连杆的有限元分析.doc

北京工商大学毕业论文（设计）目 录第一章 序言11.1课题研究的目的和意义11.2课题的分析11.3研究内容2第二章 有限元的基本原理及其应用52.1有限元分析概述52.2有限元分析的优缺点62.2.1有限元法的优点62.2.2有限元分析的缺点7第三章 连杆的工作条件及载荷的确定83.1.连杆的结构和布置83.2柴油机一般采用斜连杆的原因103.3连杆的工作条件及受力113.4连杆的材料及制造工艺12第四章 连杆的建模164.1SolidWorks软件介绍164.1.1概述164.1.2 SolidWorks软件的特点174.1.3 SolidWorks软件的应用184.2连杆模型的建立184.2.1创建连杆的几何模型194.2.2连杆的力学模型的建立33第五章 计算结果及其分析415.1最大拉伸情况的结果与分析415.1.1连杆受拉时应力结果415.1.2连杆受拉时应变结果425.1.3连杆受拉时位移结果445.2最大压缩情况的结果与分析455.2.1连杆受压时应力结果455.2.2连杆受压时应变结果465.2.3连杆受压时位移结果475.3分析总结47引用文献50附录(英文翻译)52第一章 序言1.1课题研究的目的和意义连杆是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。现代汽车正向着环保节能方向发展，这就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。本文通过SolidWorks这个三维制图软件制作连杆的三维模型，然后通过COSMOSWorks软件，对连杆模型进行网格划分、加载和约束的处理，然后再进行计算分析，得出柴油机连杆在受拉和受压的两种工况下的应力、应变等分析结果。为连杆的设计和制造提供了一定的数据资料，具有一定程度的工程实用价值。 近几年，随着我国汽车工业的高速发展以及对环境保护工作的日渐重视，参照国外先进机型设计开发并引进关键的生产制造技术是目前迅速提高我国内燃机制造及开发水平有效措施。在人们普遍重视的汽车各种性能指标中，发动机的性能显得尤为重要。现在，我国各大汽车集团的主机厂发动机锻钢连杆制造技术与国外差距不大，不论从锻件的强度，表面强化技术，还是尺寸精度及产品的稳定性方面，都接近国外发达国家的水平，但在连杆轻量化方面，我国还相当落后。因此，对连杆进行三维建模及有限元分析具有其积极的意义。随着计算机技术的迅速发展，特别是有限元方法和分析软件的日益成熟，在连杆等发动机零部件的研制开发工作中，对其进行计算机数值模拟己成为辅助设计的重要手段。1.2课题的分析连杆是发动机的主要运动受力元件之一，它在工作中所受的各种外载荷复杂且作周期性变化。而且，即使是同一类型的连杆，每根连杆的物性参数、几何形状也存在差异。因此，在分析连杆的应力和应变时，要考虑这些不确定的因素，才能得到更符合实际的结果。目前，随着计算机技术的迅猛发展，有限元法己日趋成熟实用，所应用的领域越来越广并发挥出越来越重要的作用。此方法已成为工程技术领域不可缺少的一个强有力的计算分析工具，其在发动机零部件的设计分析中的应用亦有了很大的进展。其中研究连杆的应力、应变时，目前最常用的方法是有限元方法。要进行有限元分析，首先要建立三维实体模型。本文采用Solidworks进行建模。Solidworks是第一个在Windows操作系统下开发的三维CAD系统，包含了CAD/CAM/CAE功能的集成化软件，全面满足设计，分析，制造，产品数据管理的一体化要求。其基本设计流程为“实体造型(零件)虚拟(装配体) 二维图纸(工程图)”。COSMOSWorks是一种基于有限元分析技术的设计分析软件，是SARC公司工程分析软件产品之一。SRAC公司成立于1982年，是将有限元分析带入到桌面计算的先驱。1995年SARC公司与SolidWorks公司合做开发了COSMOSWorks软件，从而进入了工程界主流有限元分析软件的市场。1.3研究内容随着汽车工业制造技术的发展，对于汽车发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要，因此国内外各大汽车公司对发动机连杆用材料及制造技术的研究都非常重视。首先，本课题通过查阅收集国内外连杆的相关资料，了解该领域的研究动态。使我对连杆的结构、连杆的材料、连杆的制造工艺、以及连杆的发展趋势都有了一定程度的了解。连杆在发动机中直接与活塞销、曲柄销连接，通过弹性接触传递力的关系，所以，连杆的受力情况与活塞销、曲柄销有极大的关系。本论文对分析对象与别的构件间的接触问题，采用简化处理，因为连杆体和连杆盖用连杆螺栓紧紧固连在一起，所以在连杆静强度分析计算将杆身与杆盖合作为一个整体，这种分析模型虽然无法准确反映螺栓预紧力及各零件之间的相互作用与影响，但是对杆身部分的应力计算是方便有效的。