连杆的设计和有限元分析【优秀机械毕业设计论文】
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连杆
设计
以及
有限元分析
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优良
机械
毕业设计
论文
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文档包括:
说明书一份。27页，6600字。
任务书一份。
图纸共5张，如下所示：
A2-装配图.DWG
A2-连杆.DWG
A3-连杆盖.DWG
A4-连杆衬套.DWG
A4-连杆轴瓦.DWG
- 内容简介：
-
本科生毕业设计（论文）任务书 专业 班级 学号 同学 现将毕业设计（论文）任务书下发给你，内容如下： 一、毕业设计（论文）题目： 基于有限元方法的发动机 连杆强度与模态分析 二、进程安排： 起止日期 主要内容 2014年第 1 学期第 1920 周 查阅文献了解连杆的作用及结构 2014年第 2 学期第 12 周 阅读文分析连杆的受力工况 2014年第 2 学期第 35 周 复习 习静力学的有关理论，学习模态的概念、意义和分析方法 2014年第 2 学期第 68 周 对连杆进行 模，完成二维图纸 2014年第 2 学期第 812 周 对连杆进行有限元强度及模态分析 2014年第 2 学期第 1314 周 完成论文写作及修改 三、主要参考文献： 1. 黄志新，刘成柱 级学习手册 2. 刘鸿文材料力学 3. 胡小华； , 摩托车发动机连杆疲劳可靠性分析及寿命预测 , 重庆大学硕士论文 , 2014 4. 王立峰 , 发动机曲轴连杆机构动力学仿真及疲劳分析 ,长安大学硕士论文 , 2010 5. 龚立新，发动机连杆静态与动态特性的有限元分析研究，哈尔滨工程大学硕士论文 , 2007 四、该任务书于 2015 年 1 月 6 日发出，请你根据该任务书的要求按时完成毕业设计（论文）任务。 五、该任务书一式两份，一份发给学生，一份留学院存档。 指导教师及职称： 20 年 月 日 系 主 任： 签发于 20 年 月 日 1 分 类 号 密 级 宁 毕业设计 (论文 ) 连杆的设计和有限元分析 所在学院 机械与电气工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 11 机自 x 班 姓 名 学 号 指导老师 2015 年 3 月 31 日 要 连杆组由连杆体、连杆大头盖、连杆小头衬套、连杆大头轴瓦和连杆螺栓（或螺钉）等组成。连杆组承受活塞销传来的气体作用力及其本身摆动和 活塞 组往复惯性力的作用，这些力的大小和方向都是周期性变化的。因此连杆受到压缩、拉伸等交变载荷作用。连杆必须有足够的疲劳强度和结构刚度。疲劳强度不足，往往会造成连杆体或连杆螺栓断裂，进而产生整机破坏的重大事故。若刚度不足，则会造成杆体弯曲变形及连杆大头的失圆变形，导致活塞、汽缸、轴承和曲柄销等的偏磨。 关键词： 连杆，强度 he a or of by is by of or in of If of it of 录 摘 要 . . 录 . 1 章 绪论 . 6 第 2 章 连杆设计方案 . 6 连杆 工作原理 . 6 杆 总体设计 . 6 杆 的类型定位 . 5 杆 的整机结构及选择 . 7 杆连杆 的工作流程 . 9 第 3 章 连杆 结构设计 . 11 连杆设计 . 13 连杆配件设计 . 110 第 4 章 有限元分析 . 111 有限元简介 . 112 有限元强度分析简介 . 112 有限元模态分析简介 . 112 前处理 . 1 错误 !未定义书签。 网格划分 . 19 边界条件设定 . 21 强度分析 . 22 模态分析 . 23 第 5 章 分析结果 . 24 强度分析结论 . 25 模态分析结论 . 25 V 结论 . 25 参考文献 . 26 致 谢 . 27 6 第 1 章 绪论 连杆体由三部分构成，与活塞销连接的部分称连杆小头；与曲轴连接的部分称连杆大头，连接小头与大头的杆部称连杆杆身。 连杆小头多为薄壁圆环形结构，为减少与活塞销之间的磨损，在小头孔内压入薄壁青铜衬套。在小头和衬套上钻孔或铣槽，以使飞溅的油沫进入润滑衬套与活塞销的配合表面。