连杆有限元分析.pdf

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1、Home 柴油机连杆有限元分析 岳贵平 李康 一汽技术中心 摘要：本文前处理利用 Hyper Mesh 软件，计算分析及后处理利用 Abaqus 软件。按柴油机连杆受拉和受压的两种工况，对其进行动力学的有限元计算分析（主要应用了接触和边界非线性的原理），得到了连杆（其中还包括连杆盖、预紧螺栓、预紧螺母、活塞销、连杆大头轴瓦和连杆小头衬套）的应力图和它们的安全系数。为连杆的设计和制造提供了充分的数据资料，具有很高的工程实用价值。关键词：动力学 接触 边界非线性 有限元计算分析 一、前言：连杆是发动机中传递动力的重要零件，它把活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动，并将作用在活塞上的力传给曲轴以输出功

2、率。连杆在工作过程中要承受装配载荷（包括轴瓦过盈及螺栓预紧力）和交变工作载荷（包括气体爆发压力及惯性力）的作用，工作条件比较苛刻。现代汽车正向着环保节能方向发展，这就要求发动机连杆在满足强度和刚度的基础上，应具有尺寸小、重量轻的特点。考虑到柴油机连杆的边界条件比较复杂，想要得到比较好的模拟结果，边界条件必须考虑接触和非线性，普通通用软件没有这方面的功能，而 ABAQUS 软件刚好能广泛的求解非线性（包括接触）的问题，我们用它解决了这一实际工程问题。二、基本原理介绍：2.1 边界非线性边界非线性 若边界条件随分析过程发生变化，就会产生边界非线性问题。考虑图 1 所示的悬臂梁，它随施加的载荷发生挠

3、曲，直到碰到障碍。梁端部的竖向挠度与载荷线性相关（当挠度较小时），直到它接触到障碍物为止。这时梁端部的边界条件发生突然的变化，阻止竖向挠度继续增大，因此梁的响应将不再是线性的。边界非线性是极度不连续的：在模拟分析中发生接触时，-1-结构的响应特性会在瞬间发生很大的变化。Home 图 1 将碰到障碍物的悬臂梁 梁端部的竖向挠度与载荷线性相关（当挠度较小时），直到它接触到障碍物为止。这时梁端部的边界条件发生突然的变化，阻止竖向挠度继续增大，因此梁的响应将不再是线性的。边界非线性是极度不连续的：在模拟分析中发生接触时，结构的响应特性会在瞬间发生很大的变化。2.2 接触接触 许多工程问题含有两个或多个

4、部件的接触的情况。在这类问题中，当两个物体接触时，存在沿接触面法向，且作用在接触物上的力。如果接触面存在摩擦力，可能会产生抵抗物体间切向运动（滑动）的剪力。在有限元中，接触条件是一类特殊的不连续的约束，它允许力从模型的一部分传输到另一部分。因为仅当两个面接触时才应用接触条件，所以这种约束是不连续的。当两个表面分开时，没有约束作用在上面。三、计算分析过程：3.1 连杆的三维有限元模型连杆的三维有限元模型 连杆的三维几何模型来自 PRO/E，采用 Hyper Mesh 软件建立有限元模型，该有限元模型包括的零件有：连杆、连杆盖、预紧螺栓、预紧螺母、活塞销、曲轴连杆轴颈、连杆大头轴瓦、连杆小头衬套。

5、连杆、连杆盖采用四面体二次单元；预紧螺栓、预紧螺母、活塞销、曲轴连杆轴颈、连杆大头轴瓦、连杆小头衬套采用五面体和六面体的混合单元。由于连杆的三维几何模型具有很好的对称性，为了减少计算所用时间，在这次计算分析过程只截取整个几何模型的 1/4 划分网格，模型总共有 27830 个节点，18315 个单元。图 2 为连杆(1/4)有限元模型。-2-3.2 边界条件边界条件 Home 3.2.1 装配载荷 连杆大头轴瓦与连杆大头的半径过盈量为：0.05008mm；连杆小头衬套与连杆小头的半径过盈量为：0.02375mm；螺栓预紧力为 5.8KN。3.2.2 工作载荷 气缸爆发压力：Pg=pD2=131

