（機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)論文）4v105柴油機(jī)連桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

高校教師碩一l 學(xué)位論文 摘要 柴油機(jī)連桿在工作中承受復(fù)雜的載荷 對(duì)連桿的機(jī)械性能要求較高 連桿應(yīng)該具有 足夠的抗疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 同時(shí)質(zhì)量應(yīng)該盡可能小以減少慣性力對(duì)連桿工作過程的 影響 采用常規(guī)設(shè)計(jì)難于使連桿達(dá)到既輕又可靠的要求 傳統(tǒng)用解析法對(duì)連桿所受的應(yīng) 力和應(yīng)變情況分析 解析誤差太大 本文介紹了4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿的工作概況 利用 c a e 設(shè)計(jì)分析程序a n s y s 對(duì)連桿進(jìn)行了有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì) 在對(duì)連桿模型進(jìn)行分 析后 對(duì)連桿模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋匾暮喕?利用a n s y s 有限元分析軟件的a p d l 參數(shù) 化建模功能對(duì)4 v 1 0 5 型柴油機(jī)連桿進(jìn)行參數(shù)化建模 并對(duì)連桿模型進(jìn)行了a n s y s 前處 理 根據(jù)連桿的受載狀況 對(duì)連桿進(jìn)行載何分析 通過引入相應(yīng)的慣性力 根據(jù)前期 削 a m s 對(duì)4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果 施加以工作過程產(chǎn)生的最大合載為外 力 將求解連桿的動(dòng)力問題化為相應(yīng)的靜力問題 根據(jù)分析的結(jié)果 對(duì)連桿有限元模型 進(jìn)行加載并求解 對(duì)結(jié)果進(jìn)行了簡要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析 用有限元的方法對(duì)連桿桿身尺 寸進(jìn)行了優(yōu)化 并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行較詳細(xì)的體積變化分析 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核以及疲勞分析 對(duì)連桿進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證等 以驗(yàn)證連桿尺寸優(yōu)化結(jié)果的合理性 最后得出了合 理的連桿優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果 為進(jìn)一步研究該型號(hào)柴油機(jī)連桿的其他動(dòng)態(tài)性能或進(jìn)一步優(yōu)化 連桿大小端相關(guān)尺寸提供了有價(jià)值的依據(jù) 避免大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程 降低設(shè)計(jì)成本 提 高設(shè)計(jì)效率 縮短開發(fā)周期 關(guān)鍵詞 連桿 有限元 a n s y s a p d l 優(yōu)化 高校教師碩士學(xué)位論文 p r o v i d e dt h ev a l u a b l eb a s i st ot h ee n d 如r t h e r s t l j d y i n gt h e0 t h e rd y n a m i c 如n c t i o no v i n ga 鑼p et h ed i e s e lc o 加e c t i n gr o do ro p t i m i z i n gc o n n e c t i n gr o ds 娩e 如n h e r a v o i dl a r g ea m o u n t o f e p e r i m e mv e r i 匆i n gp r o c e s s r e d u c ed e s i g nc o s t i m p r o v ed e s i g n i n ga ne 虢c t s h o n e n ac o n s t m c t i o nc y c l e k e yw o r d s c o 衄e c t i n gr o d f i m t ee l e m e n t a n s y s i v 湖南大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的 研究成果 除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外 本論文不包含任何其他個(gè)人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品 對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均 已在文中以明確方式標(biāo)明 本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān) 作者簽名 穆枷 日期 酈年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同意學(xué)校保 留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 允許論文被查閱和借 閱 本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行 檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文 本學(xué)位論文屬于一 l 保密口 在年解密后適用本授權(quán)書 2 不保密團(tuán) 請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打 作者簽名 籜枋日期 溉婦f 日 導(dǎo)師繇茲彬吼泖睜 月1 日 高校教師碩士學(xué)位論文 1 1 連桿的工作概況 第1 章概述 連桿是內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)零件 它將活塞承受的力傳給曲軸 并將活塞的往 復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 連桿小端與活塞一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng) 大端與曲軸一起作旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)i 因此在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)連桿作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng) 連桿 x 4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) 方法 2 j 最初用于固體力學(xué)問題的數(shù)值計(jì)算 上世紀(jì)7 0 年代在英國科學(xué)家z i e n 虹e 塒c z o c 等人的努力下 將它推廣到各類場問題的數(shù)值求解 如溫度場 電磁場 也包括流 場 有限元的基本原理和特點(diǎn) 有限元方法是近似求解一般連續(xù)域問題的數(shù)值方法 它 最先應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析 很快就廣泛應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo) 電磁場 流體力學(xué)等連續(xù) 問題 對(duì)于一個(gè)連續(xù)體的求解問題 有限單元法的實(shí)質(zhì)就是將具有無限多個(gè)自由度的連 續(xù)體 理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體 單元之間僅在節(jié)點(diǎn)處相連接 