基于ANSYS軟件的內(nèi)燃機(jī)連桿的有限元分析R A Savanoor1, Abhishek Patil2*, Rakesh Patil3 and Amit Rodagi2*Corresponding Author: Abhishek Patil, * 連桿是連接活塞和曲軸的中間的連接部分的結(jié)構(gòu)。連桿的作用主要是負(fù)責(zé)傳遞推動和拉動的活塞銷和曲柄銷運(yùn)動，從而將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。一般連桿生產(chǎn)中使用的材料常見的是碳鋼和鋁合金連桿。在本論文中我們在比較兩種不同類型的碳鋼和鋁合金連桿的馮米塞斯應(yīng)力和總變形。老驢三個(gè)材料參數(shù)進(jìn)行有限元分析。如，Von米塞斯應(yīng)力和位移都從ANSYS軟件中獲得。然后比較了鋁合金和鍛鋼這兩種不同的材料。然后發(fā)現(xiàn)Al5083合金重量比較輕。這導(dǎo)致連桿的重量減少63.19%。關(guān)鍵詞：連桿，活塞的往復(fù)運(yùn)動，Von米塞斯應(yīng)力，ANSYS簡介連桿連接活塞與曲軸，它們形成了一個(gè)簡單的機(jī)構(gòu)，將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于活塞的推力，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在連桿的活塞端附近。除承受燃燒室燃?xì)猱a(chǎn)生的壓力外，還承受縱向和橫向的慣性力。因此，連桿在一個(gè)很復(fù)雜的盈利狀態(tài)下工作。它即受交變的拉力、壓應(yīng)力又受彎曲應(yīng)力。連桿的主要損壞形勢是疲勞斷裂和過量變形。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強(qiáng)度和抗疲勞性能，又要求具有足夠的剛性和韌性。所以，在連桿外形、過度圓角等方面需嚴(yán)格要求，還應(yīng)注意表面加工質(zhì)量以提高疲勞強(qiáng)度。拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力是由于氣體壓力和彎曲應(yīng)力的產(chǎn)生的，是由于離心力的作用，產(chǎn)生的偏心力。因此，連桿的設(shè)計(jì)一般I-section提供的最大的剛度，能夠在活塞端部獲得最大應(yīng)力并且增大剛度可以減少活塞端部的材料收到的應(yīng)力，而且可以減輕連桿的重量。曲軸連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動件的重量優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅是節(jié)省材料及發(fā)動機(jī)重量降低，運(yùn)動件質(zhì)量對改善發(fā)動機(jī)整體的工作狀況特別有效，ANSYS 形狀優(yōu)化的功能可以對活塞內(nèi)腔、活塞銷孔、連桿形狀、曲軸圓角和曲柄臂尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。連桿是活塞和曲軸之間的連接。它把活塞銷與連桿；連桿的小端連接活塞和曲軸銷大結(jié)束。連桿的作用是將活塞的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。較輕的連桿和活塞產(chǎn)生的功率不大于振動由于往復(fù)式重量不。連桿與活塞的曲柄銷的力量的推力，因此必須很強(qiáng)，剛性也盡可能輕。有兩種類型的小頭和大頭軸承。連桿受到交變載荷作用下的疲勞。在四沖程發(fā)動機(jī)的情況下，壓縮和作功沖程連桿的排氣和吸氣沖程開始最后一部分期間承受壓縮載荷和拉伸載荷時(shí)。在雙作用蒸汽引擎，向前的行程，連桿在承受壓縮載荷和回程時(shí)，拉伸負(fù)荷。連桿的材料必須具有良好的抗疲勞和沖擊性能。應(yīng)用于汽車的連桿通常由從鍛鋼或金屬粉末鍛造制造。他們也可以投。然而，鑄件可以吹孔，利于從耐久性和疲勞的觀點(diǎn)。事實(shí)上，鍛件產(chǎn)生氣孔自由和更好的棒，讓他們在鑄棒的優(yōu)點(diǎn)。