连杆杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆身必须要具有足够的刚度。为此，车用发动机的连杆杆身大都采用 形断面， 形断面可以在刚度与强度都足够的情况下使质量最小，高强化发动机有采用 H 形断面的。有的发动机采用连杆小头喷射机 油冷却活塞，须在杆身纵向钻通孔。为避免应力集中，连杆杆身与小头、大头连接处均采用大圆弧光滑过渡。 为降低发动机的振动，必须把各缸连杆的质量差限制在最小范围内，在工厂装配发动机时，一般都以克为计量单位按连杆的大、小头质量分组，同一台发动机选用同一组连杆。 V 型发动机上，其左、右两列的相应气缸共用一个曲柄销，连杆有并列连杆、叉形连杆及主副连杆三种型式。 第 2 章 连杆设计方案 连杆工作原理 连杆机构中的构件有杆状、块状、偏心轮、偏心轴和曲轴等型式。当构件上两转动副轴线间距较大时，一般做成杆状。 7 带两个转动副的双副杆结构： 带三个转动副的三副杆结构： 杆状结构的构件应尽量做成直杆。有时为了避免构件之间的运动干涉，也可将杆状构件做成其他结构。 带三个转动副的三副杆的结构设计较为灵活，与三个转动副的相对位置和构件加工工艺有关，下图为 8 种典型结构形式： 杆连杆总体设计 连杆集团连杆身体，连杆大头盖骨，连杆小头布什、连杆大脑袋衬套和杆螺栓（或螺栓）等。连杆组忍受活塞销的天然气的作用力本身隔活塞组往返惯性力的作用下，这些能力的大小和方向是周期性变化。所以链接压缩，拉伸等变动荷载作用。链接必须有足够的疲劳强度和结构刚性。疲劳强度不足，往往连杆身体和杆螺栓断裂，并且机械全部破坏的重大事故发生。如果刚性不足，杆身体弯曲变形与连杆大脑袋的失败圆变形，活塞，汽缸，轴承和曲轴销等偏磨。 杆的类型定位 连杆小头多为薄壁圆环形结构，为减少与活塞销之间的磨损，在小头孔内压入薄壁青铜 衬套。在小头和衬套上钻孔或铣槽，以使飞溅的油沫进入润滑衬套与活塞销的配合表面。连杆杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆身必须要具有足够的刚度。为此，车用发动机的连杆杆身大都采用 形断面， 形断面可以在刚度与强度都足够的情况下使质量最小，高强化发动机有采用 H 形断面的。有的发动机采用连杆小头喷射机油冷却活塞，须在杆身纵向钻通孔。为避免应力集中，连杆杆身与小头、大头连接处均采用大圆弧光滑过渡。 8 为降低发动机的振动，必须把各缸连杆的质量差限制在最小范围内，在工厂装配发动机时，一般都以克为计量 单位按连杆的大、小头质量分组，同一台发动机选用同一组连杆。 V 型发动机上，其左、右两列的相应气缸共用一个曲柄销，连杆有并列连杆、叉形连杆及主副连杆三种型式。 杆的整机结构及选择 9 连杆组件由连杆轴，连杆盖，小轴套，大轴瓦，螺丝等组成，如上图所示 10 杆连杆的工作流程 链接的主要损伤的形式是疲劳断裂和过剩变形。通常疲劳断裂部位连接上的 3 个区域的高应力。链接的工作条件链接的高强度和抗疲劳性能；另外要求很充分的钢性和韧性。传统的链接的加工过程中其材料通常 45 钢， 40 40 调质钢、硬度高，所以德国汽车企业的新型连杆材料，例如 C 70 碳微合金非调质钢， 列锻造钢， 造钢锻钢等 S 53 上都是德国 准）。合金钢非常高强度，对应力集中敏感的。所以，连杆外形，过度的公亩等必要严格要求，应该注意的表面加工提高质量疲劳强度，否则高强度合金钢的应用预期效果不能达到。 第 3 章 连杆设计 连杆原理 连杆体由三部分构成，与活塞销连接的部分称连杆小头；与曲轴连接的部分称连杆大头，连接小头与大头的杆部称连杆 杆身。 连杆小头多为薄壁圆环形结构，为减少与活塞销之间的磨损，在小头孔内压入薄壁青铜衬套。在小头和衬套上钻孔或铣槽，以使飞溅的油沫进入润滑衬套与活塞销的配合表面。连杆杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆身必须要具有足够的刚度。为此，车用发动机的连杆杆身大都采用 形断面， 形断面可以在刚度与强度都足够的情况下使质量最小，高强化发动机有采用 H 形断面的。有的发动机采用连杆小头喷射机油冷却活塞，须在杆身纵向钻通孔。为避免应力集中，连杆杆身与小头、大头连接处均采用大圆弧光滑过渡。 