汽车发动机连杆的有限元分析

1、汽车发动机连杆的有限元分析刘显玉(辽宁科技学院机械工程系,辽宁本溪 117022摘要:采用基于ANSYS软件开发的有限元模拟系统,并利用网格重划技术,对汽车发动机连杆杆身截面进行了弹、塑性力的有限元模拟,得到了变形过程中的应力场、应变场的分布,为进行发动机连杆的结构分析建立了基础.关键词:汽车;发动机;连杆;有限元中图分类号:TK4 文献标识码:A 文章编号:1005-8354 (2005 03-0009-03Finite Element Analysis of Automobile Engine Connecting RodsLIU Xian-yu(Mechanical Engineerin

2、g Faculty, Liaoning Science and Technology Institute, Benxi 117022, ChinaAbstract:This article adopts the finite-element simulation system based on the ANSYS software. By means of technology of grid rewriting, the finite-element simulation of the stress of elasticity and plasticity for the body sect

3、ion of automobile engines connecting rod is made to gain distributing of the stress and strains field and build the base of structure analysis of automobile engine connecting rods. Key words:automobile;engine; connecting rod; finite-element1 引言2 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

4、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,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.概括而言,有限元法的几个主要特点有:(1有限元法的基本思想是“离散化”.(2有限元法的物理概念十分清晰,容易为工程技术人员所理解.(3有限元法引入边界条件的办法简单.(4有限元法不仅适用于复杂的几何边界条收稿日期:2005-03-11作者简介:刘显玉(1967-男,硕士,研究方向:内燃机检测与故障诊断.机

5、电设备 2005年第3期总第24卷 9 件,而且能够处理各种复杂的材料性质问题.(5有限元法必须求解一个大型代数方程组,用人工求解几乎是不可能的.(6有限元法的计算机软件是通用的.3 连杆的工作条件6110柴油机连杆为斜切口合金钢模锻件,然后经机械加工和热处理完成.连杆大端、连杆盖通过螺栓及其预紧力与连杆紧紧结合在一起;杆身的横截面呈“工”字形,且与连杆大、小端圆滑过渡,整个连杆呈上下对称及左右对称结构.在标定工况下,发动机连杆的运动是随活塞的平移和绕活塞销摆动两种运动的复合运动.连杆在运动的过程中,一般承受的载荷有气缸爆发压力、往复惯性力和螺栓预紧力等,连杆大端还承受旋转惯性力的作用.图1为

6、6110柴油机曲柄连杆机构简图,其曲轴回转中心线和活塞销中心线均与气缸中心线相交. 图1 连杆机构运动简图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;(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.在有限元分析时,根据力的作用效果,主要考虑以下三种载荷的作用:预紧载荷、最大惯性力、最大爆发压力.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

7、强度的计算,为其改进和设计提供可靠的依据.最大拉伸情况发生在活塞运动到排气冲程终了的上止点位置,此时连杆主要承受其它零件及其本身的最大惯性力;最大压力情况发生在膨胀冲程开始的上止点位置附近,此时连杆主要承受缸内燃气的爆发压力以及零件运动的惯性力.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.因此如何正确地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.4 发动机连杆的有限元计算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

8、,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,则“工”字形梁的结构就会发生改变,其承受载荷的能力必然也要受到影响,最终导致分析的结果与实际结果有很大偏差,况且丢掉大端盖不利于对连杆整体进行应力应变的研究分析,也不利于后续研究工作的开展,从而进一步造成分析结果不周全的缺憾.相比较而言,若采用三维立体建模,可以显著改进二维平面有限元分析的不足,同时以均布面载荷模拟通过螺栓头和螺母分别作用于杆身和大端盖接触面上的力螺栓预紧力,用多点约束处理杆身与大端盖的接触面来近似模拟其力学接触状态,以限制刚体某自由度上应力与位移,模拟更加真实,提高了分析结果的可信度.连杆结构的离散化可采用三角形单元.在

9、连杆常发生破坏的小端过渡圆弧处,杆身与大、小端过渡处、大端盖两侧夹角处以及杆身的工艺凸台两则 10 V ol.24, No.3, 2005 Mechanical and Electrical Equipment应加密网格,把这些部位的单元划分得小一些,以提高应力集中区域的计算精度.由于连杆小端的铜质衬套和钢质连杆具有不同的弹性常数,小端和杆身的工字形截面又有不同的厚度,故把弹性常数和厚度的突变线划成了单元的边界线.在连杆大、小端轴孔处边界单元的大小,将影响到轴承负荷向边界节点移植结果的精度,采取沿轴孔按每10或15划分一个节点,可基本满足计算要求.图2、图3和图4分别是发动机连杆的有限元计算模

10、型和拉应力、压应力分布图.图2 发动机连杆的有限元计算模型.图3 发动机连杆的拉应力分布图 图4 发动机连杆的压应力分布图 5 结论(1有限元方法是工程设计、开发领域中一种实用、可靠的方法.(2在有限元分析中,科学的力学模型、准确的边界条件约束决定着分析结果的准确度.(3连杆应力计算中载荷施加的均匀性、对称性和准确性对杆身、大端和小端过渡区的应力计算结果有很大的影响.(4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. 参考文献:1 刘涛,杨风鹏等.精通ANSYSM.北京:清华大学出版社,2002.2 邓兆祥,胡玉梅等.N485柴油机连杆静强度有限元分析J.内燃机,2001(2.3 Hiroyuki Tsuzuku,Naoki Tsuchida. An experimentalstudy of connecting rod big ends Z. SAE Paper950202.日本科学家发明“机器人服”日本科学家最近发明了一种代号为HAL-5的“机器人服”。穿上这身独特