發(fā)動機連桿逆向設(shè)計與有限元分析

夏尚飛，劉希震，杜 輝，巴 金，高 敏

(1.棗莊職業(yè)學(xué)院，山東 棗莊 277800；2.棗莊學(xué)院，山東 棗莊 277599；3.奇瑞萬達貴州客車股份有限公司，貴州 貴陽 550009)

0 引言

連桿是內(nèi)燃機的重要傳動零件之一,其作用是將活塞的力傳給曲軸，變活塞的往復(fù)運動為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動[1]。伴隨我國工業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的產(chǎn)品建模已不能滿足市場的需求，因此基于三維掃描技術(shù)的逆向建模被提上日程。逆向工程是一種產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)再現(xiàn)的過程，即對某一實物進行逆向分析及研究。本文針對掃描得到的某發(fā)動機連桿點云數(shù)據(jù)，對其進行領(lǐng)域劃分，然后通過正逆向混合建模的思路，快速重構(gòu)出連桿的實體模型，最后進行有限元靜力學(xué)分析，使其具有實際的工程設(shè)計意義。

1 連桿數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取的主要步驟包括：標定掃描設(shè)備、噴涂顯像劑、貼標志點、擺放試件、數(shù)據(jù)掃描及點云處理[2]。由于該模型的復(fù)雜曲面較多，又要保證重構(gòu)的精度，最后確定了對連桿件進行掃描及逆向設(shè)計的方案。利用青島瑞康提供的工業(yè)級精睿光柵式三維掃描儀(掃描精度為0.02 mm)對連桿的表面特征進行數(shù)據(jù)采集，最后通過三維掃描儀自帶的FlexScan3軟件完成數(shù)據(jù)的拼接。連桿點云數(shù)據(jù)采集過程如圖1所示。

圖1 連桿點云數(shù)據(jù)的獲取過程

根據(jù)后期軟件使用要求，可以輸出stl、asc等數(shù)據(jù)。為方便點云數(shù)據(jù)的處理，本次輸出數(shù)據(jù)為asc格式[3]。

2 連桿數(shù)據(jù)處理

噪聲、震動等因素造成掃描數(shù)據(jù)中有大量的噪點和冗余，將掃描得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Wrap軟件進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。依次對點云數(shù)據(jù)進行去除雜點和噪聲、簡化數(shù)據(jù)、刪除特征等操作生成三角面片，再對三角面片進行修補及面片優(yōu)化等操作，最終得到質(zhì)量較好的連桿掃描數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 處理后的連桿點云數(shù)據(jù) 圖3 網(wǎng)格化缺陷

3 連桿三維模型重構(gòu)

將處理后的stl格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入到逆向建模軟件Geomagic Design X中進行重構(gòu)。連桿大、小頭部分曲面較復(fù)雜，該位置曲面是整個逆向建模的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將設(shè)計模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中發(fā)現(xiàn)，在連桿大、小頭曲面區(qū)域無法進行模型網(wǎng)格化，如圖3所示。這是由于有些倒角、圓弧等相切面貼合不實，而且面片較碎，所以網(wǎng)格系統(tǒng)無法處理。

針對上述情況，對模型進行了優(yōu)化：桿身、大頭及小頭分別生成特征，中間部分留出2 mm距離放樣，為確保曲面間的連接效果，放樣的約束條件設(shè)置為與面相切，切線長選擇1 mm,同時添加側(cè)邊曲線影響。特征的生成通過曲面擬合、曲面裁剪、倒圓角、縫合等一系列操作完成，如圖4所示。為進行下一步有限元分析，最后將模型輸出為x_t格式。

圖4 連桿重構(gòu)模型

4 連桿的精度分析

將修補后的三角面數(shù)據(jù)和重構(gòu)的參數(shù)化連桿模型導(dǎo)入到三維檢測工具軟件Geomagic Control X中，進行原始數(shù)據(jù)與重構(gòu)數(shù)據(jù)驗證分析，如圖5所示。

由圖5可知：誤差大部分控制在上下偏差0.05 mm之內(nèi)；在連桿大頭靠外位置偏差稍大，由于此處為倒角，為方便下一步的有限元分析，這些小的細節(jié)特征無需在模型中體現(xiàn)。本研究選取4個采樣點進行比對分析，其中最大負偏差為-0.007 3 mm，最大正偏差為0.007 9 mm，這樣的精度可以滿足設(shè)計要求。

