基于ANSYS對柴油機(jī)連桿受拉工況有限元分析【含有限元】【說明書+CAD+PROE】,含有限元,說明書+CAD+PROE,基于ANSYS對柴油機(jī)連桿受拉工況有限元分析【含有限元】【說明書+CAD+PROE】,基于,ansys,對于,柴油機(jī),連桿,工況,有限元分析,有限元,說明書,仿單,cad 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 陳 傳 舉 :男 ,1949 年 ,講 師 ,博 士 收 稿 日 期 :1999 - 05 - 11 文 章 編 號 :1000 - 5080 - (1999) 03 - 0036 - 04 柴 油 機(jī) 連 桿 有 限 元 分 析 軟 件 陳 傳 舉 1 楊 惠 珍 2 陳 東 3 (1. 洛 陽 工 學(xué) 院 機(jī) 設(shè) 工 程 系 ,河 南 洛 陽 471039 ;2. 洛 陽 工 學(xué) 院 計 算 中 心 ,河 南 洛 陽 471039 ;3. 深 圳 鵬 基 公 司 ,廣 東 深 圳 518029) 摘 要 :有 限 元 計 算 是 現(xiàn) 代 設(shè) 計 的 重 要 工 具 ,而 受 設(shè) 計 人 員 歡 迎 的 有 限 元 軟 件 ,不 是 它 包 羅 萬 象 的 功 能 ,而 是 簡 便 易 用 。 本 文 述 及 的 就 是 這 樣 一 種 軟 件 。 關(guān) 鍵 詞 :柴 油 機(jī) ;連 桿 ;有 限 元 資 料 法 分 類 號 : TK423. 32 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識 碼 :A 0 前 言 采 用 有 限 元 素 法 ,可 以 精 確 地 計 算 連 桿 的 應(yīng) 力 和 變 形 。 市 面 上 已 有 多 種 有 限 元 軟 件 ,但 這 些 軟 件 有 兩 個 弱 點(diǎn) ,一 是 系 統(tǒng) 龐 大 ,工 程 技 術(shù) 人 員 大 多 不 愿 意 花 時 間 去 熟 悉 這 些 軟 件 ;二 是 軟 件 的 價 格 昂 貴 ,對 計 算 機(jī) 硬 件 環(huán) 境 和 維 護(hù) 人 員 的 水 平 要 求 高 ,一 般 的 企 業(yè) 很 少 有 使 用 這 種 軟 件 的 條 件 。 基 于 這 種 情 況 ,我 們 開 發(fā) 了 一 套 簡 便 實(shí) 用 的 柴 油 機(jī) 連 桿 有 限 元 分 析 軟 件 ,其 最 大 特 點(diǎn) 是 前 處 理 的 人 機(jī) 界 面 特 別 好 。 設(shè) 計 人 員 根 本 不 需 要 熟 悉 有 限 元 算 法 ,也 無 須 熟 悉 計 算 機(jī) 的 使 用 ,只 要 根 據(jù) 圖 紙 輸 入 相 應(yīng) 的 幾 何 、 材 料 特 征 及 柴 油 機(jī) 工 況 參 數(shù) 后 ,程 序 自 動 進(jìn) 行 有 限 元 網(wǎng) 格 劃 分 ,自 動 處 理 邊 界 條 件 ,最 后 將 計 算 結(jié) 果 自 動 繪 制 出 來 。 該 軟 件 可 與 AUTOCAD 接 口 ,且 自 動 檢 測 輸 入 數(shù) 據(jù) 的 錯 誤 ,深 受 設(shè) 計 人 員 歡 迎 。 1 計 算 工 況 的 選 擇 和 計 算 條 件 的 處 理 1. 1 問 題 的 簡 化 在 內(nèi) 燃 機(jī) 工 作 時 ,連 桿 作 復(fù) 雜 的 平 面 運(yùn) 動 ,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 算 ,即 把 連 桿 的 受 力 狀 態(tài) 固 定 在 工 況 最 惡 劣 的 瞬 時 ,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 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 算 方 便 ,計 算 時 把 連 桿 與 大 頭 和 大 頭 蓋 作 為 整 體 處 理 。 1. 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 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 前 處 理 的 核 心 是 有 限 元 的 自 動 劃 分 和 邊 界 點(diǎn) 自 動 搜 索 。 自 動 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 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 實(shí) 現(xiàn) 的 。 