【曲柄连杆机构的有限元分析案例3200字（论文）】

曲柄连杆机构的有限元分析案例1.1有限元方法简介有限元分析（FEA）是始于20世纪60年代的一种数值计算方法，首次对固体力学进行了数值计算。20世纪70年代，随着英国科学家的不断努力，有限元法被用于解决该领域的各种问题。有限元法的基本原理和特点：有限元法是一种对一般连续域问题进行近似计算的数值方法，最初应用于结构应力分析，后来迅速扩展到电磁场、流体力学、，对于无限自由度的连续体，将连续体理想化为一组有限自由度单元的方法是有限元的本质，因为单元之间只有节点位置，所以需要求解每个单元的应力应变，但只有每个元素节点的运动。根据单元与节点之间的解析关系，将问题合理地简化为数值求解的结构问题，利用有限元方法可以高效、准确、合理地进行研究与设计，得到最佳的设计方案。目前，为了最大限度地提高经济效益，最大限度地降低油耗，生产内燃机的企业普遍采用重油等方式，为了保证内燃机的工作效率，使其结构更加合理可靠，延长其使用寿命，是一个值得进一步研究的难题。内燃机的很多部件不仅结构复杂，而且承受着各种各样的负荷。在内燃机复杂部件的结构分析和设计中，以往的方法是经验性的设计和试验分析，但由于相关试验技术的发展存在着不可避免的误差和局限性，所以测量方法容易花费时间，测量成本高只有在大量测试的基础上才能获得最佳的解决方案是困难的。另外，结构复杂的情况下，例如像厚连杆那样，曲轴和汽缸盖的应力分析无法得到解析解。通过构造数值分析，对内燃机零件进行构造分析和设计是合理有效的方法。ABAQUS有限元软件是由ABAQUS于1978年开发的，ABAQUS和ANSYS由于其强大的分析计算功能，可以实际解决汽车、航空航天、海军工程、机械工程和土木工程中的一般线性问题，但计算过程差别不大，ABAQUS方法在求解非线性问题上具有明显的优势，算法非常巧妙，可以合理地解决其他有限元软件的非收敛性和非线性问题。ABAQUS软件具有收敛速度快、操作界面友好、人机交互能力强等优点，ABAQUS/标准ABAQUS和表达ABAQUS是ABAQUS开发的产品。静态和动态特性很容易被认为是不稳定的特征。1.2有限元模型建立1.2.1活塞三维模型建立使用solidworks,以上视基准面作为草图绘制的基准面,绘制活塞俯视图,且定义圆心与远点重合,绘制2个圆使用智能尺寸定义圆的直径8mm,7.6mm。进入特征界面就行拉伸,拉伸高度10mm,如图:在前视基准面建立一条过圆心的轴线作为基准线,根据活塞的特征进行环形切除,以及拉伸切除命令完成活塞的建模.1.2.2连杆三维模型建立在前视基准面上进行草图绘制画出连杆的俯视图,进入特征进行拉伸0.5mm,在用转动副连接的补位绘制圆进行拉伸切除,再细画出连杆上的一切圆角和倒角等特征,完成连杆的三维模型建立。1.2.3三维模型简化复杂三维模型进行网格划分后需要更长的时间进行计算,当时例如倒角圆角凹槽等一些细节对仿真结果无任何影响但是会增加仿真计算的时间,所以首先将这些细节去除。由于曲柄连杆机构的运动是在平面内,所以可以将曲柄连杆机构切除一半以简化计算过程,不仅对仿真结果无影响且可以使计算效率加倍。简化结果如图:1.2.2网格划分HyperMesh为美国Atair公司开发的一款软件，它以出色的有限元网格划分前后处理能力而闻名，是一款功能强大的有限元前后处理软件。相对于PRO/E，其几何建模能力显得稍显不足，且操作界面不够简洁；与ABAQUS相比，不仅有限元分析功能薄弱，可选材料和单元类型很少，设置求解方法比较困难，而且其有限元分析计算和结果处理功能也相对薄弱。提高解的精度和减少有限元分析中的计算时间是永远不能兼顾的。针对不同问题的类型和求解要求，合理选择单元类型，划分适当的网格模型，用最少的工作量得到较精确的结果，是有限元分析中需要解决的问题。考虑到连杆实际形状比较复杂，采用HyperMesh自带的10节点二次四面体单元C3D10M自由网格法划分模型，该单元在操作人员快速划分网格的同时，也保证了单元的计算精度。