本文以德国工程机械柴油机连杆为研究对象，采用SolidWorks软件建立了包括连杆体、连杆盖、连杆螺栓在内的三维有限元分析实体模型，采用COSMOSWorks软件建立连杆的静强度有限元分析模型，用高品质的实体网格对整个三维实体模型进行了网格划分，连杆大头与连杆套的接触面的接触条件定义为无穿透的接触类型，整个连杆的约束条件为将连杆大头采用固定约束，连杆小头采用轴向约束，从而限制的刚体的位移，然后通过COSMOSWorks软件在最大受拉和最大受压工况下分别进行有限元分析计算。对连杆的在最大受拉和最大受压工况下的应力、应变、位移等进行了简略研究，并且对两种工况下的结果进行了对比分析。第二章 有限元的基本原理及其应用本课题分析的核心思想是有限元法，所以有必要简单介绍一下有限元的基本原理及其当前在工程设计和零件加工中的应用。2.1有限元分析概述有限元法是把连续的弹性体划分为有限大小的、彼此只在有限个节点相连的、有限个单元的组合体来研究的。也就是设想把原来的结构用一个离散结构来代替，作为真实结构的力学模型，以后的数值计算就在这个模型上进行。这种把实际连续体划分为离散结构的过程，叫做有限元离散化，这些有限大小的单元，称为有限元，各单元间连接的点称为节点。所谓有限元法，其基本思想可从力学和数学两个角度来阐述。从力学角度来阐述，就是通过离散化的手段，把一复杂的连续体变成离散的单元;从数学角度来阐述，就是通过离散手段，把偏微分方程或者变分方程变成代数方程求解。离散就是把要分析的某连续体人为地分割成有限个单元，单元间通过节点连接起来。复杂的连续体经此离散化，可视为若干单元的组合体。对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、在子域分界面上(内部边界)以及子域与外界分界面(外部边界)上都满足一定的条件。单元组合体在已知外载荷作用下处十平衡状态时，列出一系列以节点位移为未知量的线性方程组。利用计算机解出节点位移后，再用弹性力学的有关公式，计算出各单元的应力、应变，当各单元小到一定程度，那么它就代表连续体各处的真实情况。内燃机要完成其独特的功能，大部分零件结构复杂，工作条件恶劣，这些零件的结构分析和设计是一件非常困难的工作。如连杆、活塞、缸盖、机体等零件，传统的设计方法所用的材料力学公式不能计算出这些复杂零件的应力。有限元法以其独特的特点，可以对结构形状和受载荷方式都十分复杂的零件进行分析，因而被广泛地运用在内燃机工程中，成为有限元法工程应用的一个重要内容。 有限元法应用于内燃机工程的目的可分为两类:一类是进行结构分析，内燃机的一些零部件时常发生损坏，用有限元法来分析和研究结构损坏的原因，找出危险区域和部位，提出相应的改进设计方案。一类是进行结构设计，在进行内燃机的结构设计时，可以预先对一些可能的结构方案进行有限元分析计算，再根据对计算结果的分析和比较，选取最佳的合理方案。活塞、连杆、曲轴、机体、缸盖、进排气等零部件的设计上己广泛地应用了有限元分析，它不仅可以计算零部件的静、动态应力下的强度问题，还可以计算活塞的温度场和应力、缸盖的热应力等。有限元法在内燃机工程上的运用，缩短了内燃机的开发周期和成本，提高了内燃机的可靠性、经济性。FEA不是唯一的数值分析工具，在工程领域还有其它的数值分析方法如有限差分法、边界元法和有限体积法。然而，由于FEA的多功能性和高数值性能，它占据了绝大多数工程分析的软件市场，而其它方法则被归入小规模的应用。使用FEA，通过不同方法理想化集合体，我们能够分析任何形状的模型，并且得到预期的精度。作为一个强有力的工程分析工具，FEA可以解决从简单到复杂的各种问题。一方面，设计工程师使用FEA在产品研发过程中分析设计改进，由于时间和可用的产品数据的限制，需要对所分析的模型做许多简化。另一方面，专家们使用FEA来解决一些非常深奥的 问题，如车辆碰撞动力学、金属成形和生物结构分析。不管项目多么复杂或者应用领域多广泛，无论是结构、热传导或者声学分析，所有FEA的第一步总是相同的，都是从几何模型开始。2.2有限元分析的优缺点2.2.1有限元法的优点有限元的优点十分明显，主要表现在:(1)整个系统离散成为有限个单元，并将整个系统的方程转换成一组线性联立方程，从而可用多种方法对其求解。(2)边界条件不进入单个有限元的方程。而是在得到整体代数方程后再引入边界条件，这样，内部和边界上的单元都能够采用场变量模型，而且，当边界条件改变时，内部场变量模型不需要改变。(3)有限元法考虑了物体的多维连续性，不仅在离散过程中把物体看成连续的，而且不需要用分别的插值过程把近似求解推广到连续体中的每一点。(4)有限元法不需要适用十整个物体的插值函数，而只需要对每个子域或单元采用各自的插值函数，这就使得其对复杂形状的物体也适用。(5)有限元法能很容易求解非均匀连续介质，而其他方法处理非均匀连续介质较困难。(6)有限元法适用线性和非线性的场合。2.2.2有限元分析的缺点 (1)有限元计算分析，尤其在对复杂问题的分析上，所耗的计算资源(内存，时间，磁盘空间)是相当大的。