为降低发动机 的振动，必须把各缸连杆的质量差限制在最小范围内，在工厂装配发动机时，一般都以克为计量单位按连杆的大、小头质量分组，同一台发动机选用同一组连杆。 V 型发动机上，其左、右两列的相应气缸共用一个曲柄销，连杆有并列连杆、叉形连杆及主副连杆三种型式。 11 连杆配件设计 连杆盖设计如上图所示 连杆轴套设计如上图所示 第 4 章 有限元分析 12 有限元简介 有限元强度分析简介 数学，有限要素法（ 一种求解微分方程边值问题近似解的数值技术。解的时候全体的 问题区域分解，各地区简单的部分，这个简单的部分就和有限的。这是，变分法，误差函数最小值生成稳定解。类比连接多级微小直线近似日元的思想，有限要素法在内的所有可能的方法很多，这些方法称为有限元的小领域上的简单方程相连，其更大的地域，推定上的复杂的方程式。那是解域和许多被称为有限元的小的相互连接子区组成，每单元的假设一个合适的（比较简单的）近似解解，然后推导这个地区的总的条件（如结构的平衡条件） ，其结果问题解。这是正确理解解，而是近似解，实际问题是比较简单的问题。大部分的实际问题，正确理解难以得到有限元，计算精度高，它不仅能适应各种复杂形状，有效的手段工程分析。 位移模式选择 有限单元法，选择节点移位作为基本的未知量被称为位移法；选择节点力作为基本未知量称为力法；部分节点力和一部分的节点移位作为基本的未知量被称为混合法。位移法容易实现计算自动化，所以，有限单元法最宽的应用范围位移法。 位移法录用的时候，物体或构造物离散化后，单位总的物理量等的位移，应变应力等节点位的一部分表示。这个时候单位位移分布 收割迫近原函数的近似函数说明。通常，有限要素法我们位移坐标变量的简单的函数。这个函数被称为位移模式和位移函数。 分析单元的力学的性质 单元的材料的性质不同，形状，尺寸、节点的数量，位置和意义等标题，单元节点力和节点移位的关系式，组合分析的关键的一步。这个时候应用弹性力学的几何学的方程式和物理的方程式建立力和位移方程式引导，从而单元刚性矩阵，这是有限要素法的基本步骤之一。 有限元模态分析简介 模态分析研究结构动力特性的一种现代方法，系统的辨别方法是工程的振动的领域的应用。模态机械结构的固 有振动特性，每一个模式是特定的固有频率，阻尼比模态振型。这些模态参数计算和考试从分析，取得的计算和考试分析过程被称为模态分析。 13 如果这个分析过程有限元计算方法取了，计算模态分析称；如果考试通过采集系统输入和输出信号参数获得识别模态参数，称为考试模态分析。通常，模态分析，考试模态分析。 振动模式的弹性的结构的固有的，全体的特性。模态分析的方法，通过清醒的构造物的容易被影响的频率范围内的各主要模式的特性，那个对应预言结构内外部或内部各种：的作用下发生的实际的振动响应。所以，模态分析结构设计及设备故障诊断动态的重要 方法。 机械、建筑、航天飞机，船舶、汽车等实际的振动模式各自不同。模态分析提供了各类振动特性研究的有效途径。首先，构造物静止状态人为加振，通过测定加振力和响应双通道快速傅立叶变换（ 分析，任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。模态分析理论考试导纳函数拟合的曲线，认识构造物模态参数，建立从而构造物模态模型。模态叠加原理，已知的各种载荷时间过程的场合，预言结构物的实际的振动的反应过程和反应谱。 这十几年，计算机技术 析仪，高速数据采集系统和振动传感器，驱动程序等的技术的发展，得到考试模态分析的迅 速的发展的影响，机械、电气、建筑、水利、航空、航天等众多产业部门的重视。已经多种等级，各种原理的模态分析硬件和软件登场。 前处理 打开 件，界面如图所示 14 点击 能选项，将其拖入 面，如上图所示 在 点击 能选项，将其拖入到 向框上面，如图所示，自动生成分析选项界面。 导入模型以后，需要对模型赋予材质。本结构中，零部件材质设定为 15 结构钢 杨氏模量为 松比为 下图所示，分别对每个零部件进行材料设定 网格划分 区分网格前，用户首先需要对模型中将使用单位设定。单元的属性主要是：单元类型，实常数，材料常数。典型的实常数，厚度，截面，高度，梁的惯性等。材料的属性包括：弹性模量、泊松分布，密度，热膨胀系数等。 用户提供了两种网格分割类型：自由与映射 所谓的“自由”的体现，不特定的标准，单元形状无限制，生成机体不规律，基本上适用于所有的模型。