圖5 實體模型與點云數(shù)據(jù)的精度比對

5 連桿強度有限元分析

利用ANSYS Workbench18.0平臺計算連桿最大應(yīng)力值及危險部位，以檢驗?zāi)嫦蛟O(shè)計連桿結(jié)構(gòu)是否滿足強度要求。連桿的常用材料為40Cr，其材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 40Cr材料力學(xué)性能參數(shù)

5.1 模型的導(dǎo)入與網(wǎng)格的劃分

將x_t格式的文件導(dǎo)入Workbench中，采用軟件自動劃分網(wǎng)格方式，為保證精度采用六面體單元對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖6所示，其中單元數(shù)為118 070，節(jié)點數(shù)為399 237。

圖6 連桿的有限元模型

5.2 施加約束

從強度的觀點出發(fā)，在計算時應(yīng)選取受力最惡劣的工況。近似認為：在吸氣沖程的上止點為連桿最大受拉工況，在壓縮沖程的上止點為連桿的最大受壓工況。所以本文只對連桿的拉伸工況和壓縮工況進行分析。在模型計算時，將動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)進行分析求解。通過分析發(fā)動機的示功圖燃氣壓力以及連桿慣性力的影響,得到連桿在燃氣壓力約4.5 MPa時對應(yīng)的最大軸向壓力約13 836 N，同樣可得到承受的最大拉力約為8 812.05 N[4]。

工作載荷設(shè)置為13 836 N，作用于連桿小頭內(nèi)表面沿軸線向內(nèi)。對連桿大頭內(nèi)表面進行完全約束，對小頭上下表面進行兩個自由度約束。連桿載荷設(shè)定如圖7所示。

圖7 連桿載荷設(shè)定

5.3 連桿靜力學(xué)分析

本文對發(fā)動機連桿的兩種極限工況進行了靜力學(xué)分析，得到連桿的應(yīng)力云圖及安全系數(shù)，如圖8和圖9所示。

從圖8與圖9中可以看出:發(fā)動機連桿在承受壓力時，連桿等效應(yīng)力的最大值為128.81 MPa，最小安全系數(shù)為6.094 1，均位于小頭孔頸部內(nèi)表面處;連桿承受拉力時，等效應(yīng)力的最大值為213.32 MPa，最小安全系數(shù)為3.679 9，均位于小頭油孔處。

圖8 連桿應(yīng)力云圖

圖9 連桿的安全系數(shù)

因此，從仿真計算結(jié)果來看，該模型在極限靜載荷的條件下能滿足強度和剛度要求，本設(shè)計能夠滿足連桿的正常使用要求。

5.4 連桿疲勞分析

發(fā)動機連桿在運動過程中主要承受拉伸、壓縮以及彎曲等交變載荷的作用[5]，周期性變化的力容易引起連桿的疲勞斷裂。所以連桿在滿足靜應(yīng)力的條件下，還需對其進行疲勞強度分析。

5.4.1 40Cr應(yīng)力壽命曲線(S-N)

S-N曲線能夠展示出應(yīng)力幅和失效循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，40Cr的應(yīng)力壽命曲線如圖10所示。圖10中，N為循環(huán)次數(shù)。

圖10 40Cr的應(yīng)力壽命曲線

5.4.2 壓縮、拉伸工況疲勞分析

對于承受交變應(yīng)力的零件,通過疲勞分析可以更全面、客觀地對其進行安全性評價。兩種工況下連桿的安全系數(shù)如圖11所示。

由圖11可知，當(dāng)連桿分別承受1×106次壓縮和拉伸交變應(yīng)力后，壓縮工況下最小安全系數(shù)為5.405 7，拉伸工況下最小安全系數(shù)為3.264 1。通過分析可以得出連桿在超過100萬次的交變應(yīng)力后，壓縮工況下連桿的小端軸頸部位不會發(fā)生疲勞斷裂，拉伸工況下油孔部位也不會發(fā)生破壞，滿足發(fā)動機的使用要求。

圖11 兩種工況下連桿的安全系數(shù)

6 結(jié)束語

利用掃描儀獲取發(fā)動機連桿的三維輪廓數(shù)據(jù)，通過Geomagic軟件對模型進行重構(gòu)，效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計方法。通過三維檢測工具軟件Geomagic control X和有限元分析軟件ANSYS相結(jié)合的方式，驗證了發(fā)動機連桿模型重構(gòu)的可行性，為汽車連桿的強度校核和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。研究結(jié)果表明:該方法能夠提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，保證產(chǎn)品使用的安全性及質(zhì)量要求。