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寧
南南京林業(yè)大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
基于ANSYS對(duì)柴油機(jī)連桿
受拉工況有限元分析
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
張重陽
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
摘 要
ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。
傳動(dòng)軸是最常件的零件，該零件結(jié)構(gòu)較為簡單，操作方便，加工精度高，價(jià)格低廉，因此得到了廣泛的使用。目前很多傳動(dòng)軸都做了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，使其適用性得到了更大的提高。
連桿是柴油機(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。連桿的可靠性和壽命在很大程度上影響著柴油機(jī)的可靠性和壽命。對(duì)連桿進(jìn)行的結(jié)構(gòu)分析，國內(nèi)外已有大量的文獻(xiàn)。有限元法是計(jì)算力學(xué)各種方法中影響最大、應(yīng)用最廣泛的一種數(shù)值計(jì)算方法，是國內(nèi)外進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析普遍采用的方法。
本設(shè)計(jì)是基于ANSYS軟件來柴油機(jī)連桿進(jìn)行分析。與傳統(tǒng)的計(jì)算相比，借助于計(jì)算機(jī)有限元分析方法能更加快捷和精確的得到結(jié)果。設(shè)置正確的模型、劃分合適的網(wǎng)格，并合理設(shè)置求解過程，能夠準(zhǔn)確的獲得分析模型各個(gè)部位的應(yīng)力、變形等結(jié)果。對(duì)零件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有很大的參考作用。
正是因?yàn)樯鲜鰞?yōu)點(diǎn)，我在本設(shè)計(jì)中運(yùn)用PROE來建立三維模型。再將此模型導(dǎo)入ANSYS軟件來對(duì)其進(jìn)行分析。
關(guān)鍵詞：連桿，三維建模，ANSYS，靜態(tài)分析
Abstract
ANSYS (finite element) package is a multi-purpose finite element method for computer design program that can be used to solve the structure, fluid, electricity, electromagnetic fields and collision problems. So it can be applied to the following industries: aerospace, automotive, biomedical, bridges, construction, electronics, heavy machinery, micro-electromechanical systems, sports equipment and so on.
Diesel engine connecting rod is the most common a regular part, the part structure is simple, convenient operation, high precision, low prices, it has been widely used. At present, many have made the appropriate Transmission shaft improvements, it has been greatly enhanced applicability.
The connecting rod, important part and mainly moving component of diesel engine, has complicated structural shape and loading condition .To a large extent, the reliability and using life of the connecting rod has a great effect on diesel engine. At home and abroad, there are masses of literature about structure analysis of the connecting rod. The Finite Element Method is one of numerical calculation methods in computational mechanics, which has the biggest influence and is the most widely used method .And also ,it is a normal way about structure analysis.
The design is based on ANSYS software to Transmission shaft by the line of spindle. Compared with the traditional calculation, computer-based finite element analysis method can be faster and more accurate results. Set the correct model, dividing the right grid, and set a reasonable solution process, analytical model can accurately access the various parts of the stress and deformation results. On the part of the design and optimization has great reference.
