發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的三維有限元分析研究.pdf

按語 連桿的強(qiáng)度對發(fā)動(dòng)機(jī)性能有非常大的影響,在連桿設(shè)計(jì)過程中必須對連桿的強(qiáng)度進(jìn)行考核。通過有限元技術(shù) 對連桿的強(qiáng)度進(jìn)行校核可以快速方便的得到結(jié)構(gòu)的具體應(yīng)力分布變形等,從而為設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的三維有限元分析研究 胡冬青 (淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽淮北235000) 摘要 以某型號連桿為例,在hypermesh中對連桿模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分,對劃分好的有限元模型導(dǎo)入到abaqus中進(jìn)行計(jì)算,在既定工況 得到連桿的應(yīng)力及變形等,通過分析表明該連桿滿足設(shè)計(jì)需求。 關(guān)鍵詞 連桿 強(qiáng)度 有限元技術(shù) 中圖分類號 S220 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號 0517 - 6611(2009) 14 - 06458 - 03 Three D i mensional Finite Element Analysis of Engine Connecting Rod HU Dong2qing (HuaibeiVocational Technical College, Huaibei, Anhui 235000) Abstract Taking some type connecting rod as example, mesh generation of connecting rod modelwas carried out in Hypermesh, and the fi2 nite elementmodelwas calculated in Abaqus . The resultswere obtained on the vested working condition, and the result showed that the design of the connecting rod can meet the requirement . Key words Connecting rod; Strength; Finite element technology 作者簡介 胡冬青(1976 - ) ,女,安徽碭山人,碩士,講師,從事汽車系 統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制研究。 收稿日期 2009204207 內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)基本形式是曲柄連桿機(jī)構(gòu),由活塞、 連桿和曲軸三大構(gòu)件組成。因此對連桿進(jìn)行分析對發(fā)動(dòng)機(jī) 的正常工作及發(fā)動(dòng)機(jī)的性能非常必要。在實(shí)際工作過程中 連桿的受力比較復(fù)雜,因此文中分3個(gè)工況對其進(jìn)行分析即 預(yù)緊工況、 最大爆壓工況及最大轉(zhuǎn)速工況下的應(yīng)力及變形情 況 1。首先需要考慮到慣性工況下連桿的運(yùn)動(dòng)情況和爆壓 工況下的受力情況。 1 連桿機(jī)構(gòu)受力分析 1. 1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的加速度 2 - 3 圖1為曲柄連桿機(jī)構(gòu)示 意圖,從圖1中可以看出活塞位移的公式為: 圖1曲柄連桿機(jī)構(gòu)示意 Fig. 1 Schematic diagram of crank connecting rod mechanis m x=R+L-Lcos-Rcos(1) 其中,為曲柄轉(zhuǎn)角;為連桿軸線在其擺動(dòng)平面內(nèi)偏離氣缸 中心線的角度。同時(shí)令曲柄半徑與連桿的長度比為,即 =R /L。 從而(1)式可變?yōu)? x=R(1 - cos)+L (1 - 1 - 2 sin 2) 從位移公式可以得到活塞的加速度為: a= d 2 x dt 2 =R 2cos(+) cos +cos 2 cos 3 根據(jù)二項(xiàng)式定理,取前兩階對原方程進(jìn)行簡化得到: a=R 2 cos+R 2cos2 (2) 其中,為轉(zhuǎn)速。 1. 2 連桿組加速度 對于連桿組,可令其為二質(zhì)量系統(tǒng), 即質(zhì)量集中于大小頭兩端,根據(jù)質(zhì)量等效原則,兩者到質(zhì)心 處的關(guān)系為: mcp (L - b) =mcrb 同時(shí):m=mcp+mcr 因此作用在連桿組質(zhì)心上的加速度可以寫成: am= 1 m (m cpacp+mcracr)=R 2 (1 + b L )(3) 1. 