基于ANSYS對柴油機連桿受拉工況有限元分析【含有限元】【說明書+CAD+PROE】
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Home 柴油機連桿有限元分析 岳貴平 李康 一汽技術中心 摘要: 本文前處理利用Hyper Mesh軟件,計算分析及后處理利用Abaqus軟 件。按柴油機連桿受拉和受壓的兩種工況,對其進行動力學的有限元計算分析(主 要應用了接觸和邊界非線性的原理),得到了連桿(其中還包括連桿蓋、預緊螺栓、 預緊螺母、活塞銷、連桿大頭軸瓦和連桿小頭襯套)的應力圖和它們的安全系數(shù)。 為連桿的設計和制造提供了充分的數(shù)據(jù)資料,具有很高的工程實用價值。 關鍵詞:動力學 接觸 邊界非線性 有限元計算分析 一、前言: 連桿是發(fā)動機中傳遞動力的重要零件,它把活塞的直線運動轉變?yōu)榍S的旋 轉運動,并將作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工作過程中要承受 裝配載荷(包括軸瓦過盈及螺栓預緊力)和交變工作載荷(包括氣體爆發(fā)壓力及 慣性力)的作用,工作條件比較苛刻?,F(xiàn)代汽車正向著環(huán)保節(jié)能方向發(fā)展,這就 要求發(fā)動機連桿在滿足強度和剛度的基礎上,應具有尺寸小、重量輕的特點。 考慮到柴油機連桿的邊界條件比較復雜,想要得到比較好的模擬結果,邊界 條件必須考慮接觸和非線性,普通通用軟件沒有這方面的功能,而ABAQUS軟件剛 好能廣泛的求解非線性(包括接觸)的問題,我們用它解決了這一實際工程問題。 二、基本原理介紹: 2.1邊界非線性 若邊界條件隨分析過程發(fā)生變化,就會產(chǎn)生邊界非線性問題。考慮圖1所示 的懸臂梁,它隨施加的載荷發(fā)生撓曲,直到碰到障礙。 梁端部的豎向撓度與載荷線性相關(當撓度較小時),直到它接觸到障礙物為 止。這時梁端部的邊界條件發(fā)生突然的變化,阻止豎向撓度繼續(xù)增大,因此梁的 響應將不再是線性的。邊界非線性是極度不連續(xù)的:在模擬分析中發(fā)生接觸時, - 1 - 結構的響應特性會在瞬間發(fā)生很大的變化。 Home 圖1 將碰到障礙物的懸臂梁 梁端部的豎向撓度與載荷線性相關(當撓度較小時),直到它接觸到障礙物為 止。這時梁端部的邊界條件發(fā)生突然的變化,阻止豎向撓度繼續(xù)增大,因此梁的 響應將不再是線性的。邊界非線性是極度不連續(xù)的:在模擬分析中發(fā)生接觸時, 結構的響應特性會在瞬間發(fā)生很大的變化。 2.2接觸 許多工程問題含有兩個或多個部件的接觸的情況。在這類問題中,當兩個物 體接觸時,存在沿接觸面法向,且作用在接觸物上的力。如果接觸面存在摩擦力, 可能會產(chǎn)生抵抗物體間切向運動(滑動)的剪力。 在有限元中,接觸條件是一類特殊的不連續(xù)的約束,它允許力從模型的一部 分傳輸?shù)搅硪徊糠?。因為僅當兩個面接觸時才應用接觸條件,所以這種約束是不 連續(xù)的。當兩個表面分開時,沒有約束作用在上面。 三、計算分析過程: 3.1連桿的三維有限元模型 連桿的三維幾何模型來自PRO/E,采用Hyper Mesh軟件建立有限元模型,該 有限元模型包括的零件有:連桿、連桿蓋、預緊螺栓、預緊螺母、活塞銷、曲軸 連桿軸頸、連桿大頭軸瓦、連桿小頭襯套。連桿、連桿蓋采用四面體二次單元; 預緊螺栓、預緊螺母、活塞銷、曲軸連桿軸頸、連桿大頭軸瓦、連桿小頭襯套采 用五面體和六面體的混合單元。由于連桿的三維幾何模型具有很好的對稱性,為 了減少計算所用時間,在這次計算分析過程只截取整個幾何模型的1/4劃分網(wǎng)格, 模型總共有27830個節(jié)點,18315個單元。圖2為連桿(1/4)有限元模型。 - 2 - 3.2邊界條件 Home 3.2.1裝配載荷 連桿大頭軸瓦與連桿大頭的半徑過盈量為:0.05008mm; 連桿小頭襯套與連桿小頭的半徑過盈量為:0.02375mm; 螺栓預緊力為5.8KN。 3.2.2工作載荷 氣缸爆發(fā)壓力:Pg=pD2=131.4KN 式中:p為氣缸內壓強;D為缸徑 慣性力: 連桿小頭慣性力, Pj=16.8KN,與發(fā)動機工作轉速(3000rpm)相對應。 連桿大頭慣性力, Pj=30.9KN,與發(fā)動機工作轉速(3000rpm)相對應 3.3材料性能 表1列出了計算中采用的材料性能數(shù)據(jù)。 表 1 材料性能數(shù)據(jù) 零件 材料 彈性模量 E(N/mm 2 ) 泊松比 抗拉強 度 b (Mpa) 疲勞強 度 -1 (Mpa) 連桿 42CrMoA 207000 0.3 890 350 連桿蓋 42CrMoA 207000 0.3 890 350 軸瓦、襯套 鋼 207000 0.3 螺栓、螺母 鋼 207000 0.3 曲軸、活塞銷 鋼 207000 0.3 3.4計算結果及分析 3.4.1連桿應力與疲勞安全系數(shù) 由于連桿是在交變載荷下工作,采用以下公式計算其疲勞安全系數(shù): abm b n + = 1 1 - 3 - 2 minmax = a 2 minmax + = m Home 連桿應力見圖3、4。最小疲勞安全系數(shù)見表2。 表2 最小疲勞安全系數(shù) 連桿桿身與連桿大端的過渡區(qū) 3.5 連桿桿身與連桿小端的過渡區(qū) 4.0 連桿桿身與螺栓頭附近的過渡區(qū) 1.6 連桿桿身與螺母附近的過渡區(qū) 2.3 連桿小端的油孔 2.6 3.4.2連桿桿身大頭與連桿蓋結合面處的接觸壓力 圖5為第一種工況連桿桿身與連桿蓋結合面處在裝配載荷+拉伸載荷下的法 向應力分布,圖中的深藍色區(qū)域表示失去接觸; 圖6為第二種工況連桿桿身與連桿蓋結合面處在裝配載荷+壓縮載荷下的法 向應力分布,圖中的深藍色區(qū)域表示失去接觸。 從圖上可以看出,連桿桿身與連桿蓋結合面處在所有工作載荷下的法向應力 基本上都大于0Mpa,不會分離。 3.4.3連桿與連桿大頭軸瓦間的接觸壓力 圖7為連桿軸瓦與連桿大頭在裝配載荷+拉伸載荷下的壓應力分布,從圖上以 看出,連桿軸瓦與連桿大頭的接觸壓力大部分面積都大于10Mpa。所以,在連桿 工作載荷下,連桿軸瓦與連桿大頭不會分離。 四、結論 1、 采用42CrMoA設計的連桿, 其最小疲勞安全系數(shù)大于1.6,可以滿足連桿設計 工況。 2、 在連桿工作載荷下,連桿桿身與連桿蓋結合面處所有的法向應力基本上都大 于0Mpa,因此連桿桿身與連桿蓋不會分離。 3、 在連桿工作載荷下,連桿軸瓦與連桿大頭的接觸壓力大部分面積都大于 10MPa,因此連桿大端孔處的變形在允許范圍內。 - 4 - Home 圖2 連桿(1/4)有限元模型 312.8MPa 418.8Mpa 60.8MPa 49.8MPa 25.0MPa 281.0Mpa 圖 3 連桿的最大拉應力分布圖(裝配載荷n=3000rpm) - 5 - 212.8MPa Ho 233.3MPa -194.3MPa -173.8MPa -191.6MPa 67.7MPa 圖 4 連桿的最小壓應力分布圖(裝配載荷+氣體爆發(fā)壓力n=3000rpm) 圖 5 連桿和連桿蓋的接觸面的應力分布圖(裝配載荷n=3000rpm) - 6 - Home 圖6連桿和連桿蓋的接觸面的應力分布圖(裝配載荷+氣體爆發(fā)壓力n=3000rpm) 圖 7 軸瓦與連桿大頭的接觸面的應力分布圖(裝配載荷n=3000rpm) - 7 -
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