發(fā)動機連桿的三維有限元分析研究.pdf

按語 連桿的強度對發(fā)動機性能有非常大的影響,在連桿設計過程中必須對連桿的強度進行考核。通過有限元技術 對連桿的強度進行校核可以快速方便的得到結構的具體應力分布變形等,從而為設計提供理論指導。 發(fā)動機連桿的三維有限元分析研究 胡冬青 (淮北職業(yè)技術學院,安徽淮北235000) 摘要 以某型號連桿為例,在hypermesh中對連桿模型進行了網(wǎng)格劃分,對劃分好的有限元模型導入到abaqus中進行計算,在既定工況 得到連桿的應力及變形等,通過分析表明該連桿滿足設計需求。 關鍵詞 連桿 強度 有限元技術 中圖分類號 S220 文獻標識碼 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)動力學與控制研究。 收稿日期 2009204207 內燃機的運動機構基本形式是曲柄連桿機構,由活塞、 連桿和曲軸三大構件組成。因此對連桿進行分析對發(fā)動機 的正常工作及發(fā)動機的性能非常必要。在實際工作過程中 連桿的受力比較復雜,因此文中分3個工況對其進行分析即 預緊工況、 最大爆壓工況及最大轉速工況下的應力及變形情 況 1。首先需要考慮到慣性工況下連桿的運動情況和爆壓 工況下的受力情況。 1 連桿機構受力分析 1. 1 曲柄連桿機構的加速度 2 - 3 圖1為曲柄連桿機構示 意圖,從圖1中可以看出活塞位移的公式為: 圖1曲柄連桿機構示意 Fig. 1 Schematic diagram of crank connecting rod mechanis m x=R+L-Lcos-Rcos(1) 其中,為曲柄轉角;為連桿軸線在其擺動平面內偏離氣缸 中心線的角度。同時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)二項式定理,取前兩階對原方程進行簡化得到: a=R 2 cos+R 2cos2 (2) 其中,為轉速。 1. 2 連桿組加速度 對于連桿組,可令其為二質量系統(tǒng), 即質量集中于大小頭兩端,根據(jù)質量等效原則,兩者到質心 處的關系為: mcp (L - b) =mcrb 同時:m=mcp+mcr 因此作用在連桿組質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構,建模 過程中可以采用1/2或者1/4模型進行有限元建模。 文中采 用全模型進行建模,所有部件用二階四面體單元進行建模, 考慮到連桿組件各個部分的接觸處理,因此采用C3D10M單 元進行模擬。如圖2所示對各接觸面采用接觸對進行模擬, 同時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 ,對接觸平面應盡量網(wǎng)格 對應,如此可以加快計算收斂速度,節(jié)約計算資源,建立的模 型見圖3。 責任編輯 王淼 責任校對 張士敏安徽農業(yè)科學, 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 連桿組件構成示意 Fig. 3 Schematic diagram of connecting rod composition consti2 tution 3 工況設計 3. 1 裝配工況 該工況包括螺栓預緊力裝配工況、 軸瓦過 盈裝配工況及襯套過盈裝配工況。一般螺栓預緊力的模擬 有施加靜態(tài)力和采用彈性變形恢復力兩種方法進行模擬,在 文中根據(jù)國標查出相應螺栓類型的預緊力進行靜態(tài)加載方 式進行模擬;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 傳來的燃氣壓力,分析過程中取最大爆發(fā)壓力,對連桿而言, 爆壓力應作用于活塞銷上,如圖4所示,將作用力表面的節(jié) 點用rbe2連接,集中力施加于rbe2主點上,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)可知當曲柄轉角為0時活塞 到達上止點,此時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)動機轉速決定。 4 結果與分析 根據(jù)設計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。以最高轉速6 000 r/min,最大爆壓力16Mpa對連桿進行計算。