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1、 連桿部件CAE仿真分析 摘要：連桿是內(nèi)燃機(jī)的重要構(gòu)件和主要運(yùn)動(dòng)件,其結(jié)構(gòu)形狀和受載狀況都很復(fù)雜。連桿的強(qiáng)度在很大程度上影響著內(nèi)燃機(jī)的壽命。而隨著內(nèi)燃機(jī)向高速、大功率和高負(fù)荷的方向發(fā)展,連桿的工作環(huán)境變得愈加惡劣。因此,分析連桿的運(yùn)動(dòng)和受力情況、計(jì)算連桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和研究連桿的動(dòng)態(tài)特性對(duì)連桿的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要的意義。本文以某型號(hào)的柴油機(jī)連桿為研究對(duì)象,主要完成了以下工作內(nèi)容：1.分析了連桿的運(yùn)動(dòng)和受力情況。首先計(jì)算了連桿的角位移、角速度和角加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù),然后在連桿的受力分析中詳細(xì)分析計(jì)算了連桿所受的四種主要載荷,并計(jì)算了最大拉壓工況下連桿所受的載荷,為后續(xù)計(jì)算提供必要的邊界條件。2.基

2、于有限元方法,建立了連桿的有限元模型,主要進(jìn)行以下方面研究：在預(yù)緊工況中,研究了單元類型對(duì)應(yīng)力分布的影響；在最大拉伸和最大壓縮工況中,研究了載荷加載方式的不同以及約束邊界的不同對(duì)連桿應(yīng)力分布的影響。3.利用模態(tài)分析技術(shù)研究了該連桿的動(dòng)態(tài)特性。分別采用有限元和試驗(yàn)的方法研究了連桿的模態(tài)特性,獲得連桿的模態(tài)頻率及模態(tài)振型,為后續(xù)的連桿多體動(dòng)力學(xué)分析提供依據(jù),最后對(duì)模態(tài)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。4.利用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立了連桿的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型,通過數(shù)值模擬計(jì)算,得到連桿在工作循環(huán)中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和準(zhǔn)確的載荷邊界條件,并分析了連桿軸承的潤滑性能。5.利用有限元軟件對(duì)連桿進(jìn)行了三維瞬態(tài)應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算,得到了連桿

3、在一個(gè)工作循環(huán)中的動(dòng)應(yīng)力分布。并對(duì)比了忽略裝配載荷和考慮裝配載荷的計(jì)算結(jié)果。同時(shí)選取部分曲軸轉(zhuǎn)角下的應(yīng)力分布云圖與靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。分析表明,連桿的動(dòng)應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果更為合理,更接近于實(shí)際情況。 前言 柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)包括曲軸、連桿、活塞等主要運(yùn)動(dòng)部件，其作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸卜的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將活塞所受的燃?xì)鈮毫D(zhuǎn)化為曲軸卜的輸出扭矩，從而實(shí)現(xiàn)熱能一機(jī)械能的轉(zhuǎn)化過程。曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和受力情況復(fù)雜，以往只依賴經(jīng)典動(dòng)力學(xué)理論的計(jì)算方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工程技術(shù)的需要。隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以經(jīng)典動(dòng)力學(xué)理論和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)得到了廣泛的運(yùn)用。 美國MSC公司

4、的ADAMS軟件是集成建模、求解、可視化技術(shù)于一體的運(yùn)動(dòng)仿真軟件，在柴油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真中得到了廣泛運(yùn)用。然而，由于模型的復(fù)雜性，如何添加合理的邊 界條件，尤其是曲軸轉(zhuǎn)速邊界條件成為了問題的難點(diǎn)。在以往的研究中，經(jīng)常采用恒定轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)建模方法，改變了模型的自由度，忽略了曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響，使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。我們探討了轉(zhuǎn)速邊界條件的添加方法，并詳述了考慮轉(zhuǎn)速波動(dòng)的柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模過程，提出了計(jì)算機(jī)械效率和往復(fù)慣性力的簡便方法，為運(yùn)動(dòng)和受力分析提供了有力保證[1]。 1 連桿大頭軸承CAE 分析 連桿大頭軸承是發(fā)動(dòng)機(jī)能否長期運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件之一。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行

