ANSYS软件在连杆有限元分析中的应用

李春风，董庆华，侯和龙

(承德石油高等专科学校工业技术中心，河北承德067000)

ANSYS软件在连杆有限元分析中的应用

李春风，董庆华，侯和龙

(承德石油高等专科学校工业技术中心，河北承德067000)

连杆是连接发动机活塞与曲轴的重要组件，是内燃机的主要运动受力部件之一。通过数值模拟的方法对汽车发动机连杆进行有限元分析。通过ANSYS软件建立了连杆模型，并沿着两个不同路径对其应力进行映射，得到连杆的最大最小应力边界，为后续疲劳分析以及动力仿真提供参考。

发动机连杆;ANSYS;布尔运算;路径操作

连杆是连接发动机活塞与曲轴的重要组件，是内燃机的主要运动受力部件之一，其作用是将活塞的往复直线运动变成曲轴的旋转运动，并在活塞和曲轴之间传递作用力。工作中经受拉伸、压缩、弯曲等的交变载荷的作用，机械负荷严重，工作条件恶劣［1］。因此，在进行内燃机研究时，连杆的可靠性成为人们关注的热点。

1　ANSYS软件在汽车连杆有限元分析中的应用

1．1前处理

1．1．1几何建模

ANSYS提供两种可交叉使用的实体建模方法:自顶向下及自底向上。现在参照连杆尺寸图(见图1)，采用由底向上建模技术建立汽车连杆几何模型。

1)指定工作目录，用“c-rod”作为文件名，进入ANSYS。

2)创建两个圆形面，创建两个矩形面，平移工作面位置(X=6．5)，设置工作平面所在的坐标系为激活坐标系，再创建两个圆形面，得到基本图像组元如图2所示。

1．1．2布尔运算

1)在每一组面上分别进行布尔操作，如图3所示。

2)激活总体笛卡尔坐标系，定义四个新的关键点，激活总体柱坐标系，创建一条线得到由一系列关键点拟合成的一条样条曲线，如图4所示。

3)通过关键点1和18创建一条直线，如图5所示。

4)打开线号，显示线，以预先定义的线6、1、7、25为边界创建一个新面，如图6所示。

5)创建三个线与线的倒角，先定义的圆角为边界，创建一新的面，如图7所示。

6)以X-Z平面(在Y方向)为对称面，对面进行镜面反射，并把所有的面加起来，初步得到模型如图8所示。

1．1．3实体建模

对模型进行输入、修正，从而简化模型。

1)创建第一个孔洞。在孔洞中心创建关键点，平移工作平面到新的关键点，创建一个圆柱体，为生成孔洞作准备，然后从连杆中减去圆柱体，得到第一个孔洞，如图9所示。

2)创建第二个孔洞。其操作步骤同1。

3)将体分解为对称的模型。如图10所示。

4)添加第一个倒角。如图11所示。

5)通过倒角面创建体。如图12所示。

1．2后处理

1．2．1画出应力云图

进入后处理器，出画von Mises应力。并检查von Mises应力结果。

1．2．2路径操作

ANSYS软件也可以用图示或列表方式来显示用户所定义截面上节点计算结果的分布，称为路径操作。它能虚拟映射任何数据到模型的任何路径上，然后就可以沿着路径进行许多数学运算、微积分运算，从而得到有意义的计算结果，例如开裂部位的应力强度因子和J积分，通过该路径的热量、磁场力等，并且可以以图形或者列表的方式观察结果沿着路径的变化情况［3］。

路径操作包括定义路径环境、定义路径点、定义路径属性、沿路径插值数据(可以在一个激活的结果坐标系中沿着路径插值结果数据，包括原始数据(DOF节点解)、派生数据(应力、通量、梯度)、单元表数据、FLOTRAN节点结果数据等)、映射路径数据、观察路径项、在路径中进行算数运算、删除路径以及将路径数据从文件中存档或恢复等。

1)映射von Mises应力到某个路径。

定义两个路径Path1和Path2。并分别映射von Mises，SX、SY和SZ应力到Path2和Path1，分别如图13、图14所示。

2)通过路径画出模型，如图15所示。

1．2．3画出误差评估值

在图形窗口显示全部模型，画结构单元能量误差评估值(SERR)，如图16所示。画应力离散误差(SDSG)，如图17所示。画结构百分比误差(SEPC)，如图18所示。对SEQV画出最大最小应力边界，如图19所示。

2　结论

本文讨论了ANSYS软件在连杆有限元分析中的应用。ANSYS能虚拟映射任何数据到模型的任何路径上，然后就可以沿着路径进行许多数学运算、微积分运算，从而得到有意义的计算结果。本文通过ANSYS软件建立了连杆模型，并沿着两个不同路径对其应力进行映射，得到连杆的最大最小应力边界，为后续疲劳分析以及动力仿真提供参考。

［1］杨连生．内燃机设计［M］北京:中国农业机械出版社，1989．

［2］李春风．基于Ansys的汽车门锁机构锁紧工况的有限元分析［J］．现代机械，2012，8(4):29－31．

［3］张应迁．Ansys有限元分析从入门到精通［M］．北京:人民邮电出版社，2010．

［4］李晓红．基于ANSYS管道缺陷承载行为研究［J］．承德石油高等专科学校学报，2009，9(3):30－32．

Application of ANSYS Software in Finite Element Analysis of Connecting Rod

LI Chun-feng，DONG Qing-hua，HOU He-long
(Industrial Technology Center，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Connecting rod is one of the important components to connect engine piston and the crankshaft，and it is one of the main under-stress parts of internal combustion engine during movements．This paper，by means of numerical simulation，analyzes the finite element of automobile engine connecting rod．ANSYS software is applied for modeling and mapping its stress along two different paths．The maximum and minimum stress boundary is obtained，which will provide a reference for subsequent fatigue analysis and dynamic simulation．

engine connecting rod;ANSYS;Booleans;path operation

TK4

B

1008-9446(2015)02-0020-04

2014-12-01

李春风(1981－)，男，河北石家庄人，承德石油高等专科学校工业技术中心讲师，硕士，主要从事机械设计、有限元分析等方面研究。