基于ANSYS软件的内燃机连杆的有限元分析翻译

基于ANSYS软件的内燃机连杆的有限元分析R A Savanoor1, Abhishek Patil2*, Rakesh Patil3 and Amit Rodagi2*Corresponding Author: Abhishek Patil, * 连杆是连接活塞和曲轴的中间的连接部分的结构。连杆的作用主要是负责传递推动和拉动的活塞销和曲柄销运动，从而将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。一般连杆生产中使用的材料常见的是碳钢和铝合金连杆。在本论文中我们在比较两种不同类型的碳钢和铝合金连杆的冯米塞斯应力和总变形。老驴三个材料参数进行有限元分析。如，Von米塞斯应力和位移都从ANSYS软件中获得。然后比较了铝合金和锻钢这两种不同的材料。然后发现Al5083合金重量比较轻。这导致连杆的重量减少63.19%。关键词：连杆，活塞的往复运动，Von米塞斯应力，ANSYS简介连杆连接活塞与曲轴，它们形成了一个简单的机构，将直线运动转化为旋转运动。由于活塞的推力，最大的应力出现在连杆的活塞端附近。除承受燃烧室燃气产生的压力外，还承受纵向和横向的惯性力。因此，连杆在一个很复杂的盈利状态下工作。它即受交变的拉力、压应力又受弯曲应力。连杆的主要损坏形势是疲劳断裂和过量变形。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能，又要求具有足够的刚性和韧性。所以，在连杆外形、过度圆角等方面需严格要求，还应注意表面加工质量以提高疲劳强度。拉伸应力和压缩应力是由于气体压力和弯曲应力的产生的，是由于离心力的作用，产生的偏心力。因此，连杆的设计一般I-section提供的最大的刚度，能够在活塞端部获得最大应力并且增大刚度可以减少活塞端部的材料收到的应力，而且可以减轻连杆的重量。曲轴连杆机构运动件的重量优化设计，不仅是节省材料及发动机重量降低，运动件质量对改善发动机整体的工作状况特别有效，ANSYS 形状优化的功能可以对活塞内腔、活塞销孔、连杆形状、曲轴圆角和曲柄臂尺寸进行优化设计。连杆是活塞和曲轴之间的连接。它把活塞销与连杆；连杆的小端连接活塞和曲轴销大结束。连杆的作用是将活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动。较轻的连杆和活塞产生的功率不大于振动由于往复式重量不。连杆与活塞的曲柄销的力量的推力，因此必须很强，刚性也尽可能轻。有两种类型的小头和大头轴承。连杆受到交变载荷作用下的疲劳。在四冲程发动机的情况下，压缩和作功冲程连杆的排气和吸气冲程开始最后一部分期间承受压缩载荷和拉伸载荷时。在双作用蒸汽引擎，向前的行程，连杆在承受压缩载荷和回程时，拉伸负荷。连杆的材料必须具有良好的抗疲劳和冲击性能。应用于汽车的连杆通常由从锻钢或金属粉末锻造制造。他们也可以投。然而，铸件可以吹孔，利于从耐久性和疲劳的观点。事实上，锻件产生气孔自由和更好的棒，让他们在铸棒的优点。锻造过程之间，粉末锻造或锻造，每个进程都有自己的优点和缺点。粉末金属制造的空白具有近净成形的优点，减少了材料的浪费。然而，由于高成本和复杂的制造技术的空白，成本高。钢锻件，材料是廉价和粗糙的制造过程是成本有效的。把部分的最终尺寸在加工高支出的紧公差的结果下，作为空白通常包含更多的多余的材料。高强度合金钢的应用并不能达到预期效果连杆是汽车发动机中的主要传动部件之一，它在柴油机中，把作用于活塞顶面的膨胀的压力传递给曲轴，又受曲轴的驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。连杆在工作中承受着急剧变化的动载荷。连杆由连杆体及连杆盖两部分组成。