鍛造過程之間，粉末鍛造或鍛造，每個(gè)進(jìn)程都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。粉末金屬制造的空白具有近凈成形的優(yōu)點(diǎn)，減少了材料的浪費(fèi)。然而，由于高成本和復(fù)雜的制造技術(shù)的空白，成本高。鋼鍛件，材料是廉價(jià)和粗糙的制造過程是成本有效的。把部分的最終尺寸在加工高支出的緊公差的結(jié)果下，作為空白通常包含更多的多余的材料。高強(qiáng)度合金鋼的應(yīng)用并不能達(dá)到預(yù)期效果連桿是汽車發(fā)動機(jī)中的主要傳動部件之一，它在柴油機(jī)中，把作用于活塞頂面的膨脹的壓力傳遞給曲軸，又受曲軸的驅(qū)動而帶動活塞壓縮氣缸中的氣體。連桿在工作中承受著急劇變化的動載荷。連桿由連桿體及連桿蓋兩部分組成。連桿體及連桿蓋上的大頭孔用螺栓和螺母與曲軸裝在一起。為了減少磨損和便于維修，連桿的大頭孔內(nèi)裝有薄壁金屬軸瓦。軸瓦有鋼質(zhì)的底，底的內(nèi)表面澆有一層耐磨巴氏合金軸瓦金屬。在連桿體大頭和連桿蓋之間有一組墊片，可以用來補(bǔ)償軸瓦的磨損。連桿小頭用活塞銷與活塞連接。小頭孔內(nèi)壓入青銅襯套，以減少小頭孔與活塞銷的磨損，同時(shí)便于在磨損后進(jìn)行修理和更換。連桿的作用是將活塞承受的力傳給曲軸，并使活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。連桿由連桿體、連桿蓋、連桿螺栓和連桿軸瓦等零件組成，連桿體與連桿蓋分為連桿小頭、桿身和連桿大頭。連桿小頭用來安裝活塞銷，以連接活塞。桿身通常做成“工”或“H”形斷面，以求在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下減少質(zhì)量。連桿大頭與曲軸的連桿軸頸相連。一般做成分開式，與桿身切開的一半稱為連桿蓋，二者靠連桿螺栓連接為一體。連桿軸瓦 安裝在連桿大頭孔座中，與曲軸上的連桿軸頸裝和在一起，是發(fā)動機(jī)中最重要的配合副之一。常用的減磨合金主要有白合金、銅鉛合金和鋁基合金。文獻(xiàn)綜述為優(yōu)化研究，Serag等。（1989）開發(fā)的近似數(shù)學(xué)公式定義連桿重量和成本為目標(biāo)函數(shù)，約束條件。優(yōu)化利用幾何編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)。約束是在壓縮應(yīng)力施加壓力，軸承在曲軸和活塞銷的兩端。疲勞不是解決。成本函數(shù)是在指數(shù)形式表示的幾何參數(shù)。韋伯斯特等人。（1983）進(jìn)行三維有限元分析的高速柴油機(jī)連桿。這一分析他們使用的最大壓縮載荷測定實(shí)驗(yàn)，和最大拉伸載荷基本上是活塞組件的質(zhì)量慣性負(fù)載。實(shí)驗(yàn)測定了載荷分布在活塞銷和曲柄端。他們模擬連桿蓋分開，并模擬螺栓的預(yù)緊力，使用梁單元和多點(diǎn)約束方程。在調(diào)查一個(gè)連桿故障，LED對發(fā)動機(jī)造成的災(zāi)難性的失敗。hippoliti（1 9 9 3）報(bào)告的設(shè)計(jì)方法在使用比亞喬連桿的設(shè)計(jì)，采用了優(yōu)化會話。然而，無論是細(xì)節(jié)的優(yōu)化和負(fù)載下進(jìn)行了優(yōu)化。兩參數(shù)化有限元程序使用二維平面應(yīng)力和三維方法由作者開發(fā)的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比較，具有良好的協(xié)議。他們開發(fā)的優(yōu)化程序是基于二維的方法。Sarihan和Song（1 9 9 0），為活塞銷端的優(yōu)化，使用了由壓縮氣體負(fù)荷對應(yīng)的最大扭矩和拉力最大值對應(yīng)的慣性載荷的疲勞載荷周期。顯然，他們用最大載荷在發(fā)動機(jī)的整個(gè)工作范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)疲勞，交替的八面體剪應(yīng)力修正的Goodman方程和平均八面體剪應(yīng)力的應(yīng)用。為優(yōu)化，它們產(chǎn)生的近似設(shè)計(jì)表面，進(jìn)行表面優(yōu)化設(shè)計(jì)。