最后根 據(jù)所求得的各單元的節(jié)點(diǎn)位移 利用單元分析得到的關(guān)系 就可求出各單元的應(yīng)力和應(yīng) 變 3 從而使問題簡化為適合于數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)型問題 工程設(shè)計(jì)人員使用這些系統(tǒng) 就可以高效而正確合理地確定最佳設(shè)計(jì)方案 有限元法離散方程的獲得方法主要有直接剛度法 虛功原理推導(dǎo) 泛函變分原理推 導(dǎo)或加權(quán)余量法推導(dǎo) 一般采用加權(quán)余量法推導(dǎo) 4 1 有限元法的優(yōu)點(diǎn)是解題能力強(qiáng) 可以比較精確地模擬各種復(fù)雜的曲線或曲面邊界 網(wǎng)格的劃分比較隨意 可以統(tǒng)一處理多種邊界條件 離散方程的形式規(guī)范 便于編制通 用的計(jì)算機(jī)程序 在固體力學(xué)方程的數(shù)值計(jì)算方面取得巨大的成功 但是在應(yīng)用于流體 流動(dòng)和傳熱方程求解的過程中卻遇到一些困難 其原因在于 按加權(quán)余量法推導(dǎo)出的有 限元離散方程也只是對(duì)原微分方程的數(shù)學(xué)近似 當(dāng)處理流動(dòng)和傳熱問題的守恒性 強(qiáng)對(duì) 流 不可壓縮條件等方面的要求時(shí) 有限元離散方程中的各項(xiàng)還無法給出合理的物理解 釋 對(duì)計(jì)算中出現(xiàn)的一些誤差也難以進(jìn)行改進(jìn) 對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題 有限元求解法的基本步驟是相同的 只是具 體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同 有限元求解問題的基本步驟通常為 第一步 問題及求解域定義 根據(jù)實(shí)際問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域 第二步 求解域離散化 將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有 限個(gè)單元組成的離散域 習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)格劃分 顯然單元越小 網(wǎng)格越細(xì) 則離 散域的近似程度越好 計(jì)算結(jié)果也越精確 但計(jì)算量及誤差都將增大 因此求解域的離 散化是有限元法的核心技術(shù)之一 第三步 確定狀態(tài)變量及控制方法 一個(gè)具體的物理問題通?？梢杂靡唤M包含問題 狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示 為適合有限元求解 通常將微分方程化為等價(jià)的 泛函數(shù)形式 第四步 單元推導(dǎo) 對(duì)單元構(gòu)造一個(gè)適合的近似解 即推導(dǎo)有限單元的列式 其中 包括選擇合理的單元坐標(biāo)系 建立單元形函數(shù) 以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散 關(guān)系 從而形成單元矩陣 結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱剛度矩陣 2 4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) 的正確性和成功率難以保證 總之 傳統(tǒng)的許多分析方法越來越難以滿足高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效 益和高性能提出的精益設(shè)計(jì)的要求 而a 姬技術(shù)正是設(shè)計(jì)分析技術(shù)的革命 為產(chǎn)品的 可靠性和高效性提供技術(shù)保證 同時(shí)避免大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程 降低設(shè)計(jì)成本 提高設(shè)計(jì) 效率 縮短開發(fā)周期 a n s y s 軟件是一個(gè)以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用c a e 軟件 它具有強(qiáng)大而廣泛 的分析功能 一體化的處理技術(shù)嘲 在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域使用有限元方法 可以很直接地分析 內(nèi)燃機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)問題 有限元技術(shù)的應(yīng)用提高了內(nèi)燃機(jī)零部件設(shè)計(jì)的可靠性 縮短 了設(shè)計(jì)周期 大大推動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的發(fā)展 將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中 通過分析優(yōu)化來提高原有產(chǎn)品的性能與質(zhì)量 是傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)的一個(gè)重要方向 長期以來 我國內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品多采用類比設(shè)計(jì)的思 想進(jìn)行開發(fā) 且結(jié)構(gòu)與尺寸一旦確定 往往很長時(shí)間不作改動(dòng) 隨著內(nèi)燃機(jī)向高速輕質(zhì) 低噪聲及低排放方向的不斷發(fā)展 原有產(chǎn)品越來越不能適應(yīng)日益嚴(yán)格的法規(guī)要求 對(duì)比 國外同型號(hào)先進(jìn)機(jī)型 國產(chǎn)連桿質(zhì)量偏大 致使在相同轉(zhuǎn)速下曲軸和機(jī)體承受的慣性載 荷過大 直接影響了整機(jī)振動(dòng)噪聲性能的進(jìn) 步改善 本文即是在此背景下提出的 目的是通過采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及有限元技術(shù) 對(duì)連桿 的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 尋求降低連桿質(zhì)量的具體方向 為進(jìn)一步改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考 對(duì)連桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 關(guān)鍵是要選取適合的有限元方法和效率高的優(yōu)化方法以及選取適 當(dāng)數(shù)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量 7 1 在連桿的有限元計(jì)算中 準(zhǔn)確地施加載何是非常重要 作用于連桿上的載何 如連 桿大小端上軸承的載何 連桿慣性力等其大小和方向都是隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化而變化的 怎樣將這些載何準(zhǔn)確的施加到連桿的有限元模型上 是值得我們研究的 根據(jù)計(jì)算所得 的連桿的應(yīng)力應(yīng)變的分析結(jié)果 如何選取優(yōu)化設(shè)計(jì)變量和高效的優(yōu)化方法 也是分析的 一個(gè)要點(diǎn) 1 4 連桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及國內(nèi)外現(xiàn)狀 目前 有限元法已成為工程技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的一個(gè)強(qiáng)有力的計(jì)算分析工具 是 研究發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的應(yīng)辦 應(yīng)變的應(yīng)用中最常用的方法 該方法較用傳統(tǒng)的材料力學(xué)公式 計(jì)算的結(jié)果更為精確 鑒于此 本文應(yīng)用有限元技術(shù)對(duì)4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿進(jìn)行靜力分 