It is because of these advantages, the use of this design in my UG to create three-dimensional model Transmission shaft. Then this model was introduced by the ANSYS software to its line of analysis.
Key Words: The connecting rod，three-dimensional modeling ，ANSYS，static analysis
目 錄
摘 要 2
Abstract 3
目 錄 4
第1章 緒論 6
1.1 有限元簡介 6
1.2 有限元特點(diǎn) 6
1.3 有限元步驟 7
1.4 有限元發(fā)展趨勢(shì) 8
1.4.1 與CAD軟件的無縫集成 8
1.4.2 更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力 8
1.4.3 由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題 9
1.4.4 由單一結(jié)構(gòu)場(chǎng)求解發(fā)展到耦合場(chǎng)問題的求解 9
1.4.5 程序面向用戶的開放性 9
1.5 ANSYS的主要功能 10
第2章 課題任務(wù)和分析方法 11
2.1課題的研究背景及意義 11
2.2課題任務(wù) 11
2.3分析方法 12
2.4本課題的研究方法 12
第3章 連桿受拉工況分析 13
3. 1 問題的簡化 13
3. 2 幾何形狀的簡化 13
3. 3 計(jì)算工況的選擇 13
3. 4 表面載荷的處理 14
第4章 柴油機(jī)連桿研究對(duì)象 15
4.1 柴油機(jī)連桿模型研究對(duì)象 15
4.2 柴油機(jī)連桿3D模型建立及處理 16
4.3 邊界條件 17
第5章 柴油機(jī)連桿的有限元分析 18
5.1有限元分析的基本步驟 18
5.2 有限元分析過程與步驟 18
5.2.1 轉(zhuǎn)換模型格式 18
5.2.2 具體操作步驟如下 21
5.2.3 后處理圖解 28
5.2.4 總結(jié)和柴油機(jī)連桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析 32
總結(jié)與展望 33
參考文獻(xiàn) 34
致 謝 35
37
基于ANSYS對(duì)柴油機(jī)連桿受拉工況有限元分析畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第1章 緒論
有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。
1.1 有限元簡介
有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡單的）近似 解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡單的問題所代替。由于大 多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。
有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。
1.2 有限元特點(diǎn)
有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對(duì)小的子域中。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念的克拉夫（Clough） 教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函數(shù)”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個(gè)定義域邊界條件的允許函數(shù)的Rayleigh Ritz法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有 限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。
1.3 有限元步驟
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)絡(luò)劃分。顯然單元越?。ňW(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)具體的物理問題通常可以用一組包含問題狀態(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，建立單元試函數(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)中稱剛度陣或柔度陣）。
為保證問題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。 對(duì)工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時(shí)不僅精度低，而且有缺秩的危險(xiǎn)，將導(dǎo)致無法求解。
第五步：總裝求解：將單元總裝形成離散域的總矩陣方程（聯(lián)合方程組），反映對(duì)近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件。總裝是在相鄰單元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)（可能的話）連續(xù)性建立在結(jié)點(diǎn)處。
第六步：聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋：有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、迭代法和隨機(jī)法。求解結(jié)果是單元結(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的近似值。對(duì)于計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量，將通過與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供的允許值比較來評(píng)價(jià)并確定是否需要重復(fù)計(jì)算。