连杆体及连杆盖上的大头孔用螺栓和螺母与曲轴装在一起。为了减少磨损和便于维修，连杆的大头孔内装有薄壁金属轴瓦。轴瓦有钢质的底，底的内表面浇有一层耐磨巴氏合金轴瓦金属。在连杆体大头和连杆盖之间有一组垫片，可以用来补偿轴瓦的磨损。连杆小头用活塞销与活塞连接。小头孔内压入青铜衬套，以减少小头孔与活塞销的磨损，同时便于在磨损后进行修理和更换。连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等零件组成，连杆体与连杆盖分为连杆小头、杆身和连杆大头。连杆小头用来安装活塞销，以连接活塞。杆身通常做成“工”或“H”形断面，以求在满足强度和刚度要求的前提下减少质量。连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连。一般做成分开式，与杆身切开的一半称为连杆盖，二者靠连杆螺栓连接为一体。连杆轴瓦 安装在连杆大头孔座中，与曲轴上的连杆轴颈装和在一起，是发动机中最重要的配合副之一。常用的减磨合金主要有白合金、铜铅合金和铝基合金。文献综述为优化研究，Serag等。（1989）开发的近似数学公式定义连杆重量和成本为目标函数，约束条件。优化利用几何编程技术实现。约束是在压缩应力施加压力，轴承在曲轴和活塞销的两端。疲劳不是解决。成本函数是在指数形式表示的几何参数。韦伯斯特等人。（1983）进行三维有限元分析的高速柴油机连杆。这一分析他们使用的最大压缩载荷测定实验，和最大拉伸载荷基本上是活塞组件的质量惯性负载。实验测定了载荷分布在活塞销和曲柄端。他们模拟连杆盖分开，并模拟螺栓的预紧力，使用梁单元和多点约束方程。在调查一个连杆故障，LED对发动机造成的灾难性的失败。hippoliti（1 9 9 3）报告的设计方法在使用比亚乔连杆的设计，采用了优化会话。然而，无论是细节的优化和负载下进行了优化。两参数化有限元程序使用二维平面应力和三维方法由作者开发的结果与试验结果相比较，具有良好的协议。他们开发的优化程序是基于二维的方法。Sarihan和Song（1 9 9 0），为活塞销端的优化，使用了由压缩气体负荷对应的最大扭矩和拉力最大值对应的惯性载荷的疲劳载荷周期。显然，他们用最大载荷在发动机的整个工作范围内。设计疲劳，交替的八面体剪应力修正的Goodman方程和平均八面体剪应力的应用。为优化，它们产生的近似设计表面，进行表面优化设计。功能进行了更新，以获得精确的价值目标和约束。重复这个过程，直到达到收敛。它们还包括避免微动疲劳的限制。平均应力的交变分量计算最大值和最小值的八面体剪应力。运动减少近27%连杆的重量。根据结构特征，采用ANSYS实体建模。选用单元类型为Solid95,Solid95是三维20结点四面体结构实体单元，在保证精度的同时允许使用规则的形状，适用于曲线边界的建模。 结果显示，最大合位移出现在小孔内外表面；最大等效应力出现在小头孔内表面上，其值为12.9MPa。从图中的应力和位移等直线可以看出:(1)整个连杆结构的最大应力出现在小头孔的承载区范围内，其他部位受力情况较均匀。这与实际情况是相吻合的。(2)最大变形出现在小轴孔表面，而大孔的变形非常小。在实际情况中，由于小孔是承载区，它的变形相对较大，大孔远离承载区，受影响较弱。综合上述分析，有限元分析结果是客观的，较为真实的反应了汽车连杆的受力情况。建模过程中（DM模型），要考虑在DS模型中的成角度曲面的约束和施加载荷对连杆大头和小头进行扇形建模 。在建模的过程中为了构造用于施加约束和载荷的扇形曲面，在构造扇形的过程中要一个扇形一个扇形的建模，建模完一个扇形后，在准备建立下一个扇形以前，记得对已经建立的扇形模型进行冻结操作 。.网格划分过程中，首先用的是整体自动网格划分，后来进行了局部细化网格分析，而细化网格的方法大致有两种，一个用的是Contact Sizing，一个是Part Relevance，自己对比分析两种方法 。