6、.4KN 式中：p 为气缸内压强；D 为缸径 惯性力：连杆小头惯性力，Pj=16.8KN，与发动机工作转速（3000rpm）相对应。连杆大头惯性力，Pj=30.9KN，与发动机工作转速（3000rpm）相对应 3.3 材料性能材料性能 表 1 列出了计算中采用的材料性能数据。表 1 材料性能数据 零件 材料 弹性模量E(N/mm2)泊松比 抗拉强度b(Mpa)疲劳强度-1(Mpa)连杆 42CrMoA 207000 0.3 890 350 连杆盖 42CrMoA 207000 0.3 890 350 轴瓦、衬套 钢 207000 0.3 螺栓、螺母 钢 207000 0.3 曲轴、活塞销 钢

7、207000 0.3 3.4 计算结果及分析计算结果及分析 3.4.1 连杆应力与疲劳安全系数 由于连杆是在交变载荷下工作，采用以下公式计算其疲劳安全系数：abmbn+=11 -3-2minmax=a 2minmax+=m Home 连杆应力见图 3、4。最小疲劳安全系数见表 2。表 2 最小疲劳安全系数 连杆杆身与连杆大端的过渡区 3.5 连杆杆身与连杆小端的过渡区 4.0 连杆杆身与螺栓头附近的过渡区 1.6 连杆杆身与螺母附近的过渡区 2.3 连杆小端的油孔 2.6 3.4.2 连杆杆身大头与连杆盖结合面处的接触压力 图 5 为第一种工况连杆杆身与连杆盖结合面处在装配载荷+拉伸载荷下的法

8、向应力分布，图中的深蓝色区域表示失去接触；图 6 为第二种工况连杆杆身与连杆盖结合面处在装配载荷+压缩载荷下的法向应力分布，图中的深蓝色区域表示失去接触。从图上可以看出，连杆杆身与连杆盖结合面处在所有工作载荷下的法向应力基本上都大于 0Mpa，不会分离。3.4.3 连杆与连杆大头轴瓦间的接触压力 图 7 为连杆轴瓦与连杆大头在装配载荷+拉伸载荷下的压应力分布，从图上以看出，连杆轴瓦与连杆大头的接触压力大部分面积都大于 10Mpa。所以，在连杆工作载荷下，连杆轴瓦与连杆大头不会分离。四、结论 1、采用 42CrMoA 设计的连杆,其最小疲劳安全系数大于 1.6，可以满足连杆设计工况。2、在连杆工

9、作载荷下，连杆杆身与连杆盖结合面处所有的法向应力基本上都大于 0Mpa，因此连杆杆身与连杆盖不会分离。3、在连杆工作载荷下，连杆轴瓦与连杆大头的接触压力大部分面积都大于10MPa，因此连杆大端孔处的变形在允许范围内。-4-Home 图 2 连杆(1/4)有限元模型 312.8MPa 418.8Mpa60.8MPa49.8MPa 25.0MPa281.0Mpa 图 3 连杆的最大拉应力分布图（装配载荷n=3000rpm）-5-212.8MPa Ho233.3MPa-194.3MPa-173.8MPa-191.6MPa 67.7MPa 图 4 连杆的最小压应力分布图（装配载荷+气体爆发压力n=3000rpm）图 5 连杆和连杆盖的接触面的应力分布图（装配载荷n=3000rpm）-6-Home 图 6 连杆和连杆盖的接触面的应力分布图（装配载荷+气体爆发压力n=3000rpm）图 7 轴瓦与连杆大头的接触面的应力分布图（装配载荷n=3000rpm）-7-