(2)对无限区域的处理，有限元法比较困难。(3)虽然有限元软件有自动划分网格的功能，但具体采用什么样的单元，网格的合理大小等有些问题还要依赖于经验。(4)有限元分析所得结果并不是计算机辅助工程的全部，而且一个完整的机械设计不能单独使用有限元分析来完成，必须结合其它分析和工程实践才能完成整个工程设计。第三章 连杆的工作条件及载荷的确定建立准确而可靠的有限元计算模型是决定有限元分析结果准确性的首要环节。然而，实际的工程问题往往是非常复杂的，在有限元分析中，做完全符合实际的力学模型往往是较困难的，这就要求在建立计算模型的过程中，做种种必要的简化，没有这种简化，这类结构的有限元法分析往往变得异常困难，有时甚至是不可能的。这种简化的结果，使得计算模型只能近似的反映工程实际问题，或者说计算模型在不同程度上都具有一定的近似性。但做出合理的简化是科学的，也是必然的。一般来说，这种力学模型的近似性所引起的误差要比有限元法本身的计算误差大得多。从这个意义上来说，在建立有限元计算模型之前，必须对所要研究的对象(连杆)进行深入的分析，掌握其结构上的特点及其工作环境，并对它在工作时所受到的载荷有明确的认识，在此基础上才能做出科学合理的简化。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。3.1.连杆的结构和布置连杆组件包括连杆体、连杆盖、小头衬套、连杆轴瓦及紧固螺栓等件。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:小头部分随活塞组作往复直线运动，大头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。下面来了解一下和它相连的结构，如下图3.1所示： 图3.1.连杆的布置形式一般有以下几种： 3-1a 3-1b 3-1c1并列式连杆布置(图31a)。2主副连杆布置形式(31b)。3叉形造杆布置形式(图31c)。3.2柴油机一般采用斜连杆的原因连杆大头按剖分面的方向可分为平切口和斜切口两种。平切口连杆的剖分面垂直于连杆轴线，如图3-2a和3-2b所示。一般汽油机连杆大头尺寸都小于气缸直径，可以采用平切口。柴油机的连杆，由于受力较大，其大头的尺寸往往超过气缸直径。为使连杆大头能通过气缸，便于拆装，一般采用斜切口连杆，如图3-2c所示 3-2a 3-2b斜切口式连杆的大头剖分面与连杆轴线成3060(常用45)夹角。平切口的连杆盖与连杆的定位，是利用连杆螺栓上精加工的圆柱凸台或光圆柱部分，与经过精加工的螺栓孔来保证的。斜切口连杆在工作中受到惯性力的拉伸，在切口方向也有一个较大的横向分力。因此在斜切口连杆上必须采用可靠的定位措施。斜切口连杆常用的定位方法有：3-2c斜切口连杆的定位方式示意图a)止口定位 b)套筒定位 c)锯齿定位3.3连杆的工作条件及受力连杆是发动机中传递动力的重要组件，它承受燃料燃烧时产生的气体力，它把活塞的直线运动变为曲轴的旋转运动并将作用在活塞上的力传给曲轴以对外输出功率。由于活塞往复运动的速度不断变化，使活塞在上、下止点处速度为零，在中间附近为最大，因而使活塞组件及随活塞一起作往复运动的连杆小头产生往复惯性力。曲轴及装在曲轴销上的连杆大头由于不停地旋转而产生离心惯性力。由此可见，连杆在发动机工作时，作较为复杂的平面运动，14要承受拉、压及惯性力等各种载荷，其受力较为复杂。它承受着衬套装配预紧力、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，此时连杆处于曲轴转角为0度或360度位置。就一般而论，连杆在工作中主要受到以下四种力的作用(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)均以加速度作变速往复直线运动;(3).连杆惯性力(4).预紧载荷:连杆螺栓装配预紧力和连杆衬套过盈装配产生的预紧力。3.4连杆的材料及制造工艺为了保证连杆的疲劳强度，要求连杆的材料要具有良好的综合力学性能及工艺性能。以往连杆材料几乎普遍采用碳素调质钢和合金调质钢，20世纪70年代由于石油危机，为节省能源，欧美和日本开始大量应用非调质钢，并取得很大的进展。随着汽车工业制造技术的发展，对于汽车发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要，因此国内外各大汽车公司对发动机连杆用材料及制造技术的研究都非常重视。连杆用材料1. 碳素钢和合金钢碳素调质钢和合金调质钢是连杆用钢的传统钢种，通常小功率的发动机采用碳素调质钢，大功率的发动机采用合金调质钢。碳素钢的碳含量范围通常是0.40%0.55% ，合金钢主要添加的合金元素是铬、锰、钼、硼，可单独添加或复合添加。