在施加边界条件时发现，连杆小头里的铜环和连杆小头在不同的接触条件下仿真分析出来的结果很不相同，本人分别用了bounded, frictionless, rough, fritional (摩擦系数0.15)进行了对比分析 。对连杆小头里面铜环内壁90曲面的载荷施加，采取了两种对比分析，一是均匀压强载荷分析，一是轴承载荷分析，即在连杆轴线方向，离连杆小头轴心距离越远，受到的轴线方向的载荷越大，根据圆曲面的对称性求出了轴线方向，即X方向的力F=1102.92N 6.目标驱动优化分析（DOE）中CAE技术在汽车的设计和改善技术中的应用越来越多，仿真的方法越来越接近汽车在实际使用中的运行工况，从而改善了汽车的设计和完善水平，减少了实车实验的成本，缩短了整车开发的周期，能更快，更好的解决汽车在实际使用中的问题。本学期学习了CAE技术中的ANSYS Workbench，对CAE技术有了一个简单的认识，能基本掌握ANSYS Workbench中的DM，DS，DX等模块，但经过学习，感觉在建模和仿真的过程中，边界条件和实际工况载荷的施加是很重要的，而且往往是最影响分析结果的。在DX模块中，CAE与CAD的无缝链接技术很让人兴奋，但双向流动还是单向流动的数据链不得而知，不甚理解，没能掌握。CAE技术博大精深，现阶段学习的CAE技术应该算是一个启蒙，入门的学习，在后面的学习和工作中，本着各种兴趣，可以对CAE进行深入的学习，在QQ技术群里和一些CAE爱好者，进行更深入的交流和学习。还有，这个CAE软件很挑电脑，水一点的电脑算的超慢，一算几个小时。活塞、曲柄连杆等运动件是高热/机械负荷部件，因为往复运动，其质量对整个发动机性能非常重要。ANSYS 分析热和机械载荷下的形状及应力为设计提供依据。 曲柄连杆机构的柔体运动学、动力学分析 连杆强度向来是发动机设计关键，ANSYS 柔体柔体接触计算功能可以准确模拟连杆与大头盖、主销、曲柄销间联合工作状况。这是ANSYS 系统分析功能和强大的接触功能体现。ANSYS 曲轴结构分析和模态分析功能计算出曲轴扭转与弯曲模态，通过频率优化达到减震效果。ANSYS 的疲劳计算功能，精确的计算曲轴传统疲劳强度，同时还可计算出曲轴的强度因子，从而预测疲劳裂纹的产生及疲劳寿命。应用ANSYS 对曲轴轴颈及油膜进行流-固耦合分析评价高曲轴的耐磨性。曲轴连杆机构运动件的重量优化设计，不仅是节省材料及发动机重量降低，运动件质量对改善发动机整体的工作状况特别有效，ANSYS 形状优化的功能可以对活塞内腔、活塞销孔、连杆形状、曲轴圆角和曲柄臂尺寸进行优化设计。 结论从以上的分析我们可以得出这样的结论：所有材料应力几乎不相上下，也在安全极限，即，远低于屈服应力。W8连杆可以通过repacing目前aluminium5083合金在基洛斯卡发动机采用锻钢减少。连接杆的截面模量应足够高，以防止高弯曲应力由于惯性力，形变，以及曲轴箱壁变形。连杆重量降低63.19%。从而降低惯性力。比较三种材料的拉伸应力，以al5083合金最小应力。致谢项目组工作，这种总是一个人选通帮助从许多来源的努力的一个结果。除了我们自身的努力没有教师和朋友的指导，我们就不能顺利完成这个项目的工作。这个项目的工作过程和给我们在我们的机构中留下的是记忆的鼓励。我们的所有工作人员我们的机械部给了我们很好的支持非常感激，在实验室的时间建议。最后，我们感谢每个人帮助我们直接或间接负责项目工作顺利完成。最重要的是我们想表达我们深深的感谢我们敬爱的校长哈金斯博士V P，提供必要的设施。我们非常感谢我们的指导方法和R savanur教授指导，不变的热情和警惕的监督整个项目。参考文献1. 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