簡言之，有限元分析可分成三個(gè)階段，前置處理、計(jì)算求解和后置處理。前置處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后置處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。
1.4 有限元發(fā)展趨勢(shì)
縱觀當(dāng)今國際上CAE軟件的發(fā)展情況，可以看出有限元分析方法的一些發(fā)展趨勢(shì)：
1.4.1 與CAD軟件的無縫集成
當(dāng)今有限元分析軟件的 一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是與通用CAD軟件的集成使用，即在用CAD軟件完成部件和零件的造型設(shè)計(jì)后，能直接將模型傳送到CAE軟件中進(jìn)行有限 元網(wǎng)格劃分并進(jìn)行分析計(jì)算，如果分析的結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。為了滿足工程師快捷地解 決復(fù)雜工程問題的要求，許多商業(yè)化有限元分析軟件都開發(fā)了和著名的CAD軟件（例如Pro/ENGINEER、 Unigraphics、 SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE軟件為了實(shí)現(xiàn)和CAD軟件的無縫集成而采 用了CAD的建模技術(shù)，如ADINA軟件由于采用了基于Parasolid內(nèi)核的實(shí)體建模技術(shù)，能和以Parasolid為核心的CAD軟件（如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）實(shí)現(xiàn)真正無縫的雙向數(shù)據(jù)交換。
1.4.2 更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力
有限元法求解問題的基本過程主要包括：分析對(duì)象的離散化、有限元求解、計(jì)算結(jié)果的后處理三部 分。由于結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解時(shí)間及求解結(jié)果的 正確性與否，近年來各軟件開發(fā)商都加大了其在網(wǎng)格處理方面的投入，使網(wǎng)格生成的質(zhì)量和效率都有了很大的提高，但在有些方面卻一直沒有得到改進(jìn)，如對(duì)三維實(shí) 體模型進(jìn)行自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分和根據(jù)求解結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃 分，除了個(gè)別商業(yè)軟件做得較好外，大多數(shù)分析軟件仍然沒有此功能。自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分 是指對(duì)三維實(shí)體模型程序能自動(dòng)的劃分出六面體網(wǎng)格單元，現(xiàn)在大多數(shù)軟件都能采用映射、拖拉、掃略等功能生成六面體單元，但這些功能都只能對(duì)簡單規(guī)則模型適 用，對(duì)于復(fù)雜的三維模型則只能采用自動(dòng)四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)生成四面體單元。對(duì)于四面體單元，如果不使用中間節(jié)點(diǎn)，在很多問題中將會(huì)產(chǎn)生不正確的結(jié)果，如果 使用中間節(jié)點(diǎn)將會(huì)引起求解時(shí)間、收斂速度等方面的一系列問題，因此人們迫切的希望自動(dòng)六面體網(wǎng)格功能的出現(xiàn)。自適應(yīng)性網(wǎng)格劃分是指在現(xiàn)有網(wǎng)格基礎(chǔ)上，根據(jù) 有限元計(jì)算結(jié)果估計(jì)計(jì)算誤差、重新劃分網(wǎng)格和再計(jì)算的一個(gè)循環(huán)過程。對(duì)于許多工程實(shí)際問題，在整個(gè)求解過程中，模型的某些區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)變，引起單 元畸變，從而導(dǎo)致求解不能進(jìn)行下去或求解結(jié)果不正確，因此必須進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)重劃分。自適應(yīng)網(wǎng)格往往是許多工程問題如裂紋擴(kuò)展、薄板成形等大應(yīng)變分析的必要 條件。
1.4.3 由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求，許多工程問題如材料的破壞與失效、 裂紋擴(kuò)展等僅靠線性理論根本不能解決，必須進(jìn)行非線性分析求 解，例如薄板成形就要求同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變（幾何非線性）和塑性（材料非線性）；而對(duì)塑料、橡膠、陶瓷、混凝土及巖土等材料進(jìn)行分析或需考慮材 料的塑性、蠕變效應(yīng)時(shí)則必須考慮材料非線性。眾所周知，非線性問題的求解是很復(fù)雜的，它不僅涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題，還必須掌握一定的理論知識(shí)和求解技 巧，學(xué)習(xí)起來也較為困難。為此國外一些公司花費(fèi)了大量的人力和物力開發(fā)非線性求解分析軟件，如ADINA、ABAQUS等。它們的共同特點(diǎn)是具有高效的非 線性求解器、豐富而實(shí)用的非線性材料庫，ADINA還同時(shí)具有隱式和顯式兩種時(shí)間積分方法。
1.4.4 由單一結(jié)構(gòu)場(chǎng)求解發(fā)展到耦合場(chǎng)問題的求解