碳素钢连杆的调质硬度一般在229269HBS，合金钢连杆的调质硬度可达到300HBS，但最高不超过330HBS，这主要是考虑后续的机械加工。调质连杆具有足够的强度和塑性，一般碳素钢抗拉强度可达到800 MPa以上，冲击韧度在60 J/cm2 以上；合金钢调质钢抗拉强度可达到900 MPa以上，冲击韧度在80J/cm2以上，可满足连杆的可靠性要求。我国汽车发动机调质钢连杆所用材料牌号和技术指标见表1。美国汽车发动机调质钢连杆所用材料牌号和技术指标见表2。日本及其它国家调质钢连杆所用材料牌号和技术指标见表3。调质钢连杆的制造工序是，棒料经过剪切，热锻成形，调质处理，强力喷丸、机械加工，装配和检测。我国在调质钢应用方面与国外差距不大，但在锻造技术方面与国外比还有一些差距。2.非调质钢非调质钢的强化机理是在中碳钢的基础上添加钒、钛、铌等微合金元素，通过控制轧制或控制锻造过程的冷却速度，使其在基体组织中弥散析出碳、氮的化合物使其得到强化。非调质钢省略了锻后的热处理，从而节省了能源，减少了生产工序，降低了成本。另外，由于省略了调质工序，避免了零件在热处理工序中产生的淬火裂纹和变形等一系列的质量问题，对提高产品质量有一定的好处。非调质钢按其强韧性可以分4类。早在20世纪60年代，美国在SAE1140钢的基础上提高锰含量并添加微合金元素，锻造后不经过调质处理即应用于轿车发动机连杆的制造中。70年代初期，德国、日本各钢铁公司和汽车制造厂家对非调质钢进行了大量的研究工作并开发了一系列钢种，应用于汽车曲轴、半轴、轮毂轴、发动机连杆、转向节臂等的生产中。20世纪80年代初，我国开始研究非调质钢，开发了十多个钢种，主要是钒系、锰钒系、锰钒氮系。另外，从切削角度每个系列都开发了添加易切削元素的钢种。其中，用于发动机连杆的钢种35MnVS、35MnVN、40MnV、48MnV等，这些钢种的强度级别都在900 MPa以下。通过疲劳试验，其结果表明，非调质钢连杆的疲劳强度与相同级别的调质钢相当。非调质钢由于其添加的是微合金元素，因此材料的成本不高。作为一种廉价的节能钢种，非调质钢正在逐步的取代调质钢，国外几乎完全采用非调质钢生产连杆。另外，随着发动机轻量化的要求，连杆的设计应力提高，中碳锰钒系列非调质钢的强度无法满足要求，再者裂解技术的应用现在正在扩大，C70S6系列的钢种的应用会越来越多。目前德国在该钢种的基础上开发了强度级别更高的钢种，正在推广应用。对于非调质钢，由于锻造后不再进行其他热处理，锻造工序决定了连杆最终的力学性能，因此控制锻造加热温度和锻造后冷却速度是保证非调质钢连杆性能的重要环节。一般要求采用感应加热，锻造后要有控冷装置。我国发动机连杆制造企业在锻造加热和锻后控制方面近年已经取得长足的进步，具备了应用非调质钢生产连杆的条件，将来非调质钢有望完全取代调质钢制造发动机连杆。3.粉末冶金连杆粉末烧结锻造工艺在20世纪60年代就已出现。当时，美国、日本及欧洲的一些国家均进行了大量的试验研究工作。由于当时金属粉末的种类极少，又受到成本的限制，发展不快。随着金属粉末、合金粉末的开发及相关工业的发展，粉末烧结锻造工艺也相应的得到发展，并且逐渐的应用到汽车结构件的制造之中。用粉末烧结锻造工艺生产汽车发动机连杆零件，最早是美国通用汽车公司进行这方面的试验并取得成功，但当时没有达到批量生产。随后，日本丰田汽车公司采用成分为F e -2Cu-0.55C-0.1S的合金粉末生产汽车发动机连杆，并与锻钢连杆进行了拉压疲劳性能对比试验。结果表明，粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆具有等同的疲劳性能。另外，采用4100S金属粉末，添加钛合金，使连杆的整体质量减轻到原来锻钢连杆质量的6580，并且通过了发动机台架试验。目前，丰田汽车粉末冶金连杆已经商品化。英国、瑞士、德国合作，选用一种成分为Fe-1.5Cr-0.5C的合金粉末试制发动机连杆，并通过零件拉压疲劳性能试验及发动机台架试验。德国还采用成分为F e - ( 0 . 3 5 0 . 4 5 ) C -(0.30.4)Mn-(0.10.25) Cr-( 0 . 20 . 3 ) N i 粉末冶金连杆，用在Porsche928高性能发动机上。粉末冶金锻造连杆的强度、韧性能达到锻钢连杆的水平，是通过以下两个方面得到保证的，一是通过锻造提高粉坯的密度，二是通过添加合金元素，使粉末锻造连杆具有足够的淬透性，保证热处理后零件的质量。粉末烧结锻造连杆的特点是经济效益显著，一般认为粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆相比，材料可节约40%，生产成本可降低10%，能源消耗可节约50%。国内烧结锻造技术还很落后，专用的粉末冶金压机及烧结炉的应用还不普遍。金属粉末的品种少，质量差且不稳定。另外，烧结保护气体还需进一步地研究改进，这些都影响着我国超高密度粉末冶金零件的发展，是今后急需研究和改进的课题。4.