功能進(jìn)行了更新，以獲得精確的價(jià)值目標(biāo)和約束。重復(fù)這個(gè)過程，直到達(dá)到收斂。它們還包括避免微動疲勞的限制。平均應(yīng)力的交變分量計(jì)算最大值和最小值的八面體剪應(yīng)力。運(yùn)動減少近27%連桿的重量。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征，采用ANSYS實(shí)體建模。選用單元類型為Solid95,Solid95是三維20結(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，在保證精度的同時(shí)允許使用規(guī)則的形狀，適用于曲線邊界的建模。 結(jié)果顯示，最大合位移出現(xiàn)在小孔內(nèi)外表面；最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在小頭孔內(nèi)表面上，其值為12.9MPa。從圖中的應(yīng)力和位移等直線可以看出:(1)整個(gè)連桿結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在小頭孔的承載區(qū)范圍內(nèi)，其他部位受力情況較均勻。這與實(shí)際情況是相吻合的。(2)最大變形出現(xiàn)在小軸孔表面，而大孔的變形非常小。在實(shí)際情況中，由于小孔是承載區(qū)，它的變形相對較大，大孔遠(yuǎn)離承載區(qū)，受影響較弱。綜合上述分析，有限元分析結(jié)果是客觀的，較為真實(shí)的反應(yīng)了汽車連桿的受力情況。建模過程中（DM模型），要考慮在DS模型中的成角度曲面的約束和施加載荷對連桿大頭和小頭進(jìn)行扇形建模 。在建模的過程中為了構(gòu)造用于施加約束和載荷的扇形曲面，在構(gòu)造扇形的過程中要一個(gè)扇形一個(gè)扇形的建模，建模完一個(gè)扇形后，在準(zhǔn)備建立下一個(gè)扇形以前，記得對已經(jīng)建立的扇形模型進(jìn)行凍結(jié)操作 。.網(wǎng)格劃分過程中，首先用的是整體自動網(wǎng)格劃分，后來進(jìn)行了局部細(xì)化網(wǎng)格分析，而細(xì)化網(wǎng)格的方法大致有兩種，一個(gè)用的是Contact Sizing，一個(gè)是Part Relevance，自己對比分析兩種方法 。在施加邊界條件時(shí)發(fā)現(xiàn)，連桿小頭里的銅環(huán)和連桿小頭在不同的接觸條件下仿真分析出來的結(jié)果很不相同，本人分別用了bounded, frictionless, rough, fritional (摩擦系數(shù)0.15)進(jìn)行了對比分析 。對連桿小頭里面銅環(huán)內(nèi)壁90曲面的載荷施加，采取了兩種對比分析，一是均勻壓強(qiáng)載荷分析，一是軸承載荷分析，即在連桿軸線方向，離連桿小頭軸心距離越遠(yuǎn)，受到的軸線方向的載荷越大，根據(jù)圓曲面的對稱性求出了軸線方向，即X方向的力F=1102.92N 6.目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化分析（DOE）中CAE技術(shù)在汽車的設(shè)計(jì)和改善技術(shù)中的應(yīng)用越來越多，仿真的方法越來越接近汽車在實(shí)際使用中的運(yùn)行工況，從而改善了汽車的設(shè)計(jì)和完善水平，減少了實(shí)車實(shí)驗(yàn)的成本，縮短了整車開發(fā)的周期，能更快，更好的解決汽車在實(shí)際使用中的問題。本學(xué)期學(xué)習(xí)了CAE技術(shù)中的ANSYS Workbench，對CAE技術(shù)有了一個(gè)簡單的認(rèn)識，能基本掌握ANSYS Workbench中的DM，DS，DX等模塊，但經(jīng)過學(xué)習(xí)，感覺在建模和仿真的過程中，邊界條件和實(shí)際工況載荷的施加是很重要的，而且往往是最影響分析結(jié)果的。在DX模塊中，CAE與CAD的無縫鏈接技術(shù)很讓人興奮，但雙向流動還是單向流動的數(shù)據(jù)鏈不得而知，不甚理解，沒能掌握。