有限元分析方法最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，主要用來求解線性結(jié)構(gòu)問題，實(shí)踐證明這是一種非常有效 的數(shù)值分析方法。而且從理論上也已經(jīng)證明，只要用于離散求解 對(duì)象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值。現(xiàn)在用于求解結(jié)構(gòu)線性問題的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)非線性、流體動(dòng)力學(xué)和耦合場(chǎng) 問題的求解。例如由于摩擦接觸而產(chǎn)生的熱問題，金屬成形時(shí)由于塑性功而產(chǎn)生的熱問題,需要結(jié)構(gòu)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即"熱力耦合"的 問題。當(dāng)流體在彎管中流動(dòng)時(shí)，流體壓力會(huì)使彎管產(chǎn)生變形，而管的變形又反過來影響到流體的流動(dòng)……這就需要對(duì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)和流場(chǎng)的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解， 即所謂"流固耦合"的問題。由于有限元的應(yīng)用越來越深入，人們關(guān)注的問題越來越復(fù)雜，耦合場(chǎng)的求解必定成為CAE軟件的發(fā)展方向。
1.4.5 程序面向用戶的開放性
隨著商業(yè)化的提高，各軟件開發(fā)商為了擴(kuò)大自己的市場(chǎng)份額，滿足用戶的需求，在軟件的功能、易用 性等方面花費(fèi)了大量的投資，但由于用戶的要求千差萬別，不管 他們?cè)鯓优σ膊豢赡軡M足所有用戶的要求，因此必須給用戶一個(gè)開放的環(huán)境，允許用戶根據(jù)自己的實(shí)際情況對(duì)軟件進(jìn)行擴(kuò)充，包括用戶自定義單元特性、用戶自定 義材料本構(gòu)（結(jié)構(gòu)本構(gòu)、熱本構(gòu)、流體本構(gòu)）、用戶自定義流場(chǎng)邊界條件、用戶自定義結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)和裂紋擴(kuò)展規(guī)律等等。
關(guān)注有限元的理論發(fā)展，采用最先進(jìn)的算法技術(shù)，擴(kuò)充軟件的性能，提高軟件性能以滿足用戶不斷增長的需求，是CAE軟件開發(fā)商的主攻目標(biāo)，也是其產(chǎn)品持續(xù)占有市場(chǎng)，求得生存和發(fā)展的根本之道。
1.5 ANSYS的主要功能
ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，目前，有限元法從它最初應(yīng)用的固體力學(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)推廣到溫度場(chǎng)、流體場(chǎng)、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等其他連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域。在固體力學(xué)領(lǐng)域，有限元法不僅可以用于線性靜力分析，也可以用于動(dòng)態(tài)分析，還可以用于非線性、熱應(yīng)力、接觸、蠕變、斷裂、加工模擬、碰撞模擬等特殊問題的研究。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。
前處理模塊
前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。ANSYS的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。
分析計(jì)算模塊
分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。
后處理模塊
后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了200種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。
第2章 課題任務(wù)和分析方法
2.1課題的研究背景及意義
柴油機(jī)連桿組的功用是將作用在活塞上的氣體壓力傳遞給曲軸，并將活
塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連桿小頭和活塞一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連
桿大頭與曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿桿身作復(fù)雜的平面擺動(dòng)。連桿是發(fā)動(dòng)
機(jī)的一個(gè)重要組成部分，工作中經(jīng)受拉伸，壓縮和彎曲等交變載荷的作用。
其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件惡劣，對(duì)連桿組的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很困難的工
程。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法使用的材料力學(xué)公式很難計(jì)算出這種復(fù)雜構(gòu)件的應(yīng)力和變
形狀態(tài)，而有限元法以其獨(dú)特的特點(diǎn)，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)形狀和受載方式復(fù)雜的構(gòu)
件進(jìn)行分析，被廣泛地應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)工程中。
連桿必須具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度和疲勞強(qiáng)度。即在力的作用下，桿身不