析及優(yōu)化 近年來 國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)內(nèi)燃機(jī)連桿的有限元分析進(jìn)行了大量的研究 連桿的強(qiáng) 度計(jì)算 在有限元法應(yīng)用于連桿分析以前是對(duì)連桿小端 桿身和大端分別按均勻平面曲 梁和直梁計(jì)算 由于沒有考慮截面的變化以及載荷和計(jì)算公式的簡化 計(jì)算精度較差 4 高校教師碩士學(xué)位論文 2 0 世紀(jì)8 0 年代末到9 0 年代初采用常單元插值 線性單元插值和邊界元嗍等方法對(duì)連桿 進(jìn)行平面應(yīng)力應(yīng)變分析 9 采用 連桿多質(zhì)量代替系統(tǒng) 的準(zhǔn)靜態(tài)平面變厚度有限元法 由最大應(yīng)力和最小安全系數(shù)來判別強(qiáng)化后連桿的安全性 并提出改進(jìn)連桿結(jié)構(gòu)的途徑 對(duì)連桿的三維實(shí)體應(yīng)力應(yīng)變分析開始于9 0 年代初 連桿的計(jì)算分析在早期多采用經(jīng)驗(yàn) 公式 有限元理論和方法提出后 迅速在連桿分析上得到廣泛應(yīng)用 比如對(duì)內(nèi)燃機(jī)連桿 三維有限元分析 連桿的有限元分析模型經(jīng)歷了一個(gè)由簡單到復(fù)雜 由淺入深的演變發(fā) 展過程 從最早的曲梁模型 到2 0 世紀(jì)七八十年代的平面連續(xù)模型 以及9 0 年代至今 的三維實(shí)體模型 目前 內(nèi)燃機(jī)工程中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)已廣泛使用二維結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 并正在向 三維的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方向發(fā)展 但由于零部件的三維形狀一般較為復(fù)雜 要較好地描述 其形狀就不得不增加優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的數(shù)目 這就使得計(jì)算量急劇上升 而且優(yōu)化設(shè)計(jì)變 量一增多 有限元網(wǎng)格就變得更加龐大 而優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中有限元網(wǎng)格的邊界節(jié)點(diǎn)是在 不斷變化的 從而很難保證網(wǎng)格能在較大范圍內(nèi)變動(dòng)而不發(fā)生過分歪斜 所以 通常只 是做局部結(jié)構(gòu)的三維優(yōu)化設(shè)計(jì) 對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿來說 由于上述原因 一般只取大小端 或桿身作為研究對(duì)象 認(rèn)為大小端與桿身斷裂截面上的應(yīng)力在優(yōu)化過程中保持不變 從 而將其作為力邊界條件施加于優(yōu)化設(shè)計(jì)模型中 1 0 1 而實(shí)際上該截面的應(yīng)力在優(yōu)化設(shè)計(jì)過 程中是不斷變化的 因而這種割裂連桿整體性的做法有其不合理性 對(duì)連桿的分析通常忽略次要載荷而取5 種主要機(jī)械載荷 即襯套裝配預(yù)緊力 軸瓦 裝配預(yù)緊力 連桿螺栓預(yù)緊力 作用在連桿小端的最大拉伸載荷 活塞組件及連桿本身 的慣性力 和最大壓縮載荷 氣體爆發(fā)壓力和慣性力的共同作用 連桿在工作過程中最危 險(xiǎn)的工況為燃?xì)鈮毫Ρl(fā)時(shí)的最大壓縮工況和活塞組件及連桿本身的慣性力所引起的 最大拉伸工況 此時(shí)連桿處于o o 或3 6 0 0 位置 對(duì)軸瓦 襯套裝配預(yù)緊力 早期的分析 計(jì)算采用組合厚壁圓筒理論 或者忽略軸瓦 襯套裝配預(yù)緊力 顯然這種簡化不符合連 桿大小端的實(shí)際情況 剛度計(jì)算有較大誤差 因此計(jì)算結(jié)果是很近似的 目前常用的處 理辦法是利用均布溫升產(chǎn)生的初應(yīng)變來模擬過盈 計(jì)算精度較以前大為提高 早期的分 析計(jì)算將螺栓預(yù)緊力視為常數(shù) 且忽略螺栓在連桿變形時(shí)的承載作用 這樣得出的結(jié)果 是粗糙的 尤其是齒形剖分面部位的應(yīng)力精度 要提高連桿的計(jì)算精度 就必須考慮螺 栓裝配力的變化 目前常用的處理辦法是把螺栓也作為承載體系的一部分 采用溫升來 模擬預(yù)變形 由溫差使桿單元收縮而獲得準(zhǔn)確的螺栓預(yù)緊力 連桿有限元計(jì)算中載荷的 施加是非常重要的 嚴(yán)格地說 前述5 種載荷只有使用接觸單元和接觸算法才有可能真 正模擬其本質(zhì) 使計(jì)算狀態(tài)趨于實(shí)際情況 有限元分析中 接觸問題一直是個(gè)難點(diǎn) 連桿不是獨(dú)立存在的 它與活塞銷 曲 4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) 軸等零件組裝成一個(gè)系統(tǒng) 這些零件間的接觸面有接觸力的作用 采用接觸分析 將能 最大限度地模擬連桿與活塞銷 曲軸間的關(guān)系 在分析連桿時(shí) 為考慮其它零件剛度的影響和力的傳遞 在計(jì)算模型中包括其它的 相關(guān)零件 其中非分析零件一般可作較大的簡化 隨著近年來計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的提高和 接觸理論的廣泛研究和應(yīng)用 對(duì)連桿分析中的接觸問題的研究也越來越多 2 0 世紀(jì)8 0 年代到9 0 年代初吳昌華等在理論上提出了關(guān)于內(nèi)燃機(jī)連桿彈性接觸有限元分析的幾個(gè) 問題 9 0 年代末期到本世紀(jì)初對(duì)連桿的分析大都采用三維實(shí)體接觸模型 分別對(duì)不同的 約束邊界條件 采用增壓技術(shù)前后連桿剛度和強(qiáng)度儲(chǔ)備對(duì)比等情況進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分 析 雖然對(duì)接觸問題的處理至今仍是一個(gè)難點(diǎn) 接觸邊界狀態(tài)隨變形過程的發(fā)展不斷變 化 且事先難以確定 接觸面間存在的接觸摩擦是典型的非線性問題 但顯然隨著有限 元程序處理接觸問題的能力越來越強(qiáng) 接觸機(jī)理的研究越來越深入 接觸和接觸摩擦的 有限元處理技術(shù)已經(jīng)成為工程研究熱點(diǎn)之一 也必將為連桿的精確應(yīng)力應(yīng)變分析提供技 術(shù)途徑 鑒于實(shí)際情況 本文考慮連桿分析模型包括連桿 襯套 軸瓦等 連桿受力是 通過加在連桿小端孔內(nèi)襯套內(nèi)表面 加在連桿大端孔內(nèi)軸瓦內(nèi)表面的載荷來計(jì)算分析 連桿上接活塞 下連曲軸 將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 使缸內(nèi) 燃油燃燒所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榍S輸出的機(jī)械功 連桿組的運(yùn)動(dòng)情況比較復(fù)雜 小端部 分隨活塞組作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng) 大端部分隨曲軸的曲柄銷作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 桿身部分作由往復(fù) 運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)所組成的復(fù)合運(yùn)動(dòng) 因此連桿的受力情況十分復(fù)雜 在其桿身的每一個(gè)截面 上都會(huì)有彎矩 剪力和法向力 但彎矩和剪力都不大 桿身的主要載荷是交變的拉壓載 荷 l l 由于連桿是一個(gè)作高速復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu) 其靜力分析模型又作了很多簡化 還不能完全真實(shí)地反映連桿在工作時(shí)的受力情況 因此 有必要對(duì)連桿結(jié)構(gòu)的靜力分析 模型作進(jìn)一步的改進(jìn) 在改進(jìn)連桿結(jié)構(gòu)的分析模型時(shí) 