钛合金连杆用钛合金制造发动机连杆主要考虑的是轻量化，金属钛的密度为4.5g/cm3，仅为钢铁材料的58，因此用钛合金制造汽车发动机连杆，可大幅度地降低连杆的质量。金属钛的抗拉强度比较低，仅有250300 MPa，生产中要添加合金元素来强化基体，通常是添加铝和矾。因此，影响钛合金硬度和强度的主要因素是合金中的铝和钒含量，铝钒含量越高，合金的硬度，强度越高。对于钛合金，也可以象钢铁材料那样，用热处理的方法改变金属组织，调整性能，使之达到使用要求。钛合金的疲劳性能也与屈服强度、抗拉强度有一定的关系。从试验结果看，屈服强度在850MPa以下的钛合金，疲劳强度与屈服强度呈正比；但屈服强度在850 MPa以上的钛合金，疲劳强度与屈服强度成为极限状态。也就是说，屈服强度在850 MPa以上的钛合金，不管屈服强度多高，疲劳强度与屈服强度850 MPa的钛合金相差不大。钛合金的切削性能较差，通常要添加易切削元素硫和稀土，形成硫和稀土的化合物以解决切削问题。通常，添加易切削元素对钛合金的疲劳性能没有不利的影响，但屈服强度在850 MPa以上的钛合金，添加易切削元素会降低高负荷下合金的疲劳性能。这是因为在高负荷情况下，易切合金中的硫化物会促进疲劳裂纹的萌生和扩展，降低了材料的疲劳性能。日本采用化学成分为Ti-3Al-2V的钛合金生产连杆，其抗拉强度可达800 MPa、屈服强度可达600 MPa，相当于45调质钢的强度水平。Ti-3Al-2V易切削钛合金连杆的疲劳极限在430 MPa左右，与45调质钢和800 MPa级的非调质钢的疲劳极限相当。钛合金连杆比钢制连杆的质量可减轻30，由此可使连杆的往复惯性力大幅度的降低。通过对发动机在各种不同转速下曲轴连杆间最小油膜厚度的测量结果，钛合金连杆和钢制连杆在保持油膜厚度相同的条件下，应用钛合金连杆的发动机转速比用钢制连杆的发动机提高700 r/min，由此可使发动机的输出功率大幅度提高。钛合金连杆还可显著地降低发动机的噪声，有利于环保。由于钛合金的成本比较高，目前应用的范围有限，通常是用在一些高性能赛车上。现状分析汽车技术的发展，对发动机的性能提出的要求越来越高，连杆是发动机的关键零件之一，对连杆的要求是高强度、轻量化、低成本。我国各大汽车集团的主机厂发动机锻钢连杆制造技术与国外差距不大，不论从锻件的强度，表面强化技术，还是尺寸精度及产品的稳定性方面，都接近国外发达国家的水平。配件厂近年技术有所提升，但还存在一些问题，锻件成形及控冷技术落后，产品性能不稳定。在连杆轻量化方面，我国还相当落后，钛合金连杆，纤维强化铝合金连杆、粉末冶金锻造连杆的研究还没有开展，是今后要开展的课题第四章 连杆的建模4.1SolidWorks软件介绍【1】【6】因为本论文要应用到该制图软件，所以接下来简要介绍一下本文的三维建模软件。4.1.1概述美国SolidWorks公司是一家专门从事开发三维机械设计软件的高科技公司，公司宗旨是让产品开发过程中的每一个人都能感受三维的力量，公司主导产品是世界领先水平的三维设计软件-SolidWorks。90年代初，国际微机市场发生了根本性的变化，微机性能大幅提高，而价格一路下滑，微机卓越的性能足以运行三维CAD软件。为了开发世界空白的基于微机平台的三维CAD系统，在CAD行业从事多年的资深人士创建了SolidWorks公司， 并于1995年成功推出了SolidWorks软件，引起世界相关领域的一片赞叹。在SolidWorks软件的促动下，1998年开始，国内、外也陆续推出了相关软件；原来运行在UNIX操作系统的工作站CAD软件，也从1999年开始，将其程序移植到Windows操作系统中。SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，该系统在1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名，从1995年至今，已经累计获得二十多项国际大奖。易学易用的SolidWorks软件拥有全球最大的3D社区，已为欧、美发达地区的3D标准。SolidWorks软件极为开放的API接口使得众多的公司在其上开发适应于各种特殊需求的产品,并拥有全球最多的CertifiedPartner和Solution Partner。鉴于SolidWorks软件处于世界领先的特殊地位，目前已有200多个国际应用软件与其集成， 共同推动基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM集成系统的应用，从而使用户在开发自身产品时获得一个高新技术、真正开放的解决方案。使用SolidWorks软件， 可以迅速培养一批高水平的设计人员，有效提高企业的整体设计水平，从而大大增强企业的竞争力三维实体建模是时下产品设计的主流，在众多三维CAD软件(如Catia, Pro/ E, I- DEAS, UG等)中，SolidWorks软件独树一帜，成为设计师首选的软件之一。