得到各個工況 下的應力及變形分布如圖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)動機連桿的三維有限元分析研究 圖9 慣性力工況下的應力 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,滿足強度要求。各工況下的應力集中區(qū)域如圖 中圓圈所示,這些區(qū)域可能會 形成疲勞源從而對結構造成 破壞,設計中對這些區(qū)域應加以關注。從圖中可看出最大變 形發(fā)生在爆壓工況下,此時的最大位移量為0. 214 mm,此時 連桿的應力最大為493MPa,小于材料屈服極限,因此此時的 變形為彈性變形,當外力卸載后連桿變形能自動恢復,因此 變形不妨礙油膜的形成,各個工況連桿均滿足靜強度設計 要求。 5 結論 有限元分析過程中采用小滑移彈性接觸模型進行分析, 提高了模型的收斂性。有限元分析結果表明連桿在各個工 況下滿足靜強度要求。同時通過有限元進行仿真分析,便于 發(fā)現(xiàn)設計中存在的缺陷,可以有效的縮短開發(fā)周期,因此對 工程設計具有指導意義。 參考文獻 1呂彩燕,蘇鐵熊.柴油機連桿的有限元疲勞度分析J .華北工學院學 報, 2002,23(1):15 - 191 2鄭啟福.內燃機動力學M .北京:國防工業(yè)出版社,1991. 3余成波,何懷波,石曉輝.內燃機振動控制及應用M .北京:國防工業(yè) 出版社,1997. 4莊茁,張帆,岑松. ABAQUS非線性有限元分析與實例M .北京:科學 出版社,2004. 5石亦平,周玉蓉. ABAQUS有限元分析實例詳解M .北京:機械工業(yè)出 版社,2006. (上接第6435頁) 即淋澆定根水。有缺苗要及時補栽,補苗后,要進行一次中 耕除草,使表土疏松,保持下部土壤濕潤,促進幼苗根系深 扎。隨后,根據(jù)條件追施,以提高開花和結果量 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;平時要加強肥水管理,增強 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 ,而其植株內具有生物活性的物質成分至 今還沒有更為詳細的報道,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,能為進一步綜合開發(fā)利用這一野生植物資源提供 科學依據(jù)。 (2)諸葛菜在城市綠化方面也具有很廣的應用前景。其 適應性強,生命力頑強,并且能快速繁殖,如果大面積種植, 可以有效地減少揚塵的發(fā)生。 (3)由于諸葛菜的維生素、 礦物質、 蛋白質等含量豐富。 可在前人研究的基礎上更深入地開展諸葛菜的人工栽培工 作,從而為農產(chǎn)品增加一個新的蔬菜品種。 參考文獻 1周太炎.諸葛菜屬,中國植物志M .北京:科學出版社,1987. 2江蘇植物所.諸葛菜屬,江蘇植物志M .南京:江蘇科學出版社,1982. 3趙培潔,肖建中.諸葛菜,中國野菜資源學M .北京:中國環(huán)境科學出 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:陜西科學技 術出版社,2007. 6任全進,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.諸葛菜種質資源的評價和研究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用J .切磋交流,2000(2): 20 - 20. 11 WU Y Y,LI P P, ZHAO Y G . Study on photosynthetic characteristics of Orychophragmus violaceusrelated to shadetoleranceJ . Scientia Horti2 culturae,2007,113(2):173 - 176. 12羅鵬,黃邦全,藍澤蘧.菜用諸葛菜的研究J .四川大學學報:自然科 學版,1998,35(4):638 - 640. 13馬成亮.諸葛菜J .特種經(jīng)濟動植物,2002(4):26. 14翁德寶,汪海峰,翁佳穎.諸葛菜莖葉中黃酮類化合物的研究J .中 國野生植物資源,2000,19(5):13 - 15. 15王欣,李向,王慶紅.諸葛菜中黃酮類化合物提取方法和抗氧化性研 究J .安徽農業(yè)科學,2007,35(27):8667 - 8669. 16王欣,夏新奎,徐固華.微波輔助萃取諸葛菜