采用動(dòng)力分析的有限元法進(jìn)行連 桿的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析是最理想的 但是 這種計(jì)算由于連桿牽連運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性而較為復(fù)雜 因此 需要尋求一種實(shí)用的靜力分析的改進(jìn)模型 連桿結(jié)構(gòu)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)分析模型是在其靜態(tài) 分析模型的基礎(chǔ)上 通過考慮其體積力而對(duì)載荷作重新計(jì)算和處理所得到的 根據(jù)達(dá)朗 伯原理 1 2 l 只要在作用于連桿的力系中 引入相應(yīng)的慣性力 即體積力 就可以將求解 連桿的動(dòng)力問題化為相應(yīng)的靜力問題 本文對(duì)4 v 1 0 5 型柴油機(jī)連桿就是采用的準(zhǔn)動(dòng)態(tài) 分析模型 連桿是汽車的重要零件 一個(gè)輕而可靠的連桿在工作中將產(chǎn)生較小的慣性力 它有 助于減輕汽車軸承負(fù)荷及振動(dòng) 然而 采用常規(guī)設(shè)計(jì)難于使連桿達(dá)到既輕又可靠的要求 傳統(tǒng)用解析法對(duì)連桿所受的應(yīng)力和應(yīng)變情況分析 解析誤差太大 基于a n s y s 的結(jié)構(gòu) 優(yōu)化設(shè)計(jì)在解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題時(shí)是有效的 實(shí)用的 是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法的一個(gè)重 6 4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) 數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 2 優(yōu)化方案 連桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案流程大致如下 研究4 v 1 0 5 型柴油機(jī)連桿相關(guān) 技術(shù)參數(shù) 模型特點(diǎn) 1r 基于有限元分析軟件a n s y s 平臺(tái) 進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析 j r 1r 基于有限元分析軟件a n s y s 平臺(tái) 進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并評(píng)價(jià) 8 高校教師碩士學(xué)位論文 第2 章連桿的有限元模型 本文采用a n s y s 軟件建立連桿的三維實(shí)體模型 分析模型包括連桿 襯套 軸瓦 等 另處 對(duì)連桿的桿身和連桿蓋做一些簡化處理 這樣對(duì)a n s y s 有限元分析有利 而且和真實(shí)受力情況相差不大 2 1 有限元的基本理論 有限元分析過程中 為了適應(yīng)三維結(jié)構(gòu)的各種復(fù)雜的曲面邊界 往往將結(jié)構(gòu)劃分成 大量的單元 用小的直邊去近似結(jié)構(gòu)的曲面邊界 同時(shí)在單元內(nèi)部多取一些節(jié)點(diǎn) 單元 有較多的位移自由度 就能插值表示出復(fù)雜的單元內(nèi)部位移場 這樣 單元本身的精度 就提高了 可以用較少的單元來解決結(jié)構(gòu)分析問題 實(shí)踐表明 對(duì)于復(fù)雜的三維問題 使用較高精度的復(fù)雜單元是更有利的 總計(jì)算量可以減少 劃分單元也比較方便 作為 三維離散化的模型單元有四面體單元 三棱柱單元 四棱柱單元 任意六面體單元等 用有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析是將連續(xù)體分離成單元 然后對(duì)單元進(jìn)行分析 得到以節(jié)點(diǎn)位移 為未知數(shù)的大型線性方程組 用消元法或迭代法求出位移的近似值 以求出各節(jié)點(diǎn)的應(yīng) 力值 這種先分后合 以有限的單元代替連續(xù)的彈性體的方法 便是有限元法的基本思 想 一 1 連續(xù)介質(zhì)力學(xué) 連續(xù)介質(zhì)認(rèn)為結(jié)構(gòu)是連續(xù)的 組成結(jié)構(gòu)的材料沒有間隙和空洞 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)就是 研究在外力作用下連續(xù)實(shí)體的特性 假設(shè)連續(xù)體具有確定的材料特性 2 運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中 通過確定每個(gè)材料點(diǎn)在外力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 即可決定結(jié)構(gòu)的 變形狀態(tài) 材料點(diǎn)位置a 用定位矢量r 表示 變形后位置a 用定位矢量r 表示 作用在p 點(diǎn)上的力 f 的強(qiáng)度可用應(yīng)力矢量 來表示 矗 p f y l y 5 應(yīng)力分量 由正應(yīng)力和剪應(yīng)力構(gòu)成 應(yīng)力分量實(shí)際上是二階張量的分量 共九個(gè)元素 大多數(shù) 條件下張量是對(duì)稱的 故實(shí)際上只有六個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量 p b 仃y 盯 f l o o a一耖o a一缸a一鈀o a一缸o(hù) o a一砂o a 一如 鬲校教帥壩士竿伍論又 6 本構(gòu)關(guān)系 應(yīng)力分量和應(yīng)變分量通過材料定律相聯(lián)系 在材料具有工程意義的較大范圍內(nèi)應(yīng)力 分量和應(yīng)變分量具有線性關(guān)系 p e p 一瓴 杌 2 3 其中 為熱應(yīng)變 p 為初始應(yīng)力 e 彈性系數(shù)矩陣 材料特性與方向無關(guān)的各 向同性材料具有兩個(gè)獨(dú)立的材料常數(shù) 通常稱為工程常數(shù) 彈性模量或楊氏模量e 和泊 松比曠 根據(jù)實(shí)驗(yàn) 各向同性材料的正應(yīng)變與正應(yīng)力間有如下關(guān)系 q 壺p j u p 仃 l 2 4 占 2 圭p y 一 z 吒 1 2 5 乞 丟p 一u b 工 礦y 為 2 6 剪應(yīng)變?yōu)?11 2 百 2 石f 弦 曩2 石f 曩 u 其中剪切模量g 利 2 1 d 7 平衡條件 應(yīng)力分量必須平衡 應(yīng)用牛頓力學(xué)我們可以寫出平衡條件為 陋r p 一留 其中 x 為外部力 平衡條件展開后為 2 7 2 8 2 9 2 1 0 墮 絲 絲一x o 舐 砂 出 墜 墮 墮一x 產(chǎn) 蘇 砂 出 7 絲 墜 墮一x o 彘砂 毖 8 虛功原理 是平衡的另一種描述方法 虛功可表示為內(nèi)力虛功和外力虛功之和 由于內(nèi)力虛功 與內(nèi)部虛應(yīng)變能u 相反 作用在物體上的力通過虛位移作的虛功可表示為 4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) 6 再 一鼬七翮蕊 將反映位移運(yùn)動(dòng)約束的應(yīng)變 位移關(guān)系代入可得平衡方程 組拉格朗日算子 它就是滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)條件所要求的約束力 9 單元?jiǎng)偠确匠?利用虛功原理可建立單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式 f 瞰 6 2 1 1 此平衡方程可認(rèn)為是一 2 1 2 此式即為單元?jiǎng)偠确匠?