5、時(shí)潤滑油在高溫下工作，其粘度隨溫度增高而降低，影響油膜承載能力。通過CAE 計(jì)算，可以判斷軸瓦和軸頸可能的潤滑狀態(tài)：液動(dòng)潤滑/臨界潤滑/干摩擦，避免因干摩擦導(dǎo)致的磨損和異常的油膜壓力分布的出現(xiàn)。 當(dāng)對(duì)軸承進(jìn)行詳細(xì)校核時(shí)，可以采用EHD 類型的軸承模型。該模型可以充分考慮軸瓦與軸頸的彈性變形，并考慮了機(jī)油填充狀態(tài)，同時(shí)計(jì)算軸承間隙等非線性因素對(duì)軸承載荷的影響，計(jì)算干摩擦。從計(jì)算結(jié)果中，可詳細(xì)了解油膜狀態(tài)、彈性邊界與油膜間的耦合作用、機(jī)油流入和流出狀態(tài)等。以及軸承間隙等非線性因素對(duì)軸承載荷的影響。 1.1 模型建立 曲軸模態(tài)分析的意義:曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的部件之一，而且它承受復(fù)雜的載荷。由于

6、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)高溫、高速并存，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件提出了很高的要求，因此曲軸的固有特性對(duì)環(huán)境的適應(yīng)尤為重要。要解決這些問題，首先要了解曲軸的固有特性。模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，同時(shí)也是其他動(dòng)力學(xué)分析問題的起點(diǎn)。 圖1 連桿有限元模型[2] 圖2 CONC類型的連桿模型[2] 1.2 結(jié)果評(píng)價(jià) 一、連桿大頭軸承的受力分析 在ADAMS工具欄中點(diǎn)擊Simulation Control選項(xiàng)，對(duì)建立好的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，仿真時(shí)間設(shè)置為5s，步數(shù)設(shè)置為5000曲軸從起

7、動(dòng)到額定工況的轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線見圖3。圖4為1號(hào)缸活塞額定工況下沿氣缸中心線方向的位移、速度、加速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。 由圖4可以看出，該柴油機(jī)在0一1s、時(shí)間達(dá)到額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。由圖5看出，曲軸轉(zhuǎn)連桿大頭在不同工況下的隨曲柄轉(zhuǎn)角變化的受力如圖3 所示。從圖中可以明確的看到不同轉(zhuǎn)速下，燃?xì)鈮毫εc慣性力在不同的曲柄轉(zhuǎn)角下的影響各不相同，其中慣性力隨轉(zhuǎn)速增加而增加[3]。 圖3連桿大頭軸承受力[3] 二、連桿大頭軸承的EHD 液體動(dòng)力潤滑分析 通過軸承的EHD 計(jì)算,可以得到軸承的潤滑性能更為全面、更為精確的評(píng)估圖4—圖6則反映了不同轉(zhuǎn)速下的最小油膜厚度、最大液動(dòng)油膜壓力、最

8、大粗暴接觸壓力等。 圖4最小油膜厚度[4,5] 圖5 最大液動(dòng)油膜壓力[4,5] 圖6 最大粗暴接觸壓力[4,5] 以及這些油膜壓力在軸瓦表面的三維分布，如圖7、圖8 所示。以標(biāo)定工況3600rpm 時(shí)的連桿大頭軸瓦油膜壓力分布為例。 圖7 液動(dòng)油膜壓力分布[6] 圖8 粗暴接觸壓力分布[6] 2 連桿裝配應(yīng)力CAE分析 在連桿裝配完成之后，軸瓦以很大的過盈安裝在座孔當(dāng)中，同時(shí)螺栓預(yù)緊力的存在，也使得連桿大頭孔發(fā)生變形，這將影響到大頭孔的圓柱副要求。 2.1 模型建立 雖然考慮到內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境，但是有限元沖擊動(dòng)力學(xué)特性分析必須要在

9、相對(duì)理想的情況下進(jìn)行，所以我們?cè)诮５倪^程中進(jìn)行了以下基本假設(shè):(1)除了機(jī)構(gòu)的受力點(diǎn)和沖擊點(diǎn)以外，我們假設(shè)其他部位的變形都為彈性變形。(2)假設(shè)結(jié)構(gòu)滿足連續(xù)性假設(shè)、各向同性假設(shè)、均勻性假設(shè)和微小形變假設(shè)。 利用有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析所用的有限元模型的精確度在很大程度上決定了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，有限元分析最重要的步驟之一就是建立有效的有限元模型。勝柄連桿機(jī)構(gòu)的實(shí)物圖如圖9所示，由圖可以看出實(shí)物模型上分布了很多小的倒角、倒圓和一些不規(guī)則的小孔、小面，如果直接利用實(shí)物模型來分析，這些不規(guī)則的部分肯走會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生或多或少的影響，可能會(huì)出現(xiàn)的問題有:（1）必須要使用很小的單元尺寸來滿足這些不規(guī)