CAE技術(shù)博大精深，現(xiàn)階段學(xué)習(xí)的CAE技術(shù)應(yīng)該算是一個(gè)啟蒙，入門的學(xué)習(xí)，在后面的學(xué)習(xí)和工作中，本著各種興趣，可以對CAE進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，在QQ技術(shù)群里和一些CAE愛好者，進(jìn)行更深入的交流和學(xué)習(xí)。還有，這個(gè)CAE軟件很挑電腦，水一點(diǎn)的電腦算的超慢，一算幾個(gè)小時(shí)?；钊⑶B桿等運(yùn)動件是高熱/機(jī)械負(fù)荷部件，因?yàn)橥鶑?fù)運(yùn)動，其質(zhì)量對整個(gè)發(fā)動機(jī)性能非常重要。ANSYS 分析熱和機(jī)械載荷下的形狀及應(yīng)力為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的柔體運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析 連桿強(qiáng)度向來是發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵，ANSYS 柔體柔體接觸計(jì)算功能可以準(zhǔn)確模擬連桿與大頭蓋、主銷、曲柄銷間聯(lián)合工作狀況。這是ANSYS 系統(tǒng)分析功能和強(qiáng)大的接觸功能體現(xiàn)。ANSYS 曲軸結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析功能計(jì)算出曲軸扭轉(zhuǎn)與彎曲模態(tài)，通過頻率優(yōu)化達(dá)到減震效果。ANSYS 的疲勞計(jì)算功能，精確的計(jì)算曲軸傳統(tǒng)疲勞強(qiáng)度，同時(shí)還可計(jì)算出曲軸的強(qiáng)度因子，從而預(yù)測疲勞裂紋的產(chǎn)生及疲勞壽命。應(yīng)用ANSYS 對曲軸軸頸及油膜進(jìn)行流-固耦合分析評價(jià)高曲軸的耐磨性。曲軸連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動件的重量優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅是節(jié)省材料及發(fā)動機(jī)重量降低，運(yùn)動件質(zhì)量對改善發(fā)動機(jī)整體的工作狀況特別有效，ANSYS 形狀優(yōu)化的功能可以對活塞內(nèi)腔、活塞銷孔、連桿形狀、曲軸圓角和曲柄臂尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 結(jié)論從以上的分析我們可以得出這樣的結(jié)論：所有材料應(yīng)力幾乎不相上下，也在安全極限，即，遠(yuǎn)低于屈服應(yīng)力。W8連桿可以通過repacing目前aluminium5083合金在基洛斯卡發(fā)動機(jī)采用鍛鋼減少。連接桿的截面模量應(yīng)足夠高，以防止高彎曲應(yīng)力由于慣性力，形變，以及曲軸箱壁變形。連桿重量降低63.19%。從而降低慣性力。比較三種材料的拉伸應(yīng)力，以al5083合金最小應(yīng)力。致謝項(xiàng)目組工作，這種總是一個(gè)人選通幫助從許多來源的努力的一個(gè)結(jié)果。除了我們自身的努力沒有教師和朋友的指導(dǎo)，我們就不能順利完成這個(gè)項(xiàng)目的工作。這個(gè)項(xiàng)目的工作過程和給我們在我們的機(jī)構(gòu)中留下的是記憶的鼓勵。我們的所有工作人員我們的機(jī)械部給了我們很好的支持非常感激，在實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間建議。最后，我們感謝每個(gè)人幫助我們直接或間接負(fù)責(zé)項(xiàng)目工作順利完成。最重要的是我們想表達(dá)我們深深的感謝我們敬愛的校長哈金斯博士V P，提供必要的設(shè)施。我們非常感謝我們的指導(dǎo)方法和R savanur教授指導(dǎo)，不變的熱情和警惕的監(jiān)督整個(gè)項(xiàng)目。參考文獻(xiàn)1. 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