閽 稱單元?jiǎng)偠染仃?1 0 結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)平衡方程 利用虛功原理可得出全部節(jié)點(diǎn)的外載荷與節(jié)點(diǎn)位移間的關(guān)系式 k 5 r 2 1 3 它是求解有限元問題的基本方程 其核心問題是形成總剛度矩陣 2 2 接觸問題簡介 1 接觸問題二般分為兩類 剛體對(duì)柔體和柔體對(duì)柔體 1 剛體對(duì)柔體 一個(gè)或多個(gè)接觸表面作為剛體 一個(gè)表面的剛度比另一個(gè)表面的 剛度要高很多 許多金屬成形問題歸入此類 2 柔體對(duì)柔體 兩個(gè)或所有的接觸體都可變形 所有表面剛度相差不多 螺栓法 蘭連接是一個(gè)柔體對(duì)柔體接觸的例子 2 a n s y s 有三種類型的接觸單元 1 節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn) 這是指接觸的最終位置事先是知道的 2 節(jié)點(diǎn)對(duì)面 接觸區(qū)域未知 并且允許大滑動(dòng) 3 面對(duì)面 接觸區(qū)域未知 并且允許大滑動(dòng) 3 面對(duì)面接觸單元 a n s y s 支持剛體對(duì)柔體和柔體對(duì)柔體的面對(duì)面接觸單元 這些接觸單元使用 目 標(biāo)面 和 接觸面 的概念來形成接觸對(duì) 面對(duì)面接觸單元使用增強(qiáng)的拉格朗日法施加 接觸協(xié)調(diào)條件 默認(rèn) 作為一個(gè)可選項(xiàng) 還可以用罰函數(shù)法 1 2 高校教師碩士學(xué)位論文 觸面 目標(biāo)面 圖2 1 面對(duì)面接觸示意圖 面對(duì)面接觸單元象皮膚一樣覆蓋在下面的有限元模型上 這些單元非常適合面對(duì)面 接觸應(yīng)用 如過盈裝配接觸 進(jìn)料接觸 鍛造等 面對(duì)面接觸單元由分別定義目標(biāo)和接觸表面的獨(dú)立的單元類型組成 接觸對(duì)通過共 用一個(gè)實(shí)常數(shù)指定 目標(biāo)1 6 9 和1 7 0 單元 剛性或可變形的目標(biāo)表面 接觸1 7 1 到1 7 4 單元 二維和三維接觸單元 c o i n r a l 7 4 單元是一種三維八節(jié)點(diǎn)高階四邊形面一面接觸單元 每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)平 動(dòng)自由度 用于表示三維 目標(biāo)一面 t a r g e l 7 0 和本單元所定義的變形面之間的接觸 和滑移狀態(tài) 它下面覆蓋的單元是有中間節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元 板單元或者殼單元 如果其 依附的單元沒有中間節(jié)點(diǎn) c o n t a l 7 0 單元的中間節(jié)點(diǎn)就被取消 本單元也可以應(yīng)用在 庫侖摩擦模型和剪應(yīng)力摩擦模型 髓r g e l 7 0 是三維三節(jié)點(diǎn)目標(biāo)單元 與相關(guān)接觸單元聯(lián)用 來模擬面一面接觸 t a r g e l 7 0 單元可以覆蓋在剛體或變形體表面 并通過共享實(shí)常數(shù)號(hào)與相關(guān)接觸表面配 對(duì) 在目標(biāo)單元上可以施加平動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)位移以及力 力矩 溫度等其它載何 4 面對(duì)面接觸處理 對(duì)于面對(duì)面接觸單元 一個(gè)面指定為 目標(biāo) 面 另一個(gè)面為 接觸刀面 對(duì) 于剛體對(duì)柔體接觸 剛體表面總是指定為目標(biāo)面 對(duì)于柔體對(duì)柔體接觸 接觸面與目標(biāo) 面都與變形體相關(guān)聯(lián) 接觸單元被約束 不能侵入目標(biāo)面 然而 目標(biāo)單元能夠侵入接 觸面 2 3 建模方案的確定 連桿的功用是將活塞承受的力傳給曲軸 并將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng) 連桿小端與活塞銷連接 同活塞一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng) 連桿大端與曲柄銷連接 同曲軸 一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 因此在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)連桿作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng) 連桿工作時(shí) 主要承受 1 3 4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) 由活塞傳來的氣體壓力 活塞組件和連桿本身運(yùn)動(dòng)的慣性力 連桿螺栓的預(yù)緊力 小端 襯套與大端軸瓦的過盈力 這些力都是處于連桿的擺動(dòng)平面內(nèi) 而且這些力沿連桿厚度 方向上可以認(rèn)為是均布的 在垂直連桿擺動(dòng)平面的方向上又無其它外力作用 所以 連 桿本身建模時(shí)可以簡化為平面應(yīng)力問題 過去設(shè)計(jì)人員常用二維有限元進(jìn)行分析 采用 平面應(yīng)力分析 建模簡單 加載方便 工作量小 對(duì)計(jì)算機(jī)的要求不是很高在一些要求 不高的情況下 可以對(duì)連桿進(jìn)行平面應(yīng)力分析 但結(jié)果偏離實(shí)際太多 由于連桿工作時(shí) 的危險(xiǎn)點(diǎn)常在連桿大 小端與桿身的過渡處 如果按二維平面問題進(jìn)行建模 將其簡化 為平面應(yīng)力問題來計(jì)算 那么 工 字形梁的結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生改變 其承受載何的能力必然 也會(huì)受到影響 最終導(dǎo)致最后的分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有很大偏差 不利于后續(xù)研究優(yōu)化 設(shè)計(jì)的開展 1 7 如果采用三維立體建模 可以顯著改善二維平面有限元分析的不足 模 擬更加真實(shí) 提高了分析結(jié)果的可靠性 本文所研究的連桿取自4 v 1 0 5 柴油機(jī) 它的形狀不規(guī)則 所以本文對(duì)此連桿采用 三維立體建模 分析模型包括連桿體 連桿蓋和連桿螺栓 襯套與軸瓦 因?yàn)檫B桿大端 是剖分的 連桿蓋用螺栓緊固 為使結(jié)合面在任何轉(zhuǎn)速下都能緊密結(jié)合 連桿螺栓的擰 緊力矩必須足夠大 另外本連桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要針對(duì)桿身 連桿受力是通過加在連桿模 型各節(jié)點(diǎn)上的慣性力和加在連桿襯套 軸瓦內(nèi)表面的載荷的合載來計(jì)算分析的 由于連 桿的形狀不規(guī)則不對(duì)稱 故選取整個(gè)連桿來建立模型 由于只考慮連桿整體的受力 對(duì) 不影響結(jié)果和對(duì)結(jié)果影響較小的部分 如油孔 過渡圓角 定位槽等進(jìn)行簡化或忽略不 計(jì) 采用a n s y s 的前處理模塊進(jìn)行建模工作 由于連桿的結(jié)構(gòu)和載荷均對(duì)稱 因此分 析時(shí)只采用一半進(jìn)行分析 這并不影響實(shí)際應(yīng)力的分布 而且在建模前可對(duì)計(jì)算模型進(jìn) 行合理簡化 一些小的細(xì)節(jié)可不必在模型中體現(xiàn) 這并不影響分析所要求的精度 這樣 既節(jié)省了計(jì)算時(shí)間 又減少了存儲(chǔ)容量 在建模過程中 采用由底向上的建模方式 按 照尺寸建立面后 采用延伸的方式生成體 對(duì)不同區(qū)域設(shè)定合理的單元長度 選用四面體四節(jié)點(diǎn)單元 由程序自動(dòng)進(jìn)行有限元 網(wǎng)格劃分 在結(jié)構(gòu)的接觸面之間設(shè)置接觸單元以模擬接觸效應(yīng) 在內(nèi)燃機(jī)工作時(shí) 連桿作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng) 它受到的力是周期變化的 本軟件模擬 最惡劣的工況進(jìn)行計(jì)算 即把連桿的受力狀態(tài)固定在工況最惡劣的瞬時(shí) 化為在靜力作 用下的應(yīng)力分析問題來處理 在連桿的兩個(gè)側(cè)面并無外力作用 連桿的長度又遠(yuǎn)大于厚 度 因此 本軟件把連桿的應(yīng)力分析問題簡化為變厚度的應(yīng)力問題來處理 1 4 