基于ANSYS的活塞連桿強度分析

楊彬 王德吉 李源源 張旭

摘 要:以柴油發(fā)動機活塞連桿為研究對象,利用Pro/E軟件建立了連桿的三維實體模型,在ANSYS軟件中,根據其在實際工況下的邊界載荷條件,在連桿內孔上施加余弦分布荷載,研究連桿桿身應力分布狀態(tài),為連桿組件的實際設計提供理論參考。

關鍵詞:活塞連桿余弦載荷應力分布ANSYS

中圖分類號:TK4 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(a)-0072-01

Abstract:In order to study the diesel piston connecting rod,the 3–D solid model was built in the Pro/E software.The strength analysis was made under the practical loading with ANSYS software,so as to study its stress distribution and provide theoretical reference for innovative design of connecting rod assembly.

Key Word:piston connecting rod;static analysis;ANSYS

連桿機構是汽車發(fā)動機的重要組成部分,由連桿體和連桿通過連桿螺栓連接而成。柴油發(fā)動機工作時,連桿承受大小、方向都隨時間變化的燃氣壓力以及自身的慣性力,將活塞的往復直線運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動,將作用于活塞頂上的氣體壓力轉變?yōu)榍S的扭矩并對外做功。在強度、疲勞強度、抗沖擊性以及可靠性方面都有很高的要求,因而,應力分析、應變分析和位移分析是連桿設計過程中不可缺少的環(huán)節(jié)。在有限元的計算過程中,影響計算結果的主要因素是幾何和載荷的邊界條件的確定。早期的連桿計算過程中簡化了模型參數(shù)、邊界條件和載荷,計算結果雖具有一定的參照價值,但是相對實際情況較為粗糙。隨著計算機技術的快速發(fā)展,有限元軟件的功能更加完善了,能夠更加精確的模擬連桿承受拋物線規(guī)律的載荷,實驗結果更具有實際意義。利用有限元法對機械零件模擬分析,節(jié)省了試驗周期,節(jié)約了經濟成本。

1 靜力分析的有限元方程

靜力分析在有限元分析過程中是必不可少的一個步驟,主要是為了確定機械零部件的強度,即最大應力應變,是靜載荷設計的重要參數(shù),也是進行疲勞斷裂分析的基礎。有限元法是把連續(xù)介質離散成有限個單元,每一個單元設定有限個節(jié)點,單元體只在節(jié)點上相互聯(lián)系,選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量,并在單元中設置插值函數(shù)表示場函數(shù)的分布規(guī)律,利用變分原理建立用以求解節(jié)點未知量的有限元方程,從而將一個連續(xù)域中的無限自由度問題轉化為離散域有限自由度問題。靜力分析的基本方程如下:

{F}=[k]{δ}

{F}—集成整體節(jié)點載荷向量

[k]—集成整體剛度矩陣

{δ}—節(jié)點位移矩陣

2 連桿的有限元模型

(1)設計參數(shù)

連桿組的總質量m1=2074g,連桿曲柄半徑R=58.5mm,中心距L=125mm,活塞組的總質量m2=1670g,標定轉速n1=2600r/min,最大轉矩點轉速n2=1800r/min,氣缸直徑D=108mm,氣體最大爆發(fā)壓力P=9MPa。

該發(fā)動機連桿的材料為40Cr,彈性模量E=206GPa,泊松比μ=0.28,屈服極限σS=785MPa,安全系數(shù)取n=2,許用應力[σ]=393MPa。

(2)有限元模型的建立

首先采用Pro/E軟件建立活塞連桿的三維實體模型,然后通過Pro/E與ANSYS的無縫集成,將模型導入ANSYS中,并進行靜力強度分析計算。這種方法保持了導入模型的完整性,方便修改模型參數(shù),減少了直接在ANSYS中建模的巨大工作量,使分析過程方便快捷。采用三維solid45單元對連桿進行智能網格劃分,并細化大小端與桿身連接的過渡圓角部位,整個模型被離散化。

(3)載荷分布

連桿運動時的受力是周期變化的,在進行靜力分析時,采用準動態(tài)模擬分析方法,把連桿的受力狀況固定在工況最惡劣的連桿自身慣性力引起的最大拉伸工況和最大燃氣爆發(fā)壓力引起的最大壓縮工況。這兩種載荷作用在大小頭孔的內表面,作用方向通過軸心連線,沿軸線方向呈拋物線分布,沿徑向方向按余弦規(guī)律分布。

(4)邊界條件

邊界條件的確定對有限元的計算結果產生重要影響,因此確保其與實際工況相吻合是至關重要的。連桿大頭孔與曲軸相連接,保留大頭孔繞中心的旋轉自由度,約束其它自由度。連桿小頭孔與活塞銷相接觸,保留小頭孔繞中心線的轉動自由度和沿汽缸方向的移動自由度,約束其它自由度。

3 有限元計算結果及分析

選取發(fā)動機連桿在最大拉伸工況下的靜力分析,利用ANSYS提取最大位移和應力值作為靜力分析的目標。

再選取發(fā)動機連桿在最大壓縮工況下的靜力分析,利用ANSYS提取最大壓縮時的等效合成位移。

最大應力部位位于連桿小頭孔與桿身的連接處,σmax=276MPa,許用應力[σ]=393MPa,可見連桿受拉工況下的靜力強度足夠。

4 結語

利用ANSYS模擬的計算結果、試驗結果與理論計算結果基本相同,即最大應力出現(xiàn)在連桿小頭與桿身的連接處,說明利用ANSYS軟件進行數(shù)值模擬實驗是正確可行的。因此,ANSYS應力應變分析可以為設計者在選擇發(fā)動機連桿材料、活塞壓力等參數(shù)時提供重要的參考;通過軟件模擬與實驗相結合的方法優(yōu)化參數(shù),對進一步提高連桿的強度、設計精度、節(jié)省材料、提高經濟效益具有一定的參考意義。

參考文獻

[1] 趙雨旸．柴油發(fā)動機[M]．北京:化學工業(yè)出版社,2004:14～16．

[2] 張洪信,管殿柱．有限元基礎理論與ANSYS11.0應用[M]．北京:機械工業(yè)出版社,2009:24～29．

[3] 徐兆坤．汽車發(fā)動機原理[M]．北京:清華大學出版社,2010:28～31．

[4] 代偉峰,樊文欣,程志軍．基于ANSYS的連桿的三維有限元分析[J]．小型內燃機與摩托車,2008,37(1):48～50．

[5] 盧大平,祁文軍,程偉．ANSYS在連桿疲勞壽命分析中的應用[J]．研究與開發(fā),2009,4:57～59．