该软件是成立于1993年的SolidWorks公司运用特征造型理念和基于Windows系统设计的原创三维机械CAD软件，以其优秀的技术创新和卓越的性能价格比赢得了设计师和机械工程师的喜爱。SolidWorks95是SolidWorks公司在1995年推出的第一个基于Wincl+vs操作系统及特征建模的实体造型系统。1997年推出的SolidWorks97支持Internet技术，实现数据共享，提供了VB, VC+和其他支持OLE的开发语言接日;并目以Wincl+vs为平台，集成了Motion Works(动态仿真软件),CosmosWorks(工程分析软件)、SunCAM(数控加工软件)以及SmT eonWorks(工程数据竹理软件)等。2000年SolidWorks2000问世，在文件竹理、大图面工程绘图的性能、大装配处理的速度、使用方便性、复杂曲面造型以及绘图效率等方面进行了较大的提高和改进。2003年推出的SolidWorks2003为广大用户提供了更具实用性的平台软件及增值产品。4.1.2 SolidWorks软件的特点功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。(1)基于特征及参数化的造型SolidWorks装配体由零件组成，而零件由特征组成。这种特征造型方法，直观地展示人们所熟悉的二维物体，体现设计者的设计意图。(2)巧妙地解决了多重关联性创作过程包含三维与二维交替的过程，因此完整的设计文件包括零件文件、装配文件和二者的工程图文件。SolidWorks软件成功的处理了创作过程中存在多重关联性，使得设计过程顺畅、简单及准确。(3)易学易用如果熟悉微软的Windows系统，那基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了SolidWorks独有的拖拽功能使你能在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks，你能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，设计过程最简便、最方便的莫过于SolidWorks了。就象美国著名咨询公司Daratech所评论的那样：在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。在无与伦比的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘帖），使用SolidWorks，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。4.1.3 SolidWorks软件的应用(1)在工业设计领域SolidWorks丰富的功能和特点使其在引领新时尚的工业设计中日益重要。常用的工业设计(Industrial Desi)中的步骤总要分为机械造型设计和机械工程设计两步:造型设计采用Photoshop 3Drnax ,mayor等软件完成，然后用机械设计软件如UTOCAD ,ProE ,UG等出工程图，由于两类软件存在中间转换的问题，设计思路过程被割裂为一，对于产品设计理念的体现存在极大地缺陷。而应用SolidWorks软件后，艺术造型设计和机械工程设计都可以在一个软件中完成，有效地将设计思路合为一体。(2)在机械设计领域SolidWorks软件广泛用于汽车、重工业枚具、离散制造、纺织机械等设计中。(3)在教育领域三维CAD教育己经成为主流，SolidWorks以其Windows界面、完全汉化、易学易用、开放性的功能特点成为教育领域中的首选CAD教学软件。4.2连杆模型的建立首先建立准确、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。同样，对本课题而言，模型的建立也是分析的基础，共分两种模型:几何模型和力学模型。科学的力学模型是分析结果准确与否的基础，而正确的几何模型是形成科学力学模型的关键。本几何模型的建立采用具有强大的三维建模功能、在工程设计中被广泛使用的SolidWorks软件,而力学模型在COSMOSWorks中进行。4.2.1创建连杆的几何模型4.2.1.1建模的简化连杆是内燃机重要零件之一，在工作中承受着活塞上气体压力、活塞和连杆小头的往复惯性力以及本身摆动时的横向惯性力作用，处于拉、压和弯曲等交变应力状态。因此在复杂的静、动载荷下，其强度分析向来为内燃机设计所关注。为研究外载荷对连杆整体应力、应变的影响，以及考虑到主要研究对象是连杆，所以对连杆建立了详细的实体模型，而对螺栓和一些局部复杂结构采取了简化处理。例如建模时，对结果影响很小的过渡圆角、油孔和定位槽都忽略不计。连杆在工作时要承受周期性变化的外力作用，所以在进行静力分析时应选择连杆承受最大拉力和最大压力两种倩况进行计算。