高校教師碩士學(xué)位論文 2 4 連桿模型的建立 在本文中 模型的建立是有限元分析的基礎(chǔ)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件 進(jìn)行有限元分析 首先要建立相應(yīng)的有限元模型 科學(xué)的有限元模型是計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確與否的基礎(chǔ) 正確的 實(shí)體模型是形成有限元模型的關(guān)鍵 所以 建立準(zhǔn)確可靠的連桿的實(shí)體模型 是一項(xiàng)最 為重要的工作 本文使用有限元軟件a n s y s 對(duì)4 v 10 5 柴油機(jī)連桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 必須在a n s y s 中參數(shù)化的建立實(shí)體模型 因?yàn)樵趦?yōu)化設(shè)計(jì)的迭代過程中需要不斷地變更設(shè)計(jì)變量 所 以建模中有關(guān)設(shè)計(jì)變量數(shù)值應(yīng)該以參數(shù)化的形式輸入 2 4 1 實(shí)體模型的建立 本文研究的連桿模型取自4 v 1 0 5 柴油機(jī) 屬斜切口連桿 幾個(gè)主要的尺寸為大小 孔中心距2 1 0 咖 大端孔直徑7 0 n l m 小端孔直徑3 6 m m 小端厚度2 9 衄 大端厚度 2 9 n 吼 桿身厚度2 2 眥 圖2 2 所示為4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿初始設(shè)計(jì)圖 首先確定決定桿身形狀的幾個(gè)關(guān)鍵尺寸 并定義設(shè)計(jì)變量為桿身尺寸t k l n 9 在滿足強(qiáng)度條件下 盡量減少重量以減少慣性力和材料 桿身是影響連桿重量的主要 因素 大小端可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化 所以本文只優(yōu)化桿身尺寸 t k l t k 9 是影響桿 身形狀和質(zhì)量的主要參數(shù) 其中t k l 和n q 主要是為了在a n s y s 中用參數(shù)建模時(shí)便 于控制桿身尺寸 根據(jù)a n s y s 加載分析后應(yīng)力顯示 桿身和小端連接部位應(yīng)力較大 桿身和小端連接部位的過渡圓弧n 為以及n 會(huì)影響應(yīng)力 故初步優(yōu)化這九個(gè)參數(shù) 連桿大 小端與桿身的過渡區(qū)是應(yīng)力最嚴(yán)重的地方 為減少應(yīng)力集中 在設(shè)計(jì)連桿時(shí) 小端孔不僅要有足夠的壁厚外 還要使小端與桿身的過渡圓角在合理的范圍內(nèi)盡量大 些 然后建立大小端的模型 根據(jù)4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿初始設(shè)計(jì)圖得出設(shè)計(jì)變量初始值如表2 1 高校教師碩士學(xué)位論文 利用a n s y s 的查詢功能查出初始設(shè)計(jì)連桿總體積為 t v o l 1 2 6 1 4 0 6 8 2 2 2 5 2 2 8 1 3 6 4 m i n 3 2 1 4 式中t v o l 為連桿總體積 2 4 2 定義單元類型 有限元的基本點(diǎn)在于將實(shí)體離散為有限自由度的一個(gè)個(gè)單元 每個(gè)單元在內(nèi)部遵從 一定的位移模式 而在各單元的連接處保持連續(xù) 對(duì)不同的問題 需要應(yīng)用不同特性的 有限元單元 以反映其特點(diǎn) 從而達(dá)到最佳的分析效果 因此 對(duì)有限元分析 選擇合 適的有限元單元極為重要 單元選擇不當(dāng) 則分析結(jié)果可能誤差較大 甚至完全不對(duì) 在a n s y s 單元庫中有1 0 0 多種不同類型的單元 不同的單元類型決定單元的自由 度 代表不同的分析領(lǐng)域 單元是屬于二維空間還是三維空間等特性 由于此連桿三維 模型不規(guī)則 所以選取單元為三維實(shí)體單元 三維單元又分為六面體單元和四面體單元 考慮到體的自由網(wǎng)格 x 4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) 它們不隨溫度變化或隨溫度變化 此處定義連桿和連桿蓋的材料均為各向同性的線彈性材料4 0 c r 彈性模量為2 1 l 1 0 5 a 泊松比為o 3 其屈服強(qiáng)度8 0 0 m p a 強(qiáng)度極限為1 0 0 0 a 密度為7 8 0 0 k g m 3 且彈性模量和泊松比都不隨溫度的變化而變化 1 引 2 4 5 網(wǎng)格的劃分 定義了實(shí)體模型以后 必須對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分 網(wǎng)格的劃分就是將幾何形 狀離散成稱之為單元或網(wǎng)格的小塊 1 9 j 才能產(chǎn)生有限元分析所需要的網(wǎng)格 同樣的實(shí) 體模型可以生成不同的有限元模型 好的有限元模型單元排列得比較整齊 單元形狀比 較接近 單元尺寸變化不突然 因此 即使是同一個(gè)實(shí)體模型 也應(yīng)該通過一定的控制 使其產(chǎn)生盡量符合有限元計(jì)算要求的高質(zhì)量的網(wǎng)格 進(jìn)行網(wǎng)格劃分控制的設(shè)置在整個(gè)有限元分析過程中是至關(guān)重要的 在該步驟中所進(jìn) 行的設(shè)置將會(huì)影響到有限元分析過程的精度以及經(jīng)濟(jì)性 a n s y s 為用戶提供了強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分控制工具1 2 0 a n s y s 本身對(duì)于網(wǎng)格劃分的默 認(rèn)控制就可能產(chǎn)生高質(zhì)量的分網(wǎng) 在這種情況下 用戶不需要特別地指定網(wǎng)格劃分控制 在a n s y s 中有兩種網(wǎng)格劃分方法 自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分 自由網(wǎng)格劃分 對(duì)于單元形狀沒有特殊的限制 也沒有指定的分布模式 而映射網(wǎng)格劃分則不同 不僅 對(duì)于單元形狀有所限制 單元排布模式也有特殊的講究 由于本文所分析的連桿形狀不規(guī)則 單元形狀也不規(guī)則 故對(duì)此連桿采用自由網(wǎng)格 劃分方式 在自由分網(wǎng)中 單元的默認(rèn)尺寸是由d e s i g n 命令設(shè)置的 但是 如果不是處于特 殊需要 而特意地使用d e s i g n 命令設(shè)置分網(wǎng)的默認(rèn)尺寸 則最好使用s i n a r t s i z e 功能 s m j 疵s 協(xié)是a n s y s 所提供的強(qiáng)大的自動(dòng)分網(wǎng)工具 有自己內(nèi)部計(jì)算機(jī)制 使用 s m a r t s i z c 在很多情況下更有利于在網(wǎng)格自動(dòng)生成的過程中生成形狀合理的單元 s i n a n s i z e 的控制可分為基本 高級(jí)兩種方法 所謂基本控制也就是簡單地指定s n 婭t s i z e 的分網(wǎng)水平即可 s i i 斌s i z e 的分網(wǎng)水平值處于1 劃分最細(xì) 一1 0 劃分最粗 之間 a n s y s 將自動(dòng)地設(shè)置一套獨(dú)立的控制值 以產(chǎn)生所需要的尺寸水平 考慮到本文所分析的連桿沒有什么特殊要求 故使用自由網(wǎng)格劃分中的s r 嘣s 協(xié) 工具 選取分網(wǎng)水平值為6 首先 定義將要?jiǎng)澐值木W(wǎng)格單元為s o l i d 9 2 對(duì)整個(gè)連桿 模型劃分網(wǎng)格 共得到3 6 3 3 8 個(gè)體單元和5 5 9 4 2 個(gè)單元節(jié)點(diǎn) 圖2 5 顯示了連桿在 s m a n s i z e 尺寸水平為6 下的網(wǎng)格劃分結(jié)果 1 8 高校教師碩士學(xué)位論文 圖2 54 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿f e a 模型 2 4 6 創(chuàng)建接觸對(duì) 利用a n s y s 接觸向?qū)?chuàng)建連桿小端和襯套 連桿大端和軸瓦 