基于ANSYS的活塞连杆强度分析

杨彬 王德吉 李源源 张旭

摘 要:以柴油发动机活塞连杆为研究对象,利用Pro/E软件建立了连杆的三维实体模型,在ANSYS软件中,根据其在实际工况下的边界载荷条件,在连杆内孔上施加余弦分布荷载,研究连杆杆身应力分布状态,为连杆组件的实际设计提供理论参考。

关键词:活塞连杆余弦载荷应力分布ANSYS

中图分类号:TK4 文献标识码:A 文章编号: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

连杆机构是汽车发动机的重要组成部分,由连杆体和连杆通过连杆螺栓连接而成。柴油发动机工作时,连杆承受大小、方向都随时间变化的燃气压力以及自身的惯性力,将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动,将作用于活塞顶上的气体压力转变为曲轴的扭矩并对外做功。在强度、疲劳强度、抗冲击性以及可靠性方面都有很高的要求,因而,应力分析、应变分析和位移分析是连杆设计过程中不可缺少的环节。在有限元的计算过程中,影响计算结果的主要因素是几何和载荷的边界条件的确定。早期的连杆计算过程中简化了模型参数、边界条件和载荷,计算结果虽具有一定的参照价值,但是相对实际情况较为粗糙。随着计算机技术的快速发展,有限元软件的功能更加完善了,能够更加精确的模拟连杆承受抛物线规律的载荷,实验结果更具有实际意义。利用有限元法对机械零件模拟分析,节省了试验周期,节约了经济成本。

1 静力分析的有限元方程

静力分析在有限元分析过程中是必不可少的一个步骤,主要是为了确定机械零部件的强度,即最大应力应变,是静载荷设计的重要参数,也是进行疲劳断裂分析的基础。有限元法是把连续介质离散成有限个单元,每一个单元设定有限个节点,单元体只在节点上相互联系,选定场函数的节点值作为基本未知量,并在单元中设置插值函数表示场函数的分布规律,利用变分原理建立用以求解节点未知量的有限元方程,从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域有限自由度问题。静力分析的基本方程如下:

{F}=[k]{δ}

{F}—集成整体节点载荷向量

[k]—集成整体刚度矩阵

{δ}—节点位移矩阵

2 连杆的有限元模型

(1)设计参数

连杆组的总质量m1=2074g,连杆曲柄半径R=58.5mm,中心距L=125mm,活塞组的总质量m2=1670g,标定转速n1=2600r/min,最大转矩点转速n2=1800r/min,气缸直径D=108mm,气体最大爆发压力P=9MPa。

该发动机连杆的材料为40Cr,弹性模量E=206GPa,泊松比μ=0.28,屈服极限σS=785MPa,安全系数取n=2,许用应力[σ]=393MPa。

(2)有限元模型的建立

首先采用Pro/E软件建立活塞连杆的三维实体模型,然后通过Pro/E与ANSYS的无缝集成,将模型导入ANSYS中,并进行静力强度分析计算。这种方法保持了导入模型的完整性,方便修改模型参数,减少了直接在ANSYS中建模的巨大工作量,使分析过程方便快捷。采用三维solid45单元对连杆进行智能网格划分,并细化大小端与杆身连接的过渡圆角部位,整个模型被离散化。

(3)载荷分布

连杆运动时的受力是周期变化的,在进行静力分析时,采用准动态模拟分析方法,把连杆的受力状况固定在工况最恶劣的连杆自身惯性力引起的最大拉伸工况和最大燃气爆发压力引起的最大压缩工况。这两种载荷作用在大小头孔的内表面,作用方向通过轴心连线,沿轴线方向呈抛物线分布,沿径向方向按余弦规律分布。

(4)边界条件

边界条件的确定对有限元的计算结果产生重要影响,因此确保其与实际工况相吻合是至关重要的。连杆大头孔与曲轴相连接,保留大头孔绕中心的旋转自由度,约束其它自由度。连杆小头孔与活塞销相接触,保留小头孔绕中心线的转动自由度和沿汽缸方向的移动自由度,约束其它自由度。

3 有限元计算结果及分析

选取发动机连杆在最大拉伸工况下的静力分析,利用ANSYS提取最大位移和应力值作为静力分析的目标。

再选取发动机连杆在最大压缩工况下的静力分析,利用ANSYS提取最大压缩时的等效合成位移。

最大应力部位位于连杆小头孔与杆身的连接处,σmax=276MPa,许用应力[σ]=393MPa,可见连杆受拉工况下的静力强度足够。

4 结语

利用ANSYS模拟的计算结果、试验结果与理论计算结果基本相同,即最大應力出现在连杆小头与杆身的连接处,说明利用ANSYS软件进行数值模拟实验是正确可行的。因此,ANSYS应力应变分析可以为设计者在选择发动机连杆材料、活塞压力等参数时提供重要的参考;通过软件模拟与实验相结合的方法优化参数,对进一步提高连杆的强度、设计精度、节省材料、提高经济效益具有一定的参考意义。

参考文献

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