基于ABAQUS的連桿的有限元計(jì)算分析

徐源瓏 張莉

摘 要：本文選擇使用ABAQUS軟件來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿進(jìn)行有限元建模，并且考慮其連桿的極端情況下包括最大壓縮負(fù)荷與最大拉伸負(fù)荷，得到連桿的應(yīng)力與應(yīng)變，并對(duì)其進(jìn)行分析，考慮防范方法。

關(guān)鍵詞：連桿;有限元建模;變形

連桿雖然比起汽車其他部分不起眼，但是連桿的性能決定了汽車運(yùn)行的情況，連桿由小頭、大頭、桿身組成，在發(fā)動(dòng)機(jī)中小頭與活塞鏈接進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，大頭連接曲軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，二中間部分為桿身。連桿連接活塞與曲軸，連桿的作用就是可以實(shí)現(xiàn)把活塞的往復(fù)轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)汽車在行駛過(guò)程時(shí)會(huì)在各種不同情況，所以連桿就會(huì)進(jìn)行各種的運(yùn)動(dòng)包括上下，或者左右運(yùn)動(dòng)，很大不同的運(yùn)動(dòng)就會(huì)造成復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)連桿會(huì)因?yàn)楦鞣N不同并且復(fù)雜的受力（拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)）的作用。而這種不同復(fù)雜的應(yīng)力作用容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的各種損壞（疲勞、磨損、彎曲甚至斷裂），甚至嚴(yán)重時(shí)造成發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作。因此，需要首先對(duì)汽車連桿進(jìn)行性能的分析。因?yàn)榇蠖鄶?shù)其性能沒(méi)辦法進(jìn)行彈性方面的分析，從而就沒(méi)有辦法可以對(duì)其設(shè)計(jì)微分方程求解，而ABAQUS的有限元分析方法則可以避免求解微分方程。基于此本文選擇使用ABAQUS軟件對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連 桿進(jìn)行建模并且進(jìn)行分析得到所需要的變形情況，為以后連桿的改良與發(fā)展提供幫助。

1 工況選擇

以當(dāng)前使用最多的四沖發(fā)動(dòng)機(jī)作為選擇，當(dāng)汽車在正常行駛過(guò)程，連桿會(huì)因?yàn)檫B接的活塞、曲軸（吸氣、壓縮、排氣、做功）的作用下其受力情況會(huì)呈現(xiàn)周期性。本文對(duì)其分析過(guò)程，忽略連桿與連接件的摩擦力，只考慮連桿的受力情況，從而考慮把連桿僅受拉力和壓力?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)連桿模型，選擇了汽車在最大轉(zhuǎn)速情況下，當(dāng)活塞進(jìn)行做功時(shí)，連桿受到最大的壓縮力的作用，當(dāng)活塞進(jìn)行壓縮時(shí)，連桿受到最大拉伸力作用，這兩種情況下，連桿的變形情況。并且通過(guò)有限元的設(shè)定，把運(yùn)動(dòng)的情況轉(zhuǎn)化為靜力。

2 實(shí)體模型建立

本文利用SOLIDWORKS2016 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿進(jìn)行了三維實(shí)體建 模，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的較為精確的模型。在建模時(shí)，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題 的處理與分析，對(duì)于不影響分析結(jié)果的連桿細(xì)節(jié)部位的進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，部分過(guò)渡圓角、潤(rùn)滑小油孔等均被忽略。見圖1。

3 有限元分析

3.1 連桿模型的建立

首先根據(jù)所查閱連桿材料的一個(gè)基本尺寸：大端直徑45mm大端質(zhì)量1.03kg，小端直徑25mm小端質(zhì)量0.64kg，圓心距200mm在ABAQUS軟件中建立汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿基本的三維模型：