螺栓聯(lián)接等接觸對(duì) 模擬裝配關(guān)系 1 9 4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) 第3 章連桿載荷的計(jì)算 在連桿的有限元計(jì)算中 處理作用于連桿上的載荷是一件極為重要的工作 由于作 用于連桿上的載荷系統(tǒng)一般都比較復(fù)雜 特別是某些載荷沿邊界的分布規(guī)律難以用理論 或測量的方法來確定 而往往是采用一些假定的分布規(guī)律來模擬 因此 如何正確的模 擬這些載荷的分布規(guī)律 是有限元法計(jì)算中不容忽視的問題 由于連桿與襯套 軸瓦 螺栓為一裝配體模型 所以考慮連桿襯套 軸瓦過盈裝配 及擰緊螺栓產(chǎn)生的預(yù)緊力 所以本文僅考慮連桿受到以下4 種力的作用 1 作用于活塞的氣體作用力 2 活塞組件的慣性力 活塞組件中所有零件 包括活塞 活塞環(huán) 活塞銷 活塞 銷卡環(huán) 均作變速往復(fù)直線運(yùn)動(dòng) 3 連桿自身的慣性力 4 預(yù)緊力 4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿工作時(shí) 承受的應(yīng)力是周期性變化的 一般情況下 應(yīng)選擇連 桿承受最大拉力和最大壓力兩情況進(jìn)行分析 以便得到兩情況下的應(yīng)力和變形分布情 況 同時(shí)利用此計(jì)算結(jié)果來近似地進(jìn)行連桿疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 為其改進(jìn)和設(shè)計(jì)提供可靠 的依據(jù) 連桿在工作過程最大載荷出現(xiàn)在進(jìn)氣沖程開始的上止點(diǎn)附近 最大拉應(yīng)力 和膨 脹沖程開始上止點(diǎn)附近 最大壓應(yīng)力 因此本文取連桿的這兩個(gè)位置進(jìn)行應(yīng)力分析 3 1 氣體作用力的計(jì)算 在做功行程時(shí) 連桿受到由活塞 活塞銷傳過來的最大爆發(fā)壓力 對(duì)連桿來說 施 力物體是活塞銷加載時(shí)把最大爆發(fā)壓力作用在活塞銷上方 連桿處于最大壓縮狀況時(shí) 曲軸轉(zhuǎn)角a 為9 0 0 這時(shí)候作用于連桿的力有 最大燃?xì)獗l(fā)壓力 曲軸箱內(nèi)氣體壓力 活塞組的往復(fù)慣性力 連桿的慣性力 小端在壓縮工況下工作條件最惡劣 因而也就是 最危險(xiǎn)的 表述做功沖程的氣體壓力函數(shù)時(shí)考慮到每一個(gè)做功沖程運(yùn)行時(shí)間很短 只有約0 0 1 秒 故將工作沖程看作是氣體多變過程 氣體變化的壓力用以下公式 3 1 表示 2 1 f1 i j f 噸 么 t 么脅嘛吣棚 川3 1 式中 f n 單位為n p b 為工作沖程的爆發(fā)壓強(qiáng) 9 a 約9 0 個(gè)大氣壓 v c 為 高校教師碩士學(xué)位論文 氣缸燃燒室容積 4 5 1 0 5 m 3 石 d 么為氣缸截面積 r 為曲軸曲柄回轉(zhuǎn)半徑為o 0 6 m t 為時(shí)間變量 n 1 為做功沖程時(shí)的絕熱指數(shù)為1 1 8 工作沖程末端壓強(qiáng)為2 1 6 6 8 4 p a 3 2 活塞組件的慣性力 活塞組件中的所有零件包括活塞 活塞環(huán) 活塞銷和活塞銷卡環(huán) 均以活塞加速度 j 作變速往復(fù)直線運(yùn)動(dòng) 計(jì)整個(gè)活塞組件的總質(zhì)量為 i p 活塞組件的慣性力公式閻 3 2 p j 腳 j 3 2 式中 慣性力p j 單位為n 總質(zhì)量n l p 單位為k g 加速度j 單位為州s 2 3 3 連桿的慣性力 連桿是一個(gè)作高速復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件 它的靜力分析模型還不能完全真實(shí)地反映 連桿在工作時(shí)的受力情況 因此 有必要對(duì)連桿結(jié)構(gòu)的靜力分析模型作進(jìn)一步的改進(jìn) 在改進(jìn)連桿結(jié)構(gòu)的分析模型時(shí) 采用動(dòng)力分析的有限元法進(jìn)行連桿的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析是最 理想的 但是 這種計(jì)算由于連桿牽連運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性而較為復(fù)雜 因此 需要尋求一種 實(shí)用的靜力分析的改進(jìn)模型 連桿準(zhǔn)動(dòng)態(tài)分析模型是在其靜態(tài)分析模型的基礎(chǔ)上 是通 過考慮其體積力而對(duì)載何作重新計(jì)算和處理所得到的 根據(jù)達(dá)朗貝爾原理 只要在作用 于連桿的力系中 引入相應(yīng)的慣性力 即體積力 就可以將求解連桿的動(dòng)力問題化為相 應(yīng)的靜力問題 為了進(jìn)一步簡化這種計(jì)算 在計(jì)算中不考慮連桿振動(dòng)的影響 3 4 預(yù)緊力 包括連桿襯套和小端過盈裝配的預(yù)緊力 軸瓦和大端裝配的預(yù)緊力及擰緊螺栓產(chǎn)生 的預(yù)緊力 螺栓預(yù)緊力用于保證連桿大端緊固的可靠性 它對(duì)連桿大端處的應(yīng)力分布有著比較 明顯的影響 它不隨時(shí)間變化 在節(jié)點(diǎn)連接的構(gòu)造中 螺栓預(yù)緊力對(duì)節(jié)點(diǎn)受力及穩(wěn)定性 狀態(tài)至關(guān)重要 因此如何正確的施加螺栓預(yù)緊力在利用a n s y s 進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接有限元模 擬中非常關(guān)鍵 運(yùn)用a n s y s 軟件進(jìn)行有關(guān)螺栓的計(jì)算分析基本都是摩擦接觸分析 接 觸分析是典型狀態(tài)非線性分析 而在分析過程往往還要考慮材料的塑性 這就使分析成 為狀態(tài)非線性和材料非線性組合在 起的高度非線性分析 因此如何施加螺栓的預(yù)緊 力 合理的建立模型 就顯得很重要 通常 a n s y s 軟件中模擬各種裝配的預(yù)緊力 主要可以通過直接加載法 等效力 法 等效應(yīng)變法和等效溫度法來實(shí)現(xiàn) 本文通過等效溫度法來實(shí)現(xiàn) 2 1 4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) 3 5 連桿大小端的載荷的等效計(jì)算 連桿推力方向是沿連桿中心線作用在連桿上的力 它反映連桿承受載荷情況 由于 連桿是通過活塞銷與活塞連接的 因此活塞銷將自身承受的合力傳給了連桿 主要是活 塞承受的氣體壓力 當(dāng)合力為正值時(shí) 連桿受壓 產(chǎn)生壓縮應(yīng)變 當(dāng)合力為負(fù)值時(shí) 連桿受拉 產(chǎn)生伸長應(yīng)變 根據(jù)連桿受力公式 3 3 足 p 正蠆忑石 3 3 其中p 為活塞銷合力 柵 2 8 5 7 a 為7 5 5 2 2 5 0 代m a 的值后 可得出連桿受力 a d a m s 仿真結(jié)果為圖3 1 1 iil lf 矗 i磊 l ii i 再 zz i i i i i ii i l 己 i j i i i j ll i 1 l i z j一 njf r 一j 二 熱 i i 一土 滁1 i 膝蕊 s i i 一 y礦y 丫一 c x x r 砭 r 馨 一 影 輔y c 噸 z 確r o r f t i i 一 ily 7 礦 j 7 lzl 卜7 i r 了y v一 l 鼉 l 1 r 7 一 f 一 p 7 v l 4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) 第4 章連桿有限元模型的加載與求解 在連桿的有限元計(jì)算中 處理作用于連桿上的載荷是一件極為重要的工作 由于作 用于連桿上的載荷系統(tǒng)一般都比較復(fù)雜 特別是某些載荷沿邊界的分布規(guī)律難以用理論 或測量的方法來確定 而往往是采用一些假定的分布規(guī)律來模擬 本文考慮連桿為一裝 配體模型 連桿受力是按余弦分布規(guī)律加載在連桿襯套 軸瓦內(nèi)表面上 在連桿大小端 和襯套 軸瓦采用接觸的方式加載 連桿既是傳力構(gòu)件又是運(yùn)動(dòng)構(gòu)件 其受力情況很復(fù) 雜 而連桿失效多為在周期變化的外力作用下的疲勞破壞 故連桿的計(jì)算應(yīng)考慮預(yù)緊 最大慣性力和最大燃燒壓力3 