这样，既能得到两个危险情况下连杆的应力和应变分布情况，又可以用此计算结果来近似地进行连杆疲劳强度的计算。本文采用将SolidWorks软件建立连杆三维模型。然后将模型通过COSMOSWorks进行计算分析。以下是建模时的简化应用原理。 (1)由于连杆中具有直径较小的油孔，若在建模时予以考虑，则会使建模变得十分复杂，节点、单元剧增致使解算时间难以接受，因此在有限元分析中通常将小油孔予以忽略。(2)发动机连杆是由连杆体、连杆盖、连杆螺栓、连杆轴瓦等构成。连杆螺栓以很大的预紧力将连杆体和连杆盖固连在一起，因此本论文在创建力学模型时，将其看做一个整体，而简化处理了螺栓预紧力。(3)考虑到连杆体和连杆盖间的接触方式，可将连杆体和连杆盖用接触单元连为一个整体。4.2.1.2创建步骤(1)双击SolidWorks 2007 SP0.0的图标，从弹出的对话框里选择“零件”图标，选择“前视基准面”，然后点击“草图绘制”按钮，进入草图绘制环境。在此基准面上创建如下草图：(2)点击“退出草图”按钮，然后点击“特征”按钮，右边工具条里出现“拉伸凸台/基体”按钮，点击此按钮，然后在弹出的对话框里选择如下:右边显示如下：在拉伸1对话框里点击按钮后，显示如下三维图形：(3)接下来还是选择“前视基准面”，再点击“草图绘制”按钮，在前视基准面上绘制如下草图，并且设置圆的参数：中央创建,半径30。(4)然后点击“拉伸凸台/基体”按钮，设置如下参数：点击按钮，得到(5)选择“拉伸2”的圆柱面做为基准面，点击“草图绘制”按钮，进入草图绘制环境，在此面上过圆心画一个直径为45.04的圆，如下所示：(6)点击“特征”按钮，再选择按钮，弹出“切除-拉伸”对话框，设置参数如下，(7)点击，得到下图(8)选择前视基准面，点击“绘制草图”按钮，进入草图绘制环境，在前视基准面上绘制如下草图：(9)然后点击“拉伸凸台/基体”按钮，设置如下参数：(10)点击，得到(11)在拉伸1基准面上绘制如下草图：(12)选择“特征”按钮中的拉伸/切除，设置参数如下然后点击。(13)在连杆相对的另一个面上重复步骤(11)(12)后，得到下图：(14)保存此零件名为“零件100”。(15)重新创建一个零件图，在前视基准面上进行草图绘制，绘制如下草图：(16)点击“特征”按钮，然后点击“拉伸凸台/基体”按钮，设置如下参数后点击得到：(17)在上一步得到的立体图的前视基准面上进行草图绘制，如下所示(18) 点击“特征”按钮，然后点击“拉伸凸台/基体”按钮，设置如下参数(19)点击后，再此零件前视基准面为基准面，进行草图绘制，并且绘制如下草图：(20)选择“特征”按钮中的“拉伸/切除”按钮，点击后，得到下图:保存此零件名为“零件101”(21)接下来进行零件体的装配。打开第(14)步保存的零件和(20)步的零件。然后点击“新建”按钮，在弹出的对话框里点击“装配体”进入装配界面，在如下方框里点击“零件100”将其拖到右边的界面(22)然后点击“插入零部件”按钮再次跳出插入零部件对话框，将“零件101”拖动到右边界面，点击“配合”按钮，跳出“配合”对话框，选择要重和的边线、面、或点，进行两次配合后得到下图：(23)点击工具栏上的【插入】按钮中的“装配体特征”下的“孔”，再点击“孔”下的“向导”，弹出“孔规格”对话框，设置如下参数，点击“位置”按钮选择相应位置，得到下图(24)在toolbox中选择相应的螺栓，得到最终的模型：4.2.2连杆的力学模型的建立本论文采用COSMOSWorks来建立连杆的有限元模型，所以接下来先介绍一下COSMOSWorks。4.2.2.1COSMOSWorks简介4.2.2.1.1COSMOSWorks的特点及功能719COSMOSWorks是SRAC公司推出的套强大的有限元分析软件，该公司一直至力于有限元CAE技术的研究和发展。早期的有限元技术高高在上，只有些国家的部门如宇航，军事部门才可以使用，而此后的些有限元分析软件也都存在界面不友好、难学难用的缺点，且要求的设备昂贵。虽然用的范围大了些，但也都是集中在大学和一些研究机构，只有少数专业人员才能有机会接触，普通的工程师可望而不可及。然而自COSMOS出现后，有限元分析的大门终于向普通工程师敞开了，把高高在上在上的有限元技术平民化，它易学易用，简洁直观，能够在普通的PC机上运行，不需要专业的有限元经验。普通的工程师都叫以进行工程分析，迅速得到分析结果，从而最大限度地缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利润空间。4.2.2.1.2应用COSMOSWorks时的步骤在应用COSMOSworks时，我们也应该遵循有限元分析的一般流程。大概步骤如下：(1) 建立数学模型。COSMOSWorks对来自solidworks的零件和装配件的几何模型进行分析。该几何模型必须能用正确的、适度小的有限单元进行网格划分。