3 爆壓力 缸內(nèi)氣體壓力作用在活塞頂部傳遞給連桿 組,因此氣體壓力需要分解成沿連桿桿身方向和作用于缸壁 的側(cè)向力,因此連桿桿身作用的氣體力可以寫成: P=Pg 4 D 2 cos(4) 其中,Pg為氣體爆壓力 。 2 有限元模型的建立 建立有限元過程中,考慮到連桿組件是對稱結(jié)構(gòu),建模 過程中可以采用1/2或者1/4模型進(jìn)行有限元建模。 文中采 用全模型進(jìn)行建模,所有部件用二階四面體單元進(jìn)行建模, 考慮到連桿組件各個(gè)部分的接觸處理,因此采用C3D10M單 元進(jìn)行模擬。如圖2所示對各接觸面采用接觸對進(jìn)行模擬, 同時(shí)對軸瓦跟曲軸的接觸中,采用剛性面模擬曲軸,從而減 小模型規(guī)模 3 - 4。劃分網(wǎng)格過程中 ,對接觸平面應(yīng)盡量網(wǎng)格 對應(yīng),如此可以加快計(jì)算收斂速度,節(jié)約計(jì)算資源,建立的模 型見圖3。 責(zé)任編輯 王淼 責(zé)任校對 張士敏安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), Journal ofAnhuiAgri .Sci . 2009, 37(14) : 6458 - 6460 圖2 連桿有限元模型 Fig. 2 Model of connecting rod finite element 圖3 連桿組件構(gòu)成示意 Fig. 3 Schematic diagram of connecting rod composition consti2 tution 3 工況設(shè)計(jì) 3. 1 裝配工況 該工況包括螺栓預(yù)緊力裝配工況、 軸瓦過 盈裝配工況及襯套過盈裝配工況。一般螺栓預(yù)緊力的模擬 有施加靜態(tài)力和采用彈性變形恢復(fù)力兩種方法進(jìn)行模擬,在 文中根據(jù)國標(biāo)查出相應(yīng)螺栓類型的預(yù)緊力進(jìn)行靜態(tài)加載方 式進(jìn)行模擬;對于軸瓦和襯套的過盈裝配采用abaqus里面的 接觸對過盈配合方式進(jìn)行模擬 4。 3. 2 爆壓工況 在做功行程中,連桿受到由活塞、 活塞銷處 傳來的燃?xì)鈮毫?分析過程中取最大爆發(fā)壓力,對連桿而言, 爆壓力應(yīng)作用于活塞銷上,如圖4所示,將作用力表面的節(jié) 點(diǎn)用rbe2連接,集中力施加于rbe2主點(diǎn)上,施加力的大小由 式(4)求得。此處最大爆壓力為16MPa。 圖4 爆壓力施加方式示意 Fig. 4 Schematic diagram of explosive pressure applied method 3. 3 慣性力工況 根據(jù)式(2)可知當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角為0時(shí)活塞 到達(dá)上止點(diǎn),此時(shí)連桿受到最大慣性力作用,加載中以體積 力的方式施加在連桿組件單元上,根據(jù)式(2)可知力的大小 由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。 4 結(jié)果與分析 根據(jù)設(shè)計(jì)給連桿組件各部分賦材料屬性,其中連桿的材 料為42 Cr MoA,其屈服極限為780 MPa。以最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min,最大爆壓力16Mpa對連桿進(jìn)行計(jì)算。得到各個(gè)工況 下的應(yīng)力及變形分布如圖510所示 從圖中可以看出裝配 圖5 裝配工況下的應(yīng)力分布 Fig. 5 Stress distribution under assembling condition 圖6 裝配工況下的變形分布 Fig. 6 Deformation distribution under assembling condition 圖7 爆壓工況下的應(yīng)力 Fig. 7 Stress under explosive pressure condition 圖8 爆壓工況下的變形 Fig. 8 Deformation under explosive pressure condition 954637卷14期 胡冬青 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的三維有限元分析研究 圖9 慣性力工況下的應(yīng)力 Fig. 9 Stress under inertia force condition 圖10 慣性力工況下的變形 Fig. 10 Deformation under inertia force condition 工況下的應(yīng)力最大,其最大值為530Mpa,該值小于連桿材料 的屈服極限,滿足強(qiáng)度要求。