自由网格生成的内部节点位置比较随意，用户无法控制。操作方法是打开 具栏的自由选择。用单元形状于是对面是身体依赖网格区分。对面的自由，只有网格是四角形的组合也尽量三角形单元组成，或两者混合。身体有自由、网格单元限制四面体。 映射网格区分要求方面和身体的形状，一定规则，且映射面网格只包 16 括三角形的单位和四角形的单位，映射身体网格只包括六面体单元，这就是规则生成单元形状形状，适用规则的脸和身体。网格映射分，生成单元尺寸依靠，当前 置。 用时硬时，不支持映射网格的区分。 这方面是 3或 4 条线围起来，腋下相等的单元的分割数必须。如果这方面 3 条线围成三条方面的单元的分割数等于是偶数，必须要。对边格数的差别，平等，或网格边数相等，另外的格数的差是偶数，网格区分映射。 如果一个方面比 4 条线围成，那是直接采用映射网格被分为了，但是，总的线数量的减少 4，其中的一些线配合（ 连接（ 种区分网格时的操作）。 代替连接操作（ 拾音器方面的 3 个或四角点面映射网格，分为它简化的方法的两个分映射网格点之间的内部连接线。 为了得到映射网格， 必须在一旁指定相等的线的分割数（或定义线的分割数对应的接力方式）。不需要所有的线指定分割数，只要采用映射网格，分程序线的分割数 1 根边，一边传达传达给所有的旁边的网格方面）区分 身体映射网格：为了一个人分割六面体单位，必须满足 了块形状（六面体）、 5 面体和四方面的体形对面和定义的单元的分割数必须等于 如果身体棱柱形和四面的尺寸，三角形方面的单元的分割数是偶数 相 对 缘 区 分 的 学 分 ， 必 须 等 于 17 导入模型以后如上图所示，打开主界面 ,对模型进行网格划分，点击能旋向，右击插入 法，选择 即设定网格大小。设定整体网格大小为 1击 件对模型进行网格划分，划分结果如下图所示： 可以看到最终网格划分效果，以及网格数量，如下图： 18 如图所示，网格总数量为 487658，节点数量为 170523 网格质量 100 边界条件设定 网格划分完毕需要对整体装置进行边界条件设定，如下图所示，为模型固定条件，即模型中某些零部件进行固定设定。 设定轴承外圈上与小棍接触部分为固定。即 19 另外设定约束条件，即受力载荷或者位移载荷 设定与轴承外圈接触的冷碾辊 部分以及外部受力打小为 2000N 如上图所示 强度分析 点 件对模型进行计算，最终计算结果如下图 20 21 图上分别为主应力，位移，应变值。 模态分析 在应力分析的基础上继续对模型进行模态分析，分析结果如下图所示 分别得到模型的六阶振型 连杆轴的一阶振型 22 连杆轴的二阶振型连杆轴的三阶振型 23 连杆轴的四阶振型连杆轴的五阶振型 24 连杆轴的六阶振型 25 结论 一、总结 第一部分，文献资料的搜集与整理。通过专利网、文献库和老师给的资料，了解了当前主流的 几种机车转向架助推器类型。然后根据文献资料，综合分析每种助推器的优劣，综合比较借鉴，初步确定采用撬棍杠杆式助推方式。 第二部分，确定局部和整体方案。进一步分析撬棍式助推器的助推方式，及需要哪些相配合的机构，将助推器分为执行系统、系统和驱动系统三部分。然后先对执行机构进行理论受力分析，分析其位移量。借此计算出部分齿轮减速的比和需要的电机的转矩，从而确定电机选型，至此部分和驱动部分也同时确定下来。 第四部分，各部件具体机构设计和校核。根据前面三章的内容，确定执行系统、系统各部件的具体结构尺寸，确定轴上零件的定位 和装配方式，最后选择合适的轴承并对各部件进行校核。 二、设计的不足之处 这次的设计还只是阶段性的，助推器的结构还可以进行局部优化，中间的系统也有很多不同的方案可以选择，比如选择齿轮代替链传， 三、个人体会 毕业设计是大学四年期间最后一次正式的机构设计了，可以说是跨出大学校园的最后一步。需要考察自己大学期间学习的各项专业技能和课程知识，并且要综合运用，对自己也是一次全面的提高。 因为考研的关系，很多时间被占用了，所以毕业设计的时间比较紧，中间过程略显仓促。刚开始做课题使并没有什么头绪，不知道从哪里下 手。就像无头的苍蝇，这里做一些，那里做一些，其中受力分析就做了很多遍，事实证明这些都是无用功。后来跟指导老师
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