種工況 以獲取在危險(xiǎn)工況下連桿應(yīng)力和變形的分布情 況 計(jì)算出了連桿的慣性力和作用在大小端內(nèi)表面的載何以后 要把它們施加到連桿的 模型上 有兩種加載方法 直接在實(shí)體模型上加載和在有限元模型上加載 有限元分析 中的載荷 根據(jù)分析對(duì)象的實(shí)際情況 載荷可以直接加在實(shí)體模型上 也可以將載荷加 在有限元模型上 如加在節(jié)點(diǎn)或單元上a 如載荷加在實(shí)體模型上 在有限元分析過程中 程序會(huì)自動(dòng)將載荷轉(zhuǎn)化到節(jié)點(diǎn)和單元上 由于連桿做復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng) 受力較復(fù)雜 不 容易直接在實(shí)體模型上加載 所以加載到連桿的有限元模型上 由于連桿上各點(diǎn)的慣性 力的大小 方向各不相同 所以連桿的慣性力是分別加到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的 作用在大小 端內(nèi)表面的載何是作為表面壓力施加在大小端內(nèi)表面上的 有限元計(jì)算涉及到的數(shù)據(jù)類型多 數(shù)據(jù)量大 產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)量也大而復(fù)雜 對(duì)輸 入信息的檢查核對(duì) 結(jié)果數(shù)據(jù)的理解的難度迫使人們?nèi)ヌ角蟾碌能浖夹g(shù) 科學(xué)計(jì)算 的可視化技術(shù)正是在這一背景下發(fā)展起來的軟件技術(shù) 它憑借計(jì)算機(jī)自身及其配套設(shè)備 的圖形和圖像形式 可以使用靜態(tài)的或是動(dòng)態(tài)的畫面 并可以交互式的呈現(xiàn)于研究者和 工程師的面前 以加快與加深它們對(duì)被模擬的對(duì)象的分析和理解 所有的計(jì)算及結(jié)果可視化處理工作都在a n s y s 分析軟件上完成 在a n s y s 軟件 的后處理 g e n e r a lp o s tp r o c e s s 0 r 中 用戶要查看節(jié)點(diǎn)或單元的計(jì)算結(jié)果 有三種方式 可以實(shí)現(xiàn) 1 用等值線 c o n t o u rp 1 0 t 的方式 包括彩色云圖或等值線 2 采用矢量 方式 v e c t o rp l o t 3 采用文本文件的方式 可以顯示或保存 同時(shí) 該軟件也可以用 圖示或列表方式來顯示用戶所定義截面 a n s y s 稱為路徑操作一p a n lo p e r a t i o n 上節(jié)點(diǎn) 計(jì)算結(jié)果的分布四 經(jīng)a n s y s 軟件后處理后 應(yīng)力單位一律采用m p a 圖中均為等效應(yīng)力 校核計(jì)算 也均取等效應(yīng)力 高校教師碩士學(xué)位論文 4 1 預(yù)緊力加載 在預(yù)緊工況下 連桿承受螺栓預(yù)緊力 連桿軸瓦裝配時(shí)產(chǎn)生的預(yù)緊力以及連桿襯套 過盈產(chǎn)生的預(yù)緊力 螺栓預(yù)緊力通過在螺栓單元節(jié)點(diǎn)上施加節(jié)點(diǎn)溫度 由溫差使單元收 縮而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的預(yù)緊力 連桿軸瓦裝配預(yù)緊力和連桿襯套過盈量產(chǎn)生的預(yù)緊力均以面力 的形式作用在接觸面上 也可用溫升的方法加載 連桿襯套和小端過盈裝配的預(yù)緊力 軸瓦和大端裝配的預(yù)緊力加載后 如圖4 1 示 螺栓預(yù)緊力加載后 如圖4 2 示 4 2 邊界條件的處理 圖4 1 預(yù)緊力圖示 圖4 2 螺栓預(yù)緊力圖示 目前 內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析的誤差主要來源于邊界條件的處理不當(dāng) 而不在于有 限元單元的離散誤差 針對(duì)連桿 位移邊界條件包括消除連桿整體模型的剛體位移和解 決位移函數(shù)在邊界上的初始條件兩方面 其位移邊界條件 由于連桿大端孔位置不對(duì)稱 其幾何形狀僅相對(duì)于其擺動(dòng)平面對(duì)稱 為減小計(jì)算規(guī)模 取1 2 連桿模型進(jìn)行計(jì)算 在 模型的對(duì)稱剖分面上施加對(duì)稱約束 如圖4 3 所示 蝴糊娜 設(shè)囂囂 蓄黑分南示 高校教師碩士學(xué)位論文 圖4 5 連桿壓縮工況受力圖 圖4 6 連桿桿身和小端過渡處最小橫截面圖示 a d 蝴s 仿真結(jié)果顯示連桿總載荷最大值 p 為6 1 8 7 7 2 n 連桿桿身和小端過渡處 最小橫截面積 a 如圖4 6 所示約為4 8 0 刪玉 不考慮應(yīng)力集中影響情況下 如果按材料 力學(xué)應(yīng)力公式 2 5 1 p p a 計(jì)算桿身在和小端過渡處最小橫截面積處最大應(yīng)力值為 p p a 1 8 7 7 2 4 8 0 1 2 9 m p a 4 1 在確定了連桿大小端的總載荷以后 按上面所述規(guī)律把連桿大小端的力施加到連桿 大小端孔軸瓦 襯套的內(nèi)表面 桿身的慣性力施加到每一單元上 按上述加載及約束條 件使連桿的受力及約束接近其實(shí)際工況 并且沒有剛體位移 根據(jù)上述條件 利用a p d l 語言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)連桿的加載求解 作用在大小端軸瓦 襯套內(nèi)表面的載何是作為表面壓力施加在大小端內(nèi)表面上的 上文已經(jīng)計(jì)算出了大小端作用力合力的大小和方向 選取大小端軸瓦 襯套內(nèi)表面為施 加表面載何的面 這樣就完成了大小端軸瓦 襯套內(nèi)表面載何的施加 其中 按最大壓縮工況計(jì)算出的大端軸瓦內(nèi)孔最大分布載荷p i m a x 為 p l n i a x 6 1 8 7 7 2 2 2 9 3 3 3 2 3 3 l 仰a 小端襯套內(nèi)孔最大分布載荷p 2 m 雙為 p 2 m 礦6 1 8 7 7 2 2 2 9 1 7 6 2 7 5 m p a 2 7 高校教師碩士學(xué)位論文 圖4 9 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力圖示2 從應(yīng)力圖示看出 連桿大端應(yīng)力較小 大端內(nèi)表面雖有應(yīng)力集中 應(yīng)力也不是很大 桿身應(yīng)力也較小 只有桿身和連桿小端過渡處外側(cè)面稍大 小端內(nèi)表面也出現(xiàn)了最大應(yīng) 力 這是有應(yīng)力集中的結(jié)果 據(jù)a n s y s 查詢應(yīng)力最大結(jié)果為 n o d es 1s 2 s 3s i n ts e q v 1 9 0 3 34 6 7 5 11 6 0 4 71 3 5 5 53 3 1 9 53 2 0 2 2 最大應(yīng)力出現(xiàn)在小端內(nèi)表面的1 9 0 3 3 號(hào)節(jié)點(diǎn)上 最大應(yīng)力值為3 2 0 2 2 兆帕 4 0 c r 材料的屈服極限為8 0 0 御a 取許用安全系數(shù)n s 為1 5 則許用應(yīng)力為5 3 3 御a 在最大 的壓縮工況下 最大應(yīng)力為3 2 0 2 2 m p a 小于許用應(yīng)力 滿足強(qiáng)度要求 桿身所受最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)位置如下圖4 1 0 示 圖4 1 0 桿身所受最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)位置 2 9 4 v 1 0 5 柴油機(jī)連桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) 鬻鬻辮囂蒸 i 誓纛 7 z i i i l i 婦荔 鬻攀藕蕊糞籬攀萋蘩囊繅鱗黲戇蘩篆 警黌蒸 崮潮囊 攀霾黼豢 攀靄鬻攀囂蒸i i 囊爹爹攀 二 蔓善蓁囂 囂 舞 囂 臻 弱 誓j 圖4 1 1 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢對(duì)話框 通過如圖4 1 1 查詢知桿身所受最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)