连杆有限元分析.pdf

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1、Home柴油机连杆有限元分析岳贵平李康一汽技术中心摘要：本文前处理利用HyperMesh软件，计算分析及后处理利用Abaqus软件。按柴油机连杆受拉和受压的两种工况，对其进行动力学的有限元计算分析（主要应用了接触和边界非线性的原理），得到了连杆（其中还包括连杆盖、预紧螺栓、预紧螺母、活塞销、连杆大头轴瓦和连杆小头衬套）的应力图和它们的安全系数。为连杆的设计和制造提供了充分的数据资料，具有很高的工程实用价值。关键词：动力学接触边界非线性有限元计算分析一、前言：连杆是发动机中传递动力的重要零件，它把活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动，并将作用在活塞上的力

2、传给曲轴以输出功率。连杆在工作过程中要承受装配载荷（包括轴瓦过盈及螺栓预紧力）和交变工作载荷（包括气体爆发压力及惯性力）的作用，工作条件比较苛刻。现代汽车正向着环保节能方向发展，这就要求发动机连杆在满足强度和刚度的基础上，应具有尺寸小、重量轻的特点。考虑到柴油机连杆的边界条件比较复杂，想要得到比较好的模拟结果，边界条件必须考虑接触和非线性，普通通用软件没有这方面的功能，而ABAQUS软件刚好能广泛的求解非线性（包括接触）的问题，我们用它解决了这一实际工程问题。二、基本原理介绍：2.1边界非线性若边界条件随分析过程发生变化，就会产生边界非线性问题。考虑

3、图1所示的悬臂梁，它随施加的载荷发生挠曲，直到碰到障碍。梁端部的竖向挠度与载荷线性相关（当挠度较小时），直到它接触到障碍物为止。这时梁端部的边界条件发生突然的变化，阻止竖向挠度继续增大，因此梁的响应将不再是线性的。边界非线性是极度不连续的：在模拟分析中发生接触时，-1-结构的响应特性会在瞬间发生很大的变化。Home图1将碰到障碍物的悬臂梁梁端部的竖向挠度与载荷线性相关（当挠度较小时），直到它接触到障碍物为止。这时梁端部的边界条件发生突然的变化，阻止竖向挠度继续增大，因此梁的响应将不再是线性的。边界非线性是极度不连续的：在模拟分析中发生接触时，结构的响

4、应特性会在瞬间发生很大的变化。2.2接触许多工程问题含有两个或多个部件的接触的情况。在这类问题中，当两个物体接触时，存在沿接触面法向，且作用在接触物上的力。如果接触面存在摩擦力，可能会产生抵抗物体间切向运动（滑动）的剪力。在有限元中，接触条件是一类特殊的不连续的约束，它允许力从模型的一部分传输到另一部分。因为仅当两个面接触时才应用接触条件，所以这种约束是不连续的。当两个表面分开时，没有约束作用在上面。三、计算分析过程：3.1连杆的三维有限元模型连杆的三维几何模型来自PRO/E，采用HyperMesh软件建立有限元模型，该有限元模型包括的零件有：连杆、

5、连杆盖、预紧螺栓、预紧螺母、活塞销、曲轴连杆轴颈、连杆大头轴瓦、连杆小头衬套。连杆、连杆盖采用四面体二次单元；预紧螺栓、预紧螺母、活塞销、曲轴连杆轴颈、连杆大头轴瓦、连杆小头衬套采用五面体和六面体的混合单元。由于连杆的三维几何模型具有很好的对称性，为了减少计算所用时间，在这次计算分析过程只截取整个几何模型的1/4划分网格，模型总共有27830个节点，18315个单元。图2为连杆(1/4)有限元模型。-2-3.2边界条件Home3.2.1装配载荷连杆大头轴瓦与连杆大头的半径过盈量为：0.05008mm；连杆小头衬套与连杆小头的半径过盈量为：0.0237

6、5mm；螺栓预紧力为5.8KN。3.2.2工作载荷气缸爆发压力：Pg=p×πD2=131.4KN式中：p为气缸内压强；D为缸径惯性力：连杆小头惯性力，Pj=16.8KN，与发动机工作转速（3000rpm）相对应。连杆大头惯性力，Pj=30.9KN，与发动机工作转速（3000rpm）相对应3.3材料性能表1列出了计算中采用的材料性能数据。表1材料性能数据零件材料弹性模量泊松比抗拉强疲劳强2E(N/mm)μ度σ度σb(Mpa)-1(Mpa)连杆42CrMoA2070000.3890350连杆盖42CrMoA2070000.3890350轴瓦、衬套钢207

7、0000.3螺栓、螺母钢2070000.3曲轴、活塞销钢2070000.33.4计算结果及分析3.4.1连杆应力与疲劳安全系数由于连杆是在交变载荷下工作，采用以下公式计算其疲劳安全系数：σ×σ−1bn=σ×σ+σ×σ−1mba-3-σmax−σminσ+σσ=maxminaσm=22Home连杆应力见图3、4。最小疲劳安全系数见表2。表2最小疲劳安全系数3.5连杆杆身与连杆大端的过渡区4.0连杆杆身与连杆小端的过渡区1.6连杆杆身与螺栓头附近的过渡区2.3连杆杆身与螺母附近的过渡区2.6连杆小端的油孔3.4.2连杆杆身大头与连杆盖结合面处的接触压力图

8、5为第一种工况连杆杆身与连杆盖结合面处在装配载荷+拉伸载荷下的法向应力分布，图中的深蓝色区域表示失去接触；图