算机容量下,将网格划分得更细密,并在接触面上布置更多的接触点,即增加了非线性求解的规模,从而使分析更加精细。有限元网格划分是在现有连杆的三维实体造型的基础上,运用ANSYS进行分析使计算模型与实物尽可能接近。为了提高计算精度,应进行如下分析:（1）连杆大端与瓦盖上螺栓压紧座面的圆角过度处向来是连杆强度的薄弱环节,该处应力集中显著,因此该部位的网格应划分得足够密,否则不能反映其应力梯度。(2)由于大端与瓦盖是齿形联接,所以大端结合部的结构相当复杂,对连杆接触计算的焦点多集中于此。接触表面是波纹形状,并且齿宽与连杆厚度相差很大,加上有连杆螺栓孔的影响,因而精确计算齿根应力是困难的,要求该处的网格必须划分得相当密才有可能达到定量分析的水平;由于连杆工作时承受周期循环变化的载荷,在载荷发生一个交变循环中,齿面的接触内力也随之发生变化,大端孔将产生两种形式的椭圆变形,即椭圆的长、短轴交替变化,这种变化可能在循环瞬间引起一部分齿面接触力升高而一部分接触力下降,甚至为零,这就有可能产生齿面的分离、滑动和磨损,因而,要想能深入、全面地了解齿面接触状态,也要求该处的网格划得很密。(3)杆身中间区域不直接