这个小的概念，并不是指单元尺寸，而是通过网格中单元的数量来表示。这对网格的要求有着极其重要的意义。我们必须确保CAD几何模型的网格划分，并且确保产生的网格能确保得到我们感兴趣的数据，如位移、应力等。(2) 建立有限元模型。通过离散化过程，将数学模型剖分成有限单元，这一过程称为网格划分。离散化在视觉上即是将几何模型划分成网格。然而，载荷和支撑在网格划分后也需要离散化，离散化的载荷和支撑将施加到有限单元网格的节点上。(3) 求解有限元模型。创建了有限单元模型后，使用COSMOSWorks的求解器的出需要的数据。(4) 结果分析。有限元分析提供了很详实的数据，这些数据可以用各种形式表达，在熟悉理解各种假设、简化约定以及前面三步产生的误差(建立数学模型、建立有限元模型、求解有限元模型)。4.2.2.1.3COSMOSWorks的使用限制有限元分析具有优缺点，做为一种有限元分析软件，COSMOSWorks在有其明显的优点条件下自然也有其缺点。COSMOSWorks Designer分析是在下列假设下进行的(1)线形材料 在所有COSMOSWorks所使用的材料中，都是线形材料，即应力与应变成线形关系。(2)小变形任何机构在加载下都会变形，这个小不是指刚体变形的形状很小，而是这个变形是否显著改变了结构刚度。小变形分析假设在变形过程中结构的刚度仍保持不变，大变形就要考虑引起的结构刚度的改变。(3)静态载荷假设所有的载荷和约束不随时间而改变。这个限制条件意味着加载过程十分缓慢，以至于可以忽略惯性效应。尽管所有的载荷实际上是变化的，但是对设计分析而言，大多数情况下将它们看成静态载荷。4.2.2.2创建连杆的力学模型4.2.2.2.1材料特性连杆的工作条件是在较高的温度下，承受很大的周期冲击力，对其要求是:有足够的强度和刚度，有较好的韧性和较高的疲劳强度，重量轻，惯性力小。为此，本论文对整个连杆配合体都采用合金钢进行分析。材料特性见下图：4.2.2.2.2连杆载荷分布的处理载荷的施加方式对连杆的局部应力有着重要的影响。本连杆为斜口，在添加载荷时，本文采取了连杆大头压缩载荷和连杆小头拉伸载荷均按120范围内法向均布载荷处理，连杆大头拉伸载荷和连杆小头压缩载荷均按180范围内成法向均布分布。 在连杆大头与连杆盖用螺栓连接的接触面上通过选择局部接触选项，来定义相触面组类型为无穿透，并在相触面组对话框里选择节到曲面。边界载荷约束如下所示，因为本文只研究连杆最大受拉状况和最大受压状况下的连杆变形、应力、应变情况，因此载荷分布如下所示：(1)最大拉伸状况：小头加载120的13588N的力，大头180的28445N的力(2)最大压缩状况：小头加载180的93784N的力，大头加载120的78927N的力4.2.2.2.3连杆约束条件的处理本论文对连杆采取的约束方式为，假设连杆大头的曲柄销是不动的，所以对连杆采取的约束是在连杆大头完全固定约束，不存在自由度，另外对连杆小头添加了轴向的约束。具体约束情况如下图所示:4.2.2.2.4网格划分网格划分是将连续的模型剖分成有限单元通过离散化过程，将数学模型剖分成有限单元，这一过程称为网格划分。离散化在视觉上即是将几何模型划分成网格。然而，载荷和支撑在网格划分后也需要离散化，离散化的载荷和支撑将施加到有限单元网格的节点上。COSMOSWorks提供了4种单元类型：一阶实体四面体单元、二阶实体四面体单元、一阶三角形壳单元、二阶三角形壳单元。某些类型的形状可以是可单元也可以是实体单元。本文采用实体单元进行分析，它有三个自由度，并且采用高品质单元。最大拉伸状况:最大压缩状况:第五章 计算结果及其分析5.1最大拉伸情况的结果与分析主要研究连杆的应力、应变、位移的危险部位和变形。5.1.1连杆受拉时应力结果根据连杆强度的研究资料及使用实践经验【17】可知，连杆破坏处一般发生在连杆小头与连杆体过渡弧处，杆身与大头过渡处以及大头盖两侧螺栓头下的小圆角处，因为连杆大、小头孔处相对比较薄弱，因而造成该处应力很大，连杆在拉伸状况下的最大峰值就出现在该处。从图中我们可以清楚的看到连杆在受拉情况下的应力分布，可见最大拉伸情况下最大应力在连杆小头与杆身的过渡区域。这与其它理论研究相符合。5.1.2连杆受拉时应变结果连杆破坏处一般发生在连杆小头与连杆体过渡弧处，杆身与大头过渡处以及大头盖两侧螺栓头下的小圆角处，由图可见最大应变结果在连杆小头与杆身过渡处。其值大小为3.019090e-0045.1.3连杆受拉时位移结果由平面应变状态理论【19】：载荷作用处的变形往往较大，且最大变形发生在构件的表层。从位移图可见连杆小头外侧应变最大，位移值为0.05043657mm沿连杆小头到大头应变逐渐减小，这是符合应变理论的。5.2最大压缩情况的结果与分析5.2.1连杆受压时应力结果由图可知，最大应力出现在连杆小头与杆身过渡接触处，其附近区域受应力较大。这是因为在压缩情况下，影响连杆应力分布的主要是活塞销和曲柄销对它的压缩载荷，而这个压缩载荷分布在连杆小