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连杆有限元分析的边界条件研究

发布于:2017-10-22 17:59
有限元分析

      随着对内燃机结构零件可靠性要求的不断提高以及计算机技术的迅速发展,有限元分析法在内憔机结构设计与强度研究中起着越来越重要的作用。目前,内燃机结构有限元分析的误差主要来源于边界条件的处理不当,而不在于有限单元的离散误差。对于活塞的边界条件己经进行了比较多的研究,而连杆、特别是斜切口连杆,其边界条件如何处理,尚存在一些问题匕本文针对斜切口连杆,就其力边界条件(载荷)和位移边界条件(约束)的处理进行探讨。
      目前,在连杆的有限元分析中,为简化起见,通常采用二质量系统来替代实际的分布质量系统。这时,连杆小端和大端的载荷不相等,即连杆承受不平衡载荷。在此种载荷下,无论约束小端或大端,约束点附近的应力都将严重失真。此外,不平衡载荷还使连杆产生不真实的附加应力。
      将连杆小端、大端和杆身分开处理,建立需要分析的几何模型,按最大拉力工况和最大压力工况,用各自的载荷进行静力计算。计算杆身时采用整体连杆模型。
      计算小端时,在小端孔内表面加上式所示的载荷,将杆身横断面作纵向约束;计算大端时,在大端孔内表面加上式(2)或式(5)所示的载荷,在杆身横断面处作纵向约束;计算杆身时,在大、小端孔中同时加上式(3)或式(6)所示的载荷。大、小端内孔载荷均按,1500余弦分布。
      从图可以看出,应力分布未出现失真现象。但是这种大、小端和杆身分开计算的模型,用于计算结构不对称的斜切口式连杆时,若约束处理不当,仍将导致一定误差。
      通过采用大端、小端、杆身分开计算的几何模型,载荷不平衡的问题得以解决。但是,即使是平衡载荷,如果位移边界条件给定得不当,即约束处理得不当,仍然会得出错误的结果。按文献〔月所述约束处理方法进行整体连杆计算,应力分布仍会出现失真,即最大拉力工况下在约束点附近产生虚假压应力,最大压力工况下在约束点附近产生虚假的拉应力。
      对平面弹性问题,为了限制刚体位移,至少要约束3个自由度。小端和大端分开计算时,约束简易处理,只需约束截断面处所有节点的纵向自由度,并约束其中央节点的横向自由度。
      文献认为小端结构对称,离不对称的大端较远,故主张约束小端(约束小端中心纤上自由表面上之一点的二个自由度及内部某点的一个自由度)。这种约束处理会造成前述的应力失真。为此将其改为约束小端内缘接触表面中央结点的二个自由度,并约束其附近的内部结点的一个横向自由度。按此计算,结果有所改善,但仍然存在应力局部失真。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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