大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的有限元仿真分析

摘 要：通過查閱大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的各項(xiàng)參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)的工況，利用三維軟件 CATIA V5 R20建立大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的三維模型，對其施加約束、邊界條件和網(wǎng)格劃分，最后將連桿的三維模型導(dǎo)入有限元軟件ANSYSY進(jìn)行仿真分析，以及計(jì)算該連桿在最大拉伸和最大壓縮兩種工況下的受力情況。研究分析表明：大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿在壓縮時(shí)最大應(yīng)力處于小頭孔的下端，其最大應(yīng)力為497.692MPa，最大形變?yōu)?.174254；拉伸時(shí)最大應(yīng)力處于小頭孔兩端開始與桿身過度的位置，其最大應(yīng)力為111.029 MPa，最大形變?yōu)?.017659mm。由此可以得出，該連桿的設(shè)計(jì)是可行的，并為連桿的進(jìn)一步優(yōu)化分析提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大功率，發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，仿真軟件ANSYS，仿真分析

1. 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的運(yùn)動(dòng)分析

本文以大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿作為研究對象，連桿主要由連桿體、連桿蓋、連桿螺栓、連桿軸瓦等構(gòu)成[5-6]。由于連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞力的重要零部件，同時(shí)也可以將活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[7]。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)的過程中，連桿承受著各種負(fù)載，因此，對大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿進(jìn)行有限元的仿真分析具有很重要的意義。

對發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的輕量化分析有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，以此同時(shí)也會(huì)在允許的范圍內(nèi)減輕質(zhì)量對發(fā)動(dòng)機(jī)整體的重量也會(huì)隨之降低，相應(yīng)的振動(dòng)和噪音都會(huì)隨之降低。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒燃料產(chǎn)生力，并通過連桿將力傳送給曲軸，曲軸帶動(dòng)飛輪將動(dòng)力輸出。以此同時(shí)，在燃料產(chǎn)生的爆炸時(shí)，由于只活塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，通過連桿可以將活塞的直線運(yùn)動(dòng)傳遞給曲，使得曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。那么連桿在運(yùn)動(dòng)時(shí)主要受到活塞銷傳來的氣體作用力和活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力。

連桿桿身承受周期性交變載荷的作用，對其剛度和強(qiáng)度都有很高的要求。工程機(jī)械上如果要在一定質(zhì)量下獲得較大的剛度，一般將物體的形狀做成“工”字形斷面，為了使活塞產(chǎn)生的氣體力小頭到大頭的能夠逐漸地過度，在發(fā)動(dòng)機(jī)連桿桿身設(shè)計(jì)時(shí)一般是將連桿小頭到連桿大頭逐漸過渡的方法使其傳力均勻。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的示意圖如圖1所示。

經(jīng)過仔細(xì)分析與相關(guān)的軟件分析，拉伸和壓縮是連桿受到的基本載荷，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到進(jìn)氣沖程開始的上止點(diǎn)時(shí)，這時(shí)連桿承受最大拉力；當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到膨脹沖程開始的上止點(diǎn)時(shí)，連桿承受最大壓縮力，其數(shù)值是爆發(fā)力產(chǎn)生的推力減去前述的慣性力。在一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)中，連桿做的是復(fù)合運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也在不停的承受交變載荷的作用。為曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2所示。

2.連桿的有限元分析

通過建模軟件CATIA對大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿進(jìn)行三維建模，然后將模型導(dǎo)入有限元軟件ANSYS中進(jìn)行仿真分析，連桿采用45#鋼作為材料，其材料的特性參數(shù)為：密度為7.8x103 kg？m-3，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為550 Mpa，彈性模量為200 Gpa。在ANSYS軟件允許的范圍內(nèi)，可以合理的對模型進(jìn)行一定的簡化。

2.1網(wǎng)格劃分和邊界條件

在對模型分析之前需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小方式必須根據(jù)模型的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。由于大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，過渡圓弧與圓角在連桿結(jié)構(gòu)中存在較多，利用劃分網(wǎng)格工具需要進(jìn)行處理的細(xì)節(jié)較多，劃分出來的網(wǎng)格單元體形狀種類太多，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)過多，分析時(shí)計(jì)算機(jī)需要計(jì)算的地方太多太復(fù)雜，不僅增加了計(jì)算時(shí)間，對計(jì)算機(jī)本身的配置要求也提高了不少。

首先選定網(wǎng)格劃分系數(shù)，分析軟件自帶的分析計(jì)算功能會(huì)對理網(wǎng)格類型進(jìn)行估計(jì)并自動(dòng)劃分，有限元軟件的網(wǎng)格劃分系數(shù)有 10 個(gè)等級(jí)，其中 1 級(jí)的劃分精度最高，10 級(jí)最粗略。本文選擇的網(wǎng)格劃分系數(shù)為 5，這樣不僅符合連桿的分析計(jì)算精度，同時(shí)也為計(jì)算機(jī)節(jié)省了空間，計(jì)算時(shí)間也大為縮短。智能網(wǎng)格化分其結(jié)果如圖3所示。

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，需要對模型進(jìn)行邊界條件的選取，有限元分析計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)受到邊界條件選取的影響；本次優(yōu)化分析時(shí)，選擇的計(jì)算工況在最大受力位置，因?yàn)檫B桿在工作時(shí)作平面運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)度分析中連桿變形也是自身相對變形。本文在連桿受到最大壓力時(shí)，曲柄銷假定當(dāng)著剛體進(jìn)行固定，在連桿蓋上內(nèi)表面上 1800圓柱面上施加徑向約束；連桿受到最大拉力時(shí)：徑向約束施加在連桿大頭內(nèi)側(cè)下部 1800圓柱面上，為了保證模型的所有約束得到保證，對稱約束會(huì)施加到連桿寬度方向上，分析模型就是這樣被完全約束了

2.2有限元分析結(jié)果

通過對大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿受到最大的拉伸和壓縮的情況下進(jìn)行有限元仿真分析，其分析結(jié)果如圖4和圖5所示：

從圖4中可以看出，連桿壓縮時(shí)，最大應(yīng)力處出現(xiàn)在大頭孔兩側(cè)區(qū)域，最大應(yīng)力值是為 497.692MPa；最大應(yīng)變出現(xiàn)在小頭孔，最大壓縮變形為 0.174254mm。

從圖5中可以看出，連桿拉伸時(shí)，連桿在最大拉伸應(yīng)變位于大頭孔內(nèi)表面兩側(cè)，最大的拉伸應(yīng)力為111.029 MPa；最大應(yīng)變出現(xiàn)在小頭孔，最大壓縮應(yīng)變?yōu)?.017659mm。

3.總結(jié)

通過仿真軟件CATIA V5建立大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿的三維模型，再導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行分析計(jì)算，分析過程中對建模進(jìn)行科學(xué)合理的網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)定，從而提高了該連桿的精度，分析結(jié)果的可靠、正確。最后通過有限元分析計(jì)算得出的結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，為連桿的優(yōu)化提供一定參考數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮義，文學(xué)洙.發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析[J].延邊大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，44（01）：90-94.

作者簡介：

程國昊1997年，男，漢族，內(nèi)蒙古滿洲里，陸軍裝甲兵學(xué)院，本科學(xué)員無職稱，機(jī)械工程方向