邊 界 點(diǎn) 的 確 認(rèn) 是 載 荷 自 動 處 理 的 前 提 ,也 是 后 處 理 繪 制 計 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 或 兩 個 單 元 所 共 用 ,而 內(nèi) 部 點(diǎn) 至 少 為 兩 個 以 上 單 元 所 共 用 。 由 此 即 可 自 動 搜 索 出 所 有 邊 界 點(diǎn) 。 1. 3 計 算 工 況 的 選 擇 本 軟 件 可 以 計 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 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 : 第 20 卷 第 3 期 洛 陽 工 學(xué) 院 學(xué) 報 Vol. 20 No. 3 1999 年 9 月 Journal of Luoyang Institute of Technology Sept. 1999 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ PJ1max = W1g r 2 (1 + ) (1) 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 : Pj1max + Pj2max + P3 = W1 + W2g r 2 (1 + ) + W3g r 2 (2) 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 ; = rPl 為 曲 柄 半 徑 和 連 桿 長 度 之 比 ; 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 連 桿 承 受 最 大 壓 力 以 及 活 塞 組 和 連 桿 本 身 的 慣 性 力 。 這 時 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 。 圖 1 連 桿 軸 頸 載 荷 簡 化 1. 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 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 處 的 表 面 力 密 度 為 P ,則 力 的 密 度 分 布 規(guī) 律 為 : P = c cos(A 2 ) (5) 設(shè) 已 知 的 對 單 位 厚 度 連 桿 的 拉 力 (或 壓 力 )為 P ,根 據(jù) 力 平 衡 原 則 有 : P = EF P cos ds = A - A rPc cos(A 2 ) cos d (6) 解 之 得 Pc = 2 - 4A2 4A cosA p r (7) 求 得 力 密 度 后 就 可 以 得 到 張 角 為 1 、 2 間 的 一 段 弧 上 表 面 力 的 合 力 的 兩 個 方 向 的 分 量 : P r X = 1 2 rPc cos(A 2 ) cos d (8) P r Y = 2 1 rPc cos(A 2 ) sin d (9) 用 有 限 元 法 計 算 時 需 把 上 述 接 觸 表 面 的 作 用 力 化 成 為 節(jié) 點(diǎn) 力 。 本 軟 件 可 以 自 動 完 成 這 部 分 工 作 , 軟 件 中 取 A = 90 。 連 桿 襯 套 、 軸 瓦 裝 配 過 盈 力 是 由 最 大 過 盈 量 計 算 的 ,熱 膨 脹 所 引 起 的 應(yīng) 力 按 工 作 溫 度 為 130 計 算 ,它 們 的 計 算 公 式 為 厚 壁 圓 筒 理 論 1 。 2 后 處 理 功 能 本 軟 件 的 后 處 理 可 以 根 據(jù) 節(jié) 點(diǎn) 應(yīng) 力 計 算 主 應(yīng) 力 ,然 后 按 文 獻(xiàn) 3 中 的 強(qiáng) 度 理 論 求 出 各 相 當(dāng) 應(yīng) 力 ,并 可 以 求 出 最 大 相 當(dāng) 應(yīng) 力 及 其 位 置 。 使 用 者 只 要 比 較 最 大 相 當(dāng) 應(yīng) 力 和 連 桿 材 料 的 許 用 應(yīng) 力 ,就 可 判 定 連 桿 是 否 滿 足 強(qiáng) 度 要 求 。 后 處 理 還 可 求 出 最 大 變 形 量 ,使 用 者 可 以 由 此 決 定 連 桿 是 否 滿 足 剛 度 要 求 。 后 處 理 的 圖 形 是 以 GKS 為 支 撐 軟 件 的 。 它 可 以 繪 制 連 桿 的 單 元 網(wǎng) 格 圖 及 各 工 況 下 的 應(yīng) 力 圖 和 變 形 圖 。 圖 形 可 以 在 VT240 終 端 上 顯 示 ;也 可 以 在 HP7475A 繪 圖 儀 上 繪 出 。 