10、則的部分，也就是說要增加很多單元數(shù)，這樣勢(shì)必會(huì)加大計(jì)算量，費(fèi)日又費(fèi)力。（2）這些不規(guī)則的單元可能會(huì)成為劃分網(wǎng)格的精度不夠或者是直接失敗的原因，就算劃分網(wǎng)格成功，也可能會(huì)導(dǎo)致有限元分析結(jié)果的錯(cuò)誤或者仿真的不成功。 因此，我們有必要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕疚睦肞RONE軟件所建立了曲柄連桿機(jī)構(gòu)并對(duì)其作了如下的簡化:(1)突出機(jī)構(gòu)的重要組成部分，忽略次要的對(duì)分析結(jié)果無太大影響的一些小的倒角、倒圓以及不規(guī)則的小面小孔。(2)將那些比較大的可能會(huì)影響分析結(jié)果的不光滑不規(guī)則曲面加以簡化，利于模型的劃分網(wǎng)格，加大有限元分析的成功率。(3)將那些尺寸小于1}3mm的線、面、體等幾何元素進(jìn)行處理，以適應(yīng)網(wǎng)格

11、劃分的需求來降低單元數(shù)量，從而避免不必要的計(jì)算。(4)對(duì)于那些用來固定附屬零件的螺孔、油孔和凸臺(tái)等小單位不會(huì)對(duì)要分析的部分產(chǎn)生影響，可以忽略不計(jì)。簡化后的實(shí)體模型如圖9所示，活塞銷與活塞采用剛性約束約束，活塞銷與連桿小端采用轉(zhuǎn)動(dòng)約束關(guān)系，連桿、連桿軸瓦和連桿大頭藕合為一個(gè)整體，連桿大端和曲柄銷之間采用轉(zhuǎn)動(dòng)約束關(guān)系，主軸頸和主軸瓦采用轉(zhuǎn)動(dòng)約束關(guān)系[7]。 連桿是由各個(gè)分離的部件組裝而成的，各部分之間存在許多配合面，其接觸狀態(tài)極其復(fù)雜，所以只有對(duì)連桿的計(jì)算模型采用三維接觸模型，才更接近真實(shí)狀態(tài)。參與有限元分析的零部件有桿身、桿蓋、軸瓦、螺栓和螺母等，需分別按照實(shí)際情況來定義各種非線性接觸。主要的

12、接觸對(duì)如圖9 所示。 圖9 在ABAQUS 中各種接觸對(duì)定義[7] 2.2 結(jié)果評(píng)價(jià) 具有自由彈勢(shì)的薄壁軸瓦完全依靠過盈量緊貼于大頭孔表面，形成剛性的軸瓦孔。過盈量須合理選擇，嚴(yán)格控制。同時(shí)，連桿大頭軸承剛度要足夠，在螺栓預(yù)緊力作用下變形不能太大，要能夠滿足連桿大頭運(yùn)動(dòng)副的圓柱度要求。 圖10連桿大頭分析[8] 3 連桿超速下接觸分析 在最大超速4000rpm 情況下，校核了連桿桿身與桿蓋之間的接觸情況。在最大拉力的情況下，連桿大頭孔發(fā)生變形，沿拉伸方向伸長，并且在靠近軸瓦的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)縫隙，最大值為0.025mm 左右，而在外側(cè)由于剛度較大，仍緊密的貼合在一起，從接觸壓強(qiáng)上可

13、以明顯的反映出這一點(diǎn)，如圖11、1 2所示。 圖11 連桿大頭孔的變形[8] 圖12 分型面處的接觸壓強(qiáng)[8] 4 連桿疲勞強(qiáng)度分析 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)的主要組成部件包括曲軸、連桿、活塞等，曲軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)的中樞，其柔性作用對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性有非常重要的影響，本課題主要分析曲軸在工作時(shí)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并建立曲軸柔性體模型，其它零件在系統(tǒng)中的作用只是傳遞氣體爆發(fā)壓力和由于運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，因此建為剛體即可。由于在實(shí)際工況中曲軸承受活塞、連桿傳遞的爆發(fā)壓力的交變載荷作用，受力情況極其復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的單純有限元分析方法，很難完成對(duì)曲軸運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)變化的