應(yīng)該被顯著壓彎；連桿大小頭孔應(yīng)該不致顯著失圓。桿身彎曲會(huì)使活塞相對(duì)
于氣缸、軸襯相對(duì)于軸頸發(fā)生歪斜；孔的失圓會(huì)使軸承失去正常配合。如果
連桿的剛度不足，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中一旦發(fā)生連桿桿身、大端蓋和連桿螺栓斷裂，
就會(huì)使柴油機(jī)遭到嚴(yán)重的破壞。近年來，國內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)行業(yè)從業(yè)者及學(xué)者對(duì)
柴油機(jī)連桿的有限元分析進(jìn)行了大量的研究，歸納起來主要集中在以下幾個(gè)
方面：連桿有限元強(qiáng)度應(yīng)力分析、可靠性分析、動(dòng)響應(yīng)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)。
連桿是不規(guī)則的空間結(jié)構(gòu)，對(duì)連桿的有限元分析經(jīng)歷了從二維到三維，從簡
化模型到裝配模型的過程，目前關(guān)于連桿的有限元分析一般都是基于結(jié)構(gòu)的
三維實(shí)體模型進(jìn)行的，隨著有限元技術(shù)與商業(yè)軟件的不斷完善，許多研究人
員已經(jīng)開始使用接觸有限元法進(jìn)行連桿的應(yīng)力分析并取得了很多可貴的成
果，連桿的精細(xì)有限元分析是人們?cè)絹碓疥P(guān)注的問題。
2.2課題任務(wù)
利用有限元軟件ANSYS10.0的結(jié)構(gòu)分析模塊對(duì)柴油機(jī)連桿進(jìn)行有限元分析。通過建立柴油機(jī)連桿的幾何模型、有限元模型，對(duì)分析模型進(jìn)行平面靜力分析和柴油機(jī)連桿分析，學(xué)會(huì)對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化。
2.3分析方法
選擇網(wǎng)格類型、劃分網(wǎng)格
定義邊界條件、加載
創(chuàng)建模型
定義材料屬性、單元類型
做結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析
獲取應(yīng)力分布
拾取應(yīng)變值
仿真分析
結(jié)束仿真
結(jié)束
改變實(shí)體參數(shù)
依照?qǐng)D示的此種方法對(duì)柴油機(jī)連桿柴油機(jī)連桿應(yīng)力進(jìn)行仿真分析。在分析柴油機(jī)連桿的應(yīng)力是需要注意的是右圖在劃分網(wǎng)格類型和定義邊界條件中間所應(yīng)夾一接觸對(duì)的建立的方框，對(duì)于應(yīng)力仿真分析大致與右圖的分析方法一致。
2.4本課題的研究方法
由于ANSYS自身的建模比較繁瑣，采用借助第三方3D設(shè)計(jì)軟件建立模型，然后導(dǎo)入到ANSYS分析，也是目前比較公認(rèn)的快捷方法。本課題借助PROE設(shè)計(jì)3D模型。
第3章 連桿受拉工況分析
3. 1 問題的簡化
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。為了計(jì)算方便,計(jì)算時(shí)把連桿與大頭和大頭蓋作為整體處理。
3. 2 幾何形狀的簡化
本軟件首先把連桿的外緣作為求解區(qū)域,然后把連桿區(qū)分成若干厚度近似的區(qū)域,再按不同區(qū)域劃分單元,把每個(gè)區(qū)域的平均厚度確定為該區(qū)域的厚度數(shù)據(jù)。單元形狀采用8 節(jié)點(diǎn)等參元。自動(dòng)前處理的核心是有限元的自動(dòng)劃分和邊界點(diǎn)自動(dòng)搜索。自動(dòng)劃分出的單元不能有畸變,其面積必須大于零,且單元之間又不能出現(xiàn)縫隙。因此劃分單元前須在計(jì)算域上選定若干特征點(diǎn),由這些特征點(diǎn)生成若干條互不相交的特征線,在此基礎(chǔ)上再生成有限元網(wǎng)格。當(dāng)然上述工作也是由程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。邊界點(diǎn)的確認(rèn)是載荷自動(dòng)處理的前提,也是后處理繪制計(jì)算結(jié)果的起點(diǎn)。根據(jù)8 節(jié)單元的形態(tài),可以確認(rèn)邊界上的點(diǎn)只能為一個(gè)或兩個(gè)單元所共用,而內(nèi)部點(diǎn)至少為兩個(gè)以上單元所共用。由此即可自動(dòng)搜索出所有邊界點(diǎn)。
3. 3 計(jì)算工況的選擇
本軟件可以計(jì)算最大受拉、壓兩種工況下的連桿應(yīng)力和變形。
(1) 最大受拉工況:取進(jìn)氣開始時(shí)刻的最大慣性載荷作為連桿的最大受拉工況,此連桿小頭受到的是活塞組W1 的最大往復(fù)慣性力:
連桿大頭則是承受活塞組W1 和連桿小頭W2 往復(fù)慣性力及連桿大頭W3 產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)慣性力:
式中 PJ1max , PJ2max , P3 分別為活塞組、連桿小頭和連桿大頭的慣性力;W1 、W2 、W3分別為活塞組、連桿小頭和連桿大頭的重量;λ= rPl 為曲柄半徑和連桿長度之比;ω為曲軸角速度; g 為重力加速度。
（2) 最大受壓工況:氣缸內(nèi)氣體最大爆發(fā)壓力的一瞬間,此時(shí)連桿承受最大壓力以及活塞組和連桿本身的慣性力。這時(shí)連桿小頭載荷為:
Pk1 = Pzmax - PJ1max (3)
連桿大頭載荷為:
Pk2 = Pzmax - ( Pj1max + Pj2max + P3 ) (4)
式中 Pzmax為氣缸內(nèi)最大氣體爆發(fā)壓力。
3. 4 表面載荷的處理
上述最惡劣工況的拉力或壓力都是由活塞銷(或連桿軸頸) 通過襯套(或軸瓦) 傳遞給連桿的小頭或大頭的。假設(shè)載荷分布在張角為2A 的圓弧上(見圖1) ,且在接觸面的中心分布力密度最大記為PC ,這個(gè)密度隨著張角增大按余弦函數(shù)規(guī)律減少,在接觸面的邊緣,即張角為A 處,力密度降低為零。