为了更好、更直观地反映连杆的受力情况，需要对连杆受力较大的部位，进行合理的网格加密，如连杆小头和杆身的过渡区域，连杆大头和杆身的过渡区域，连杆大头和大端盖的齿形接触面，以保证计算结果的准确性。最终节点数为250739，单元数为168836。图3.3中显示了网格的有限元模型。图3.3连杆组网格划分图1.2.2材料的定义在ABAQUS中引入划分好的有限元网格模型，并对其进行定义。本文采用45号钢和10号钢。表3.2中列出了材料的性能参数。表3.2连杆组件的材料性能参数表材料密度比热杨氏模量泊松比传导率45号钢7.85E-0098000002100000.30.1540Cr7.85E-0098200002200000.20.15设置杨氏模量和泊松比:设置密度:设置传导率:设置比热:1.2.3接触对的定义曲柄连杆各部件之间的接触关系对计算结果的准确性影响很大，虽然根据设计尺寸合理构造了模型，但在有限元应变生成中网格划分与几何模型并不完全一致。在接触表面和目标表面之间有一个小的间隙或初始穿透。初始侵彻会导致表面接触应力的计算不符合实际，且间隙的计算不收敛，因此当接触面出现问题时，根据实际安装关系和相关软件功能，需要将初始熔透量封闭或消除到最小间隙内，当只需解决与实际安装关系的微小分离时，最好选择能有效模拟接触面间隙的非线性接触模型。接触面或接触面附近的应力值。在连杆的分析计算中，由于大小端孔的变形程度对确定连杆的刚度非常重要，接触压力对连杆的初始载荷有很大影响，本文确定的接触面有：活塞和活塞销、上下轴瓦、接线活塞和机体。1.2.4边界条件的定义通常情况下，极限条件分为位移极限条件和载荷极限条件，极限条件包括求解极限值函数的初始极限值和避免连杆模型的刚度位移。在求解有限元方程时，常将位移极限条件替换为约束条件，用以约束刚体的位移，从而消除了总刚度矩阵的奇异性，简化了问题的求解。曲柄销用于从连杆上截取总决赛孔，曲柄销的两端完全受限。通过零件间的接触关系来约束连杆的整体，极限载荷：静力分析计算只需考虑螺杆预紧力、螺栓干涉力和滚动衬套、惯性力和最大爆破压力。发动机的主要连接部件是连接杆螺栓，如果螺钉断裂，整个零件都会被剃光，因此选择螺钉预紧力的大小尤为重要，不能过大也不能过小，过大会造成材料屈服断裂，过小的动载荷会增加螺杆的动载荷，导致疲劳失效，在以往的连杆分析中，螺栓的预紧力只考虑为一个常数，通常不考虑螺杆变形的影响。事实上，如果螺杆的工作条件发生变化，预制件的荷载也会发生变化。现有的通用单元软件可以利用螺旋单元模拟预紧力，并根据不同的拧紧方式，施加拉伸或力。为了获得满足限制滚动衬套与连杆相对滑动条件的背压，必须对滚动衬套和衬套施加预紧力。首先，忽略预紧力或采用组合厚壁圆管理论。但用上述两种方法得到的连杆大端和小端的刚度误差较大，现阶段在软件功能更完善的情况下，采用滚动衬套与芒果、连杆接触面的初始形状直接施加过盈量更为合理，滚动衬套加载时，滚动衬套与滚动衬套之间应有足够的间隙。如果活塞销和滚动衬套之间没有间隙，滚动衬套会堵塞活塞销，导致连杆小终孔大变形。如果范围过大，接触压力就会集中，这与实际情况有很大的不同，连杆大端瓦轴承与曲柄销的接触配置也存在同样的问题，因此在分析计算中，合理的预定间隙值应根据连杆的实际间隙确定。当连杆处于危险状态（最大张力和最大压缩）时，连杆的往复惯性力和爆炸压力以集中力的形式加载到活塞销两端的中心。连杆的边界条件定义示意图如3.4所示：图3.4边界条件定义图1.2.5有限元静态分析有限元的分析主要包括分析最危险工况（最大应力和最大压缩）下的应力和位移分布。曲柄连杆承受着支撑衬套和衬套的干涉力及螺栓序，一旦螺栓预紧量很大，螺栓受力情况就比较复杂，螺栓在工作过程中处于塑性状态。因此，必须对螺杆的接触面和螺栓的接触面进行详细的模态分析。同时对瓦盖的接触齿根部和杆身进行详细的模态分析，暂不考虑安装条件下的应力分布。当活塞位于进气冲程结束的上止点时，连杆处于最大拉伸工况。其中，连