3 軟 件 的 功 能 該 軟 件 采 用 交 互 式 將 40 多 個 有 關(guān) 連 桿 幾 何 形 狀 、 材 料 特 征 和 計 算 工 況 的 參 數(shù) 輸 入 后 ,軟 件 就 可 進(jìn) 73第 3 期 陳 傳 舉 等 :柴 油 機(jī) 連 桿 有 限 元 分 析 軟 件 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 行 如 下 處 理 : (1)生 成 連 桿 有 限 元 網(wǎng) 格 及 變 厚 度 處 理 等 有 關(guān) 參 數(shù) ; (2)自 動 進(jìn) 行 載 荷 處 理 ; (3)計 算 單 元 剛 度 ; (4) 計 算 節(jié) 點(diǎn) 位 移 ; (5) 計 算 節(jié) 點(diǎn) 應(yīng) 力 ; (6) 計 算 各 節(jié) 點(diǎn) 的 主 應(yīng) 力 ,并 求 出 最 大 主 應(yīng) 力 及 其 位 置 ; (7) 計 算 各 強(qiáng) 度 理 論 中 的 相 當(dāng) 應(yīng) 力 ,并 求 出 最 大 相 當(dāng) 應(yīng) 力 及 其 位 置 ; (8) 繪 制 單 元 網(wǎng) 格 圖 、 邊 界 應(yīng) 力 圖 和 邊 界 變 形 圖 。 程 序 結(jié) 構(gòu) 見 圖 2。 圖 2 程 序 結(jié) 構(gòu) 圖 4 LR6105 增 壓 柴 油 機(jī) 連 桿 的 計 算 4. 1 發(fā) 動 機(jī) 的 主 要 原 始 數(shù) 據(jù) 缸 徑 D = 105mm ,沖 程 S = 125mm ,最 高 轉(zhuǎn) 速 n = 3024 rPmin ,最 大 爆 發(fā) 壓 力 Pz = 12MPa ,活 塞 組 重 量 W1 = 1790g , 連 桿 大 頭 重 量 W3 = 1489g ,連 桿 小 頭 重 量 W2 = 580g ,材 料 為 精 選 45 # 鋼 (調(diào) 質(zhì) 處 理 ) ,連 桿 小 頭 襯 套 材 料 為 鋼 背 銅 鉛 合 金 ,連 桿 大 頭 軸 瓦 材 料 為 鋼 背 20 高 錫 鉛 合 金 。 有 關(guān) 連 桿 的 幾 何 參 數(shù) 和 材 料 參 數(shù) 查 圖 紙 和 文 獻(xiàn) 3 得 出 。 4. 2 計 算 結(jié) 果 及 其 分 析 計 算 時 ,首 先 輸 入 40 多 個 描 述 連 桿 材 料 和 幾 何 形 狀 的 參 數(shù) ,軟 件 自 動 劃 分 網(wǎng) 絡(luò) (圖 3) ,然 后 自 動 計 算 。 計 算 結(jié) 果 存 在 文 件 中 ,它 包 括 :連 桿 網(wǎng) 格 各 節(jié) 點(diǎn) 的 幾 何 坐 標(biāo) 、 變 形 量 ,應(yīng) 力 值 ,并 可 求 出 連 桿 最 大 變 形 和 應(yīng) 力 值 及 其 所 在 位 置 。 使 用 者 可 根 據(jù) 自 己 的 要 求 畫 出 連 桿 受 載 后 的 變 形 圖 和 應(yīng) 力 圖 。 這 次 計 算 的 LR6105 增 壓 柴 油 連 桿 的 結(jié) 果 見 圖 4 ,計 算 得 到 的 最 大 應(yīng) 力 為 : (1) 受 拉 工 況 ,按 第 一 強(qiáng) 度 理 論 求 出 的 相 當(dāng) 應(yīng) 力 的 最 大 值 d1max = 328MPa。 (2)受 壓 工 況 ,按 第 三 強(qiáng) 度 理 論 求 出 的 相 當(dāng) 應(yīng) 力 的 最 大 值 d3max = 415. 2MPa。 圖 3 LR6105 增 壓 柴 油 機(jī) 連 桿 有 限 元 分 析 網(wǎng) 絡(luò) 圖 圖 4 LR6105 增 壓 柴 油 機(jī) 連 桿 受 壓 時 應(yīng) 力 圖 (A 點(diǎn) 應(yīng) 力 最 大 ) 根 據(jù) 計 算 結(jié) 果 可 知 , (1)連 桿 桿 身 兩 側(cè) 所 受 應(yīng) 力 不 對 稱 。 現(xiàn) 有 的 許 多 資 料 均 未 講 到 這 個 現(xiàn) 象 。 我 們 分 析 認(rèn) 為 :連 桿 大 頭 的 剛 度 不 對 稱 對 連 桿 桿 身 的 受 力 有 影 響 ,導(dǎo) 致 桿 身 的 應(yīng) 力 不 等 。 由 此 也 說 明 把 連 桿 大 小 頭 分 開 計 算 ,誤 差 較 大 。 (2) 連 桿 應(yīng) 力 的 分 布 趨 勢 和 最 大 應(yīng) 力 位 置 與 文 獻(xiàn) 1 2 一 致 。 由 文 獻(xiàn) 1 2 可 知 本 軟 件 采 用 的 計 算 方 法 ,對 于 小 頭 和 桿 身 ,計 算 結(jié) 果 與 實(shí) 驗(yàn) 測 定 的 應(yīng) 力 接 近 ;對 于 連 桿 大 頭 , 由 于 簡 化 較 多 ,計 算 結(jié) 果 有 一 定 的 誤 差 ,但 作 為 設(shè) 計 中 選 擇 結(jié) 構(gòu) 方 案 ,進(jìn) 行 多 方 案 比 較 ,仍 為 一 個 好 方 法 。 