14、邊界條件描述。本文采用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS和有限元分析軟件ANSYS，將有限元方法和多體系統(tǒng)仿真分析軟件結(jié)合在一起建立曲軸軸系柔性多體動(dòng)力學(xué)模型，全面、準(zhǔn)確地獲得曲軸工作時(shí)的動(dòng)態(tài)載荷，繼而利用有限元法對(duì)曲軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力、變形分析。 圖13連桿強(qiáng)度校核分析流程[9] 4.1 連桿最大拉壓應(yīng)力 連桿工作時(shí)承受復(fù)雜的周期性變化外力，最危險(xiǎn)的工況是受最大拉力和最大壓力工況。根據(jù)連桿的受力分析結(jié)果可知，最大壓力時(shí)刻對(duì)應(yīng)于最大爆壓時(shí)刻，也就是在作功行程上止點(diǎn)附近；最大拉力時(shí)刻對(duì)應(yīng)于最大慣性力時(shí)刻，也主是排氣行程上止點(diǎn)附近。經(jīng)過計(jì)算可知，在標(biāo)定工況3600rpm 時(shí)，連桿大小頭的最大拉力分別為

15、18943和8900N，最大壓力分別為56398N 和64448N。 圖14 連桿最大拉壓應(yīng)力[10] 連桿在壓工況下所受的力較大，桿身及其與大小頭的過渡處的應(yīng)力達(dá)到了120-210MPa<連桿材料最小屈服強(qiáng)度440Mpa. 4.2 連桿疲勞強(qiáng)度校核 針對(duì)某型實(shí)訓(xùn)設(shè)備的開發(fā)工作應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)該實(shí)訓(xùn)設(shè)備的非共點(diǎn)六連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)該非共點(diǎn)六連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核，給出了該機(jī)構(gòu)幾何尺寸的下限，為下一步的零件設(shè)計(jì)工作提供了依據(jù)。將MATLAB與受力計(jì)算、強(qiáng)度校核相結(jié)合，參數(shù)修改方便，大大縮短了設(shè)備受力分析和強(qiáng)度校核工作的時(shí)間。 將拉壓兩種工況下的應(yīng)

16、力進(jìn)行疊加，考慮材料性質(zhì)與表面處理方式，對(duì)標(biāo)定工況下的連桿進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖15 所示。 圖15 疲勞強(qiáng)度計(jì)算[10] 5 結(jié)論 本文在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析的基本理論的基礎(chǔ)上，應(yīng)用三維建模軟件PRONE、多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件MATLAB以及有限元分析軟件ANSYS對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)行為分析。(1)運(yùn)用MATLAB圖形用戶界面建立機(jī)構(gòu)的仿真模型，實(shí)現(xiàn)了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真和動(dòng)態(tài)模擬，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究具有一定的重要意義，為減少磨損和降低噪聲等方面的曲柄連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。該方法也可用于其它四桿機(jī)構(gòu)、多桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析，其優(yōu)越性在

17、于把用戶從復(fù)雜繁瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算中解放出來，提高了求解速度，保證了求解精度。(2)利用MATLAB-Simulink對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到轉(zhuǎn)動(dòng)副A上的作用力、曲柄上的作用的力矩及其所作的功和滑塊上作用的約束反力的曲線圖，并找出它們變化的規(guī)律，能為機(jī)構(gòu)的選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。(3)采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)考慮軸承間隙的機(jī)構(gòu)進(jìn)行沖擊動(dòng)力學(xué)分析，找到軸承間隙對(duì)機(jī)構(gòu)性能影響的規(guī)律，可以給內(nèi)燃機(jī)甚至是汽車、航天、船舶等領(lǐng)域提供豐富的理論依據(jù)。(4)通過運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)內(nèi)燃機(jī)曲軸進(jìn)行模態(tài)分析，系統(tǒng)研究了曲軸的振動(dòng)規(guī)律，為內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、噪聲問題提供了一定的幫助。這

18、表明用有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的曲軸的動(dòng)力學(xué)分析是一種有效方法，為進(jìn)一步研究曲軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)響應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。對(duì)連桿大頭軸瓦進(jìn)行了有限元彈性體與液體動(dòng)力學(xué)的綜合計(jì)算，得到了連桿大小頭的受力與油膜潤滑狀況。對(duì)連桿進(jìn)行了裝配應(yīng)力計(jì)算，結(jié)果表明，軸瓦過盈引起的背壓正常，最大螺栓預(yù)緊力下大頭孔變形沒有超過軸瓦的削薄量，能夠滿足連桿大頭孔的剛度要求。對(duì)最大超速時(shí)引起的最大慣性力時(shí)刻進(jìn)行了拉工況的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明桿身與桿蓋在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程當(dāng)中能夠較好的貼合在一起。 6參考文獻(xiàn) [1] 陳然. 內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的力學(xué)行為分析[D]. 山西: 中北大學(xué), 2015. [2] 張文春, 段樹林, 張

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