若記張角為β處的表面力密度為Pβ ,則力的密度分布規(guī)律為:
設(shè)已知的對(duì)單位厚度連桿的拉力(或壓力) 為P ,根據(jù)力平衡原則有:
解之得
求得力密度后就可以得到張角為β1 、β2 間的一段弧上表面力的合力的兩個(gè)方向的分量:
用有限元法計(jì)算時(shí)需把上述接觸表面的作用力化成為節(jié)點(diǎn)力。
第4章 柴油機(jī)連桿研究對(duì)象
4.1 柴油機(jī)連桿模型研究對(duì)象
本文以某柴油機(jī)廠生產(chǎn)的195 柴油機(jī)連桿為研究對(duì)象，建立了連桿軸的三維有限元分析模型，采用對(duì)連桿進(jìn)行有限元分析，得出了連桿的應(yīng)力分布情況，并與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，以驗(yàn)證模型和計(jì)算方法的有效性。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)連桿的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)連桿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了原連桿可靠性低的問題。
4.2 柴油機(jī)連桿3D模型建立及處理
建立準(zhǔn)確、可靠的計(jì)算模型，是應(yīng)用有限元法進(jìn)行分析的重要步驟之一。在進(jìn)行有限元分析之前，應(yīng)盡量按照構(gòu)件真實(shí)的尺寸和外觀來建立有限元分析模型，但對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，完全按照實(shí)物結(jié)構(gòu)來建立計(jì)算模型，進(jìn)行有限元分析有時(shí)會(huì)變得非常困難，甚至是不可能的，因此在不影響計(jì)算完整性的前提下可對(duì)構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?。?jì)算模型簡化的結(jié)果，只能近似地反映實(shí)際情況，或者說，計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果在不同程度上存在著誤差。一般說來，因模型帶來的誤差遠(yuǎn)比有限元計(jì)算方法本身帶來的誤差大得多。所以，結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。
本課題研究使用PROE作為研究建立3D模型，建立的3D模型如下：
建立準(zhǔn)確、可靠的計(jì)算模型，是應(yīng)用有限元法進(jìn)行分析的重要步驟之一。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，應(yīng)盡量按照實(shí)物來建立有限元分析模型，但對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體，完全按照實(shí)物結(jié)構(gòu)來建立計(jì)算模型、進(jìn)行有限元分析有時(shí)會(huì)變得非常困難，甚至是不可能的，因此可進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?。?jì)算模型簡化的結(jié)果，只能近似地反映實(shí)際情況，或者說，計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果在不同程度上存在著誤差。一般來說，因模型帶來的誤差要比有限元計(jì)算方法本身的誤差大得多。所以，結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。為了較準(zhǔn)確地計(jì)算出連桿的應(yīng)力情況，本文的連桿計(jì)算模型只對(duì)連桿螺栓做了簡化處理：包括將連桿大頭看成一個(gè)整體，不考慮連桿螺栓，根據(jù)連桿的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立三維計(jì)算模型，包括連桿體、連桿蓋、活塞銷、連桿頸的模型。
修改后的3D模型如下圖所示。
4.3 邊界條件
根據(jù)該型號(hào)工廠提供的參數(shù)得到如下條件：
工作載荷
氣缸爆發(fā)壓力：Pg=p×πD2=131.4KN 式中：p為氣缸內(nèi)壓強(qiáng)；D為缸徑
慣性力：
連桿小頭慣性力，
Pj=16.8KN，與發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速（3000rpm）相對(duì)應(yīng)。
連桿大頭慣性力，
Pj=30.9KN，與發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速（3000rpm）相對(duì)應(yīng)
表1列出了計(jì)算中采用的材料性能數(shù)據(jù)。
零件
材料
彈性模量E(N/mm2)
泊松比μ
抗拉強(qiáng)度σb(Mpa)
疲勞強(qiáng)度σ-1(Mpa)
連桿
40Cr
206000
0.3
890
350
第5章 柴油機(jī)連桿的有限元分析
5.1有限元分析的基本步驟
預(yù)處理階段：
（1）建立求解域并將之離散化成有限元，即將問題分解成節(jié)點(diǎn)和單元。
（2）假設(shè)代表單元物理行為的形函數(shù)，即假設(shè)代表單元解的近似連續(xù)函數(shù)。
（3）對(duì)單元建立方程。
（4）將單元組合成總體的問題，構(gòu)造總體剛度矩陣。
（5）應(yīng)用邊界條件、初值條件和負(fù)荷。
解決階段：
（6）求解線性或非線性的微分方程組，以得到節(jié)點(diǎn)的值。
后處理階段：
（7）得到其他重要的信息。
5.2 有限元分析過程與步驟
5.2.1 轉(zhuǎn)換模型格式
需要把UG的模型轉(zhuǎn)化為ANSYS可以讀取的方式。選擇保存方式為*.x_t格式的文件。
1、從程序中啟動(dòng)ANSYS10.0的界面。
2、打開ANSYS窗口。
3、ANSYS分析目錄一旦設(shè)定好，以后ANSYS軟件操作所產(chǎn)生的所有文件都將存放在此目錄下，建議對(duì)不同的分析用不同的工作目錄，這樣可確保每次分析所產(chǎn)生的文件不會(huì)覆蓋的危險(xiǎn)。如果沒有指定工作目錄，默認(rèn)的工作目錄為系統(tǒng)所在盤的根目錄。工作目錄設(shè)置方式有兩種：