3.2 模型網(wǎng)格劃分

雖然在abaqus導(dǎo)入的連桿的模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只是包括設(shè)計(jì)的大桿，小桿還有連接的起傳遞作用的桿身，但是其中三部分的連接細(xì)節(jié)，如果選擇布置種子，是很難清除的建立網(wǎng)格，所以本文選擇直接進(jìn)行自有網(wǎng)絡(luò)劃分，然后再進(jìn)行選擇的加密，由此得到的網(wǎng)格劃 分模型如圖3所示，其中節(jié)點(diǎn)數(shù)為33946，單元數(shù)為14792。

3.3 靜力學(xué)分析

3.3.1 連桿受力分析

本文通過(guò)對(duì)汽車連桿進(jìn)行建模，只是選擇在活塞四個(gè)過(guò)程吸氣、壓縮、排氣、做功中的壓縮和做功這兩個(gè)特定的過(guò)程，因?yàn)橹粌蓚€(gè)活塞的過(guò)程的運(yùn)動(dòng)可以對(duì)汽車連桿造成的最大拉伸、壓縮力，然后本文經(jīng)過(guò)對(duì)此的資料查詢，選擇對(duì)連桿小頭內(nèi)面積設(shè)定11500N的受力。

3.3.2 移邊界條件

本文在活塞的兩種特定情況下，并且在壓縮過(guò)程的開始部分與做功過(guò)程的最后部分，為了限制發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，本文對(duì)連桿大頭內(nèi)表面進(jìn)行全約束。模型邊界設(shè)定如圖4所示。

3.3.3 載荷分布

由上面分析得知，設(shè)定載荷為11500N，設(shè)定位置選擇連桿小頭內(nèi)表面，方向選擇往內(nèi)。載荷施加情況如圖4。

3.4 連桿靜力學(xué)分析

3.4.1 最大壓縮工況下的分析結(jié)果

本設(shè)計(jì)選擇汽車假設(shè)為最大轉(zhuǎn)速情況下，使得汽車的活塞進(jìn)入壓縮的過(guò)程，這時(shí)汽車連桿受的壓縮力為最大。此模型設(shè)定的最大壓縮狀態(tài)，連桿壓力、壓變?nèi)鐖D5。

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的整體總變形結(jié)果如圖6 所示，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，發(fā) 動(dòng)機(jī)連桿最大變形處位于連桿小頭處，為1.461e。發(fā)動(dòng)機(jī)連桿 整體總變形呈梯度分布，并呈由小頭到大頭逐漸減小趨勢(shì)，最小變形 處位于連桿大頭處，為0。

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的定向變形（X方向）結(jié)果如圖7所示，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)連桿最大定向變形處位于靠近連桿小頭的桿身邊緣，且沿軸向最大定向變形處均位于桿身邊緣處。除桿身邊緣外其余連桿各處定向變形分布均勻。

3.4.2 最大拉伸工況下的分析結(jié)果

當(dāng)汽車的活塞剛好處于止點(diǎn)的情況，連桿就會(huì)處于承受最大力的情況，當(dāng)活塞在做功過(guò)程的最后，連桿由于承受汽車發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的最強(qiáng)燃爆的力，連桿會(huì)受最大的慣性拉伸力。本文設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)速時(shí)，當(dāng)汽車活塞進(jìn)入做功過(guò)程，連桿搜拉伸力最大。在最大拉伸工況下，連桿的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D8所示：

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的拉伸的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果如圖9所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)連桿最大變形處位于連桿大頭處，為7.487e。發(fā)動(dòng)機(jī)連桿整體總變形也與壓縮情況一樣呈梯度分布，并呈由大頭到小頭逐漸減小趨勢(shì)，最小變形 處位于連桿小頭處，為0。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)所建立的最簡(jiǎn)單汽車連桿模型，進(jìn)行了靜力學(xué)分析，考慮受到壓縮與做功情況下造成的最大壓縮與拉伸力，得到相對(duì)應(yīng)的模型應(yīng)力、應(yīng)變情況，并對(duì)其分析，為下一步實(shí)驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)，為汽車連桿的發(fā)展提供理論依據(jù)，具有很大的實(shí)際意義。

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