各工況下的應(yīng)力集中區(qū)域如圖 中圓圈所示,這些區(qū)域可能會(huì) 形成疲勞源從而對結(jié)構(gòu)造成 破壞,設(shè)計(jì)中對這些區(qū)域應(yīng)加以關(guān)注。從圖中可看出最大變 形發(fā)生在爆壓工況下,此時(shí)的最大位移量為0. 214 mm,此時(shí) 連桿的應(yīng)力最大為493MPa,小于材料屈服極限,因此此時(shí)的 變形為彈性變形,當(dāng)外力卸載后連桿變形能自動(dòng)恢復(fù),因此 變形不妨礙油膜的形成,各個(gè)工況連桿均滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì) 要求。 5 結(jié)論 有限元分析過程中采用小滑移彈性接觸模型進(jìn)行分析, 提高了模型的收斂性。有限元分析結(jié)果表明連桿在各個(gè)工 況下滿足靜強(qiáng)度要求。同時(shí)通過有限元進(jìn)行仿真分析,便于 發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的缺陷,可以有效的縮短開發(fā)周期,因此對 工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。 參考文獻(xiàn) 1呂彩燕,蘇鐵熊.柴油機(jī)連桿的有限元疲勞度分析J .華北工學(xué)院學(xué) 報(bào), 2002,23(1):15 - 191 2鄭啟福.內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)M .北京:國防工業(yè)出版社,1991. 3余成波,何懷波,石曉輝.內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)控制及應(yīng)用M .北京:國防工業(yè) 出版社,1997. 4莊茁,張帆,岑松. 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(上接第6435頁) 即淋澆定根水。有缺苗要及時(shí)補(bǔ)栽,補(bǔ)苗后,要進(jìn)行一次中 耕除草,使表土疏松,保持下部土壤濕潤,促進(jìn)幼苗根系深 扎。隨后,根據(jù)條件追施,以提高開花和結(jié)果量 19。 5. 2 病蟲害防治 諸葛菜的病蟲害少,偶有蚜蟲、 紅蜘蛛及 銹病危害。防治方法:合理密植;平時(shí)要加強(qiáng)肥水管理,增強(qiáng) 植株抗病能力,減少發(fā)病率;在發(fā)病初期噴11100的波爾 多液進(jìn)行防治。蚜蟲防治方法是在蟲害發(fā)生期噴40%樂果 乳油1 5002 000倍液。防治紅蜘蛛可用殺螨靈 19。 6 結(jié)語 (1)目前,諸葛菜的研究工作主要集中在其作為油料、 食 用、 營養(yǎng)等方面 20 ,而其植株內(nèi)具有生物活性的物質(zhì)成分至 今還沒有更為詳細(xì)的報(bào)道,僅已知其含有黃酮類化合物。因 此,探討諸葛菜中藥用有效成分,研究分析其中的黃酮類化 合物成分,能為進(jìn)一步綜合開發(fā)利用這一野生植物資源提供 科學(xué)依據(jù)。 (2)諸葛菜在城市綠化方面也具有很廣的應(yīng)用前景。其 適應(yīng)性強(qiáng),生命力頑強(qiáng),并且能快速繁殖,如果大面積種植, 可以有效地減少揚(yáng)塵的發(fā)生。 (3)由于諸葛菜的維生素、 礦物質(zhì)、 蛋白質(zhì)等含量豐富。 可在前人研究的基礎(chǔ)上更深入地開展諸葛菜的人工栽培工 作,從而為農(nóng)產(chǎn)品增加一個(gè)新的蔬菜品種。 參考文獻(xiàn) 1周太炎.諸葛菜屬,中國植物志M .北京:科學(xué)出版社,1987. 2江蘇植物所.諸葛菜屬,江蘇植物志M .南京:江蘇科學(xué)出版社,1982. 3趙培潔,肖建中.諸葛菜,中國野菜資源學(xué)M .北京:中國環(huán)境科學(xué)出 版社,2006. 4韋武青,田麗敏.觀賞蔬菜 諸葛菜J .蔬菜,2007(6):8. 5謝寅堂,王瑪麗,趙桂仿.諸葛菜屬,西安植物志M .西安:陜西科學(xué)技 術(shù)出版社,2007. 6任全進(jìn),于金平,張廣倫.諸葛菜資源的綜合利用J .中國野生植物資 源,1998,17(2):24 - 25. 7高明乾,盧龍門.植物古漢名圖考M .鄭州:大象出版社,2006. 8羅鵬,鐘蓉,吳沿友.諸葛菜種質(zhì)資源的評價(jià)和研究J .作物品種資 源,1995(1):16 - 18. 9曹熙德,李子先.油菜品質(zhì)改良的重要天然遺傳資源-諸葛菜利用前 景展望J.天然產(chǎn)物研究與開發(fā),1989,1(2) :71 - 74. 10吳建忠.諸葛菜的特性和在綠化中的應(yīng)用J .切磋交流,2000(2): 20 - 20. 11 WU Y Y,LI P P, ZHAO Y G . 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