l 在進(jìn)入ANSYS軟件之前通過入口選項(xiàng)所進(jìn)行的設(shè)置；
l 進(jìn)入ANSYS軟件后，可通過如下方法實(shí)現(xiàn)：
? 命令方式：在命令輸入窗口中輸入/CWD, DIRPATH（重新指定的工作目錄）；
? GUI方式：Utility Menu>Change Directory，在彈出的對(duì)話框中填入指定的工作目錄，單擊【確定】按鈕。如圖所示。
調(diào)入我們剛才保存的*.x_t文件。
6、建立結(jié)構(gòu)分析模式。命令方式：/KEYW（重新指定的分析標(biāo)題）；
GUI方式：Main Menu>Preference，在彈出的如圖所示的對(duì)話框中框中選取某個(gè)選項(xiàng)使以后出現(xiàn)的圖形界面中過濾掉與選定分析選項(xiàng)無關(guān)模塊的內(nèi)容，本書主要講述結(jié)構(gòu)分析，因此選取Structural(結(jié)構(gòu))
7、選取和定義單元.下面將給出添加單元類型具體的GUI操作路徑，對(duì)于單元的選項(xiàng)，由于和具體的單元類型有關(guān)，在這里將不做具體的介紹。此處以添加PLANE42單元作為例子來介紹添加單元的操作步驟。
5.2.2 具體操作步驟如下
依次選擇Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，彈出Element Types(單元類型)對(duì)話框，如圖所示。
如果想改變單元的其他輸入選項(xiàng)（即上文提及的KEYOPTs）單擊【Options…】按鈕。出現(xiàn)如圖所示的element type options（單元類型選項(xiàng)）對(duì)話框。
確定后單擊【OK】按鈕，如有需要了解各設(shè)置的具體說明，可查看ANSYS幫助文件。
返回到如圖所示的對(duì)話框后單擊【Close】按鈕，結(jié)束單元類型的添加。
8、定義材料屬性
單擊Main>Preprocessor>Material Props>Material Models彈出定義材料屬性對(duì)話框如圖所示，填入EX： 2.06e5、PRXY：0.3，在Structural下單擊Friction Coefficient彈出如圖所示對(duì)話框，填入Mu：0.3.，至此材料屬性定義完成，下一步進(jìn)入網(wǎng)格劃分。
9、網(wǎng)格劃分
實(shí)體建模的最終目的劃分網(wǎng)格以生成節(jié)點(diǎn)和單元，生成節(jié)點(diǎn)和單元的網(wǎng)格劃分過程分為兩個(gè)步驟：（1）定義單元屬性；（2）定義網(wǎng)格生成控制并生成網(wǎng)格。
10、求解與加載
在面上施加約束：Main Menu—Solution—Define Loads—Apply—Structural—Displacement—On Aears，彈出一個(gè)拾取框，在圖形上拾取面，單擊OK按鈕，在Lab2 DOFs to be constrained 后面的選擇欄中選擇ALL DOF項(xiàng)，單擊OK按鈕。
固定約束類型
對(duì)話框提示
3．施加載荷
這里說的“載荷”是一個(gè)廣義的載荷，包括了施加在物體上的邊界條件、初始條件等，例如加在模型上的各種載荷、固定支撐等。如果是動(dòng)力學(xué)分析，還包括速度、加速度等。如果是熱或流體分析。熱源、冷源、層流、湍流等都是施加到模型上的載荷。這些載荷應(yīng)該能夠最直接地反映出物體所處的環(huán)境與物體當(dāng)前的狀態(tài)。本文具體研究了如何對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)施加載荷。首先，對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行受力分析，轉(zhuǎn)向節(jié)大軸頸處受到輪胎經(jīng)軸承傳遞過來的法向反力和切向反力.
具體操作如下：
Main Menu—Solution—Define Loads—Apply—Pressure——On Aears，彈出一個(gè)拾取框，在圖形上拾取編號(hào)為164的面，單擊Apply按鈕，彈出Apply PRES on areas 對(duì)話框，在 Load PRES value 后面的輸入欄里輸入載荷， 單擊OK按鈕。
施加力約束
繼續(xù)施加載荷，Main Menu—Solution—Define Loads—Apply—Pressure—On Aears，彈出一個(gè)拾取框，在圖形選面，單擊Apply按鈕，彈出Apply PRES on areas 對(duì)話框，在 Load PRES value 后面的輸入欄里輸入數(shù)據(jù), 單擊OK按鈕。
施加力的圖（放大模式）
靜態(tài)分析設(shè)置
求解方法設(shè)置
求解結(jié)果提示。
Main Menu—Solution—Solve—CurrentLS，開始求解運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果為：
5.2.3 后處理圖解
顯示節(jié)點(diǎn)位移云圖
Main Menu—General Postproc—Polt Results—Contour Plot—Nodal Solu，彈出Contour Nodal Solution Data對(duì)話框，在 Item to be Contoured中選擇 DOF Solution—Displacement vector sum，單擊OK按鈕。得到節(jié)點(diǎn)位移云圖如圖所示。
Main Menu—General Postproc—Polt Results—Contour Plot—Nodal Solu，彈出Contour Nodal Solution Data對(duì)話框，在 Item to be Contoured中選擇 DOF Solution—X-Componentof displacement，單擊OK按鈕。得到節(jié)點(diǎn)位移云圖如圖所示。
