连杆有限元分析.pdf

Home
柴油机连杆有限元分析
岳贵平李康一汽技术中心
摘要: 本文前处理利用 Hyper Mesh 软件,计算分析及后处理利用 Abaqus 软
件。按柴油机连杆受拉和受压的两种工况,对其进行动力学的有限元计算分析(主
要应用了接触和边界非线性的原理),得到了连杆(其中还包括连杆盖、预紧螺栓、
预紧螺母、活塞销、连杆大头轴瓦和连杆小头衬套)的应力图和它们的安全系数。
为连杆的设计和制造提供了充分的数据资料,具有很高的工程实用价值。
关键词:动力学接触边界非线性有限元计算分析

一、前言:
连杆是发动机中传递动力的重要零件,它把活塞的直线运动转变为曲轴的旋
转运动,并将作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作过程中要承受
装配载荷(包括轴瓦过盈及螺栓预紧力)和交变工作载荷(包括气体爆发压力及
惯性力)的作用,工作条件比较苛刻。现代汽车正向着环保节能方向发展,这就
要求发动机连杆在满足强度和刚度的基础上,应具有尺寸小、重量轻的特点。
考虑到柴油机连杆的边界条件比较复杂,想要得到比较好的模拟结果,边界
条件必须考虑接触和非线性,普通通用软件没有这方面的功能,而 ABAQUS 软件刚
好能广泛的求解非线性(包括接触)的问题,我们用它解决了这一实际工程问题。
二、基本原理介绍:
边界非线性
若边界条件随分析过程发生变化,就会产生边界非线性问题。考虑图 1 所示
的悬臂梁,它随施加的载荷发生挠曲,直到碰到障碍。
梁端部的竖向挠度与载荷线性相关(当挠度较小时),直到它接触到障碍物为
止。这时梁端部的边界条件发生突然的变化,阻止竖向挠度继续增大,因此梁的
响应将不再是线性的。边界非线性是极度不连续的:在模拟分析中发生接触时,
- 1 -
结构的响应特性会在瞬间发生很大的变化。
Home





图 1 将碰到障碍物的悬臂梁
梁端部的竖向挠度与载荷线性相关(当挠度较小时),直到它接触到障碍物为
止。这时梁端部的边界条件发生突然的变化,阻止竖向挠度继续增大,因此梁的
响应将不再是线性的。边界非线性是极度不连续的:在模拟分析中发生接触时,
结构的响应特性会在瞬间发生很大的变化。
接触
许多工程问题含有两个或多个部件的接触的情况。在这类问题中,当两个物
体接触时,存在沿接触面法向,且作用在接触物上的力。如果接触面存在摩擦力,
可能会产生抵抗物体间切向运动(滑动)的剪力。
在有限元中,接触条件是一类特殊的不连续的约束,它允许力从模型的一部
分传输到另一部分。因为仅当两个面接触时才应用接触条件,所以这种约束是不
连续的。当两个表面分开时,没有约束作用在上面。
三、计算分析过程:
连杆的三维有限元模型
连杆的三维几何模型来自 PRO/E,采用 Hyper Mesh 软件建立有限元模型,该
有限元模型包括的零件有:连杆、连杆盖、预紧螺栓、预紧螺母、活塞销、曲轴
连杆轴颈、连杆大头轴瓦、连杆小头衬套。连杆、连杆盖采用四面体二次单元;
预紧螺栓、预紧螺母、活塞销、曲轴连杆轴颈、连杆大头轴瓦、连杆小头衬套采
用五面体和六面体的混合单元。由于连杆的三维几何模型具有很好的对称性,为
了减少计算所用时间,