LR6105 增 壓 柴 油 機(jī) 在 最 大 受 壓 工 況 時 ,連 桿 小 頭 (圖 4 中 的 A 點(diǎn) 處 )的 最 大 應(yīng) 力 為 max = 415. 2MPa , 連 桿 材 料 的 屈 服 極 限 s = 500MPa ,由 此 可 知 該 連 桿 的 安 全 系 數(shù) 為 n = sP max = 1. 20 ,文 獻(xiàn) 1 2 均 推 薦 連 桿 安 全 系 數(shù) n = 1. 5 ,因 此 該 連 桿 比 較 危 險 。 83 洛 陽 工 學(xué) 院 學(xué) 報 1999 年 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 在 上 述 計 算 結(jié) 果 的 基 礎(chǔ) 上 ,重 新 設(shè) 計 了 連 桿 ,并 以 此 做 了 光 彈 實(shí) 驗(yàn) 。 計 算 出 的 軸 向 變 形 值 與 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 有 些 偏 差 ,對 計 算 過 程 又 重 新 分 析 ,發(fā) 現(xiàn) 約 束 點(diǎn) 應(yīng) 選 在 A 點(diǎn) 和 C 點(diǎn) ,見 圖 3。 因 實(shí) 際 工 況 中 C 點(diǎn) 的 軸 向 位 移 為 零 ,而 B 點(diǎn) 的 軸 向 位 移 不 為 零 。 在 這 種 約 束 條 件 基 礎(chǔ) 上 再 做 計 算 ,小 頭 與 桿 身 的 計 算 結(jié) 果 與 實(shí) 驗(yàn) 值 非 常 一 致 。 這 說 明 現(xiàn) 有 的 連 桿 計 算 資 料 中 以 B 點(diǎn) 為 約 束 點(diǎn) 誤 差 較 大 ,不 易 采 用 。 上 面 通 過 計 算 選 擇 的 連 桿 形 狀 ,已 成 功 地 應(yīng) 用 在 LR6105 增 壓 柴 油 機(jī) 的 設(shè) 計 上 。 對 于 連 桿 大 頭 ,現(xiàn) 有 資 料 介 紹 的 各 種 計 算 方 法 均 有 一 定 的 誤 差 ,本 文 的 計 算 結(jié) 果 值 也 偏 小 ,建 議 做 些 試 驗(yàn) ,以 便 更 好 地 完 善 該 軟 件 。 參 考 文 獻(xiàn) 1 柴 油 機(jī) 設(shè) 計 手 冊 編 委 會 . 柴 油 機(jī) 設(shè) 計 手 冊 (下 ) . 北 京 :中 國 農(nóng) 機(jī) 出 版 社 ,1988 2 內(nèi) 燃 機(jī) 雜 志 編 輯 部 . 內(nèi) 燃 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 強(qiáng) 度 研 究 . 北 京 :機(jī) 械 工 業(yè) 出 版 社 ,1987 3 劉 鴻 文 . 材 料 力 學(xué) . 北 京 :人 民 教 育 出 版 社 ,1982 4 上 海 內(nèi) 燃 機(jī) 研 究 所 . 英 國 里 卡 多 公 司 內(nèi) 燃 機(jī) 咨 詢 會 資 料 匯 編 . 北 京 :機(jī) 械 工 業(yè) 出 版 社 ,1980 A Finite Element Analysis Program for Connecting Rod of Diesel CHEN Chuanju1 YANG Huizhen2 CHEN Dong3 (1. Dep. of Mach. Des. Eng. ,Luoyang Inst. of Technol. ;2. Comput. Center ,Luoyang Inst. of Technol. , Luoyang 471039 ,China ;3. Shenzhen Pengzi Ind. Dev. Co. ,Shenzhen 518029 ,China) Abstract : A finite element analysis program for connecting rod of diesel was recently developped. With automatically drawing , pre2and after2 treating , the program is so easy to use that a designer dose not to know what finite element methode is. Key words : Diesel engines ; Connecting rods ; Finite elements 93第 3 期 陳 傳 舉 等 :柴 油 機(jī) 連 桿 有 限 元 分 析 軟 件