Main Menu—General Postproc—Polt Results—Contour Plot—Nodal Solu，彈出Contour Nodal Solution Data對(duì)話框，在 Item to be Contoured中選擇 DOF Solution—Y-Componentof displacement，單擊OK按鈕。得到節(jié)點(diǎn)位移云圖如圖所示。
Main Menu—General Postproc—Polt Results—Contour Plot—Nodal Solu，彈出Contour Nodal Solution Data對(duì)話框，在 Item to be Contoured中選擇 DOF Solution—Z-Componentof displacement，單擊OK按鈕。得到節(jié)點(diǎn)位移云圖如圖所示。
顯示節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖：Main Menu—General Postproc—Polt Results—Contour Plot—Nodal Solu，彈出Contour Nodal Solution Data對(duì)話框，在 Item to be Contoured中選擇 Stress—Von Mises Stress ，單擊OK按鈕。
顯示節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖：Main Menu—General Postproc—Polt Results—Contour Plot—Nodal Solu，彈出Contour Nodal Solution Data對(duì)話框，在 Item to be Contoured中選擇 Stress—Stress intensity，單擊OK按鈕。
5.2.4 總結(jié)和柴油機(jī)連桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析
本文通過對(duì)柴油機(jī)連桿精確建模，進(jìn)而進(jìn)行受拉應(yīng)力分析，得出如下結(jié)論：
通過應(yīng)力云圖可以看出柴油機(jī)連桿在中心部位處屬于應(yīng)力集中，最容易發(fā)生破壞。中心部位應(yīng)該加工，也說明中間部位材料比較厚實(shí)的正確性和合理性質(zhì)。
從而也證明了在ANSYS中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析的正確性，從而可以大大減少試驗(yàn)費(fèi)用，降低成本，為齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的的基礎(chǔ)，進(jìn)而可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)或者優(yōu)化材料和工藝，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、材料和工藝的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
總結(jié)與展望
一、總結(jié)
首先通過對(duì)柴油機(jī)連桿的彈性特性進(jìn)行分析，熟悉柴油機(jī)連桿的組成和類別。
然后研究一些對(duì)汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性有影響的因素，并通過對(duì)這些因素的分析和研究，綜合考慮各個(gè)因素，要清楚地知道所要設(shè)計(jì)的懸架應(yīng)符合的要求。
最后，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行繪圖，并對(duì)所設(shè)計(jì)的柴油機(jī)連桿通過研究分析，本文基本上完成了預(yù)定的任務(wù)，設(shè)計(jì)出比較合理的柴油機(jī)連桿懸架。
二、今后研究方向
（1）柴油機(jī)連桿懸架的應(yīng)用未來前景如何。
（2）如何將分析應(yīng)用到具體實(shí)踐當(dāng)中，去指導(dǎo)實(shí)踐。
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致 謝
在這個(gè)我的四年求學(xué)生涯即將結(jié)束的日子，在我的畢業(yè)論文即將完成的時(shí)刻，我想這一片謝辭或許能夠表達(dá)我的現(xiàn)在最真實(shí)的感受。
回想起我剛剛開始準(zhǔn)備寫我的畢業(yè)論文的時(shí)候，真是天真，總是以為自己即便不是天才，也不會(huì)太笨，計(jì)劃著畢業(yè)論文可以提前十天，抑或是十五天完成，幻想著ansys和其他軟件一樣簡單，一學(xué)就會(huì)。然而，等到我真正接觸到ansys的時(shí)候明白自己原來犯了一個(gè)多么嚴(yán)重的錯(cuò)誤。純粹的英文，不加一點(diǎn)漢字說明的英文，我該怎樣入門，我迷茫了。多少個(gè)日日夜夜，我和我的同伴、導(dǎo)師，沒有假期，沒有周末，抱著如山的資料，一遍一遍的模擬、重復(fù)，我、我們已經(jīng)數(shù)不清有多少次失敗，多少次心灰意冷，多少次又死灰復(fù)燃，我不知道這是什么，痛苦著，迷茫著，高興著?？傄詾榭佳械臅r(shí)候是最痛苦的時(shí)候，現(xiàn)在看來，做畢業(yè)設(shè)計(jì)的痛苦程度或許是我考研痛苦的三倍、三十倍，不，三百倍。
在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我的指導(dǎo)老師，同我們一起早起晚歸，盡職盡責(zé)。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學(xué)術(shù)目標(biāo)，領(lǐng)會(huì)了基本的思考方式，從論文題目的選定到論文寫作的指導(dǎo),經(jīng)由您悉心的點(diǎn)撥,再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟,常常讓我有“山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村”的感覺。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠摯謝意！