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柴油机连杆有限元分析及结构优化

发布于:2018-06-10 20:26
有限元分析

     连杆是连接发动机活塞与曲轴的一个重要零件,在工作中承受拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的作用。随着柴油机强化程度的不断提高,连杆承受各类载荷也越来越高,对连杆的强度要求也不断提高。过去以经验、参考资料和安全系数法为主的连杆设计方法,连杆尺寸选择不是过大就是过小,对结构设计的安全性缺乏定量指标。有限元分析法作为一种有效的方法,在连杆的设计、优化过程中已经得到了广泛应用。
运用ANSYSApp对195柴油机的连杆进行了三维有限元分析,得到了连杆的应力分布和强度安全系数等结果,并对连杆结构参数进行了优化设计,为连杆的可靠性设计提供了依据。建立准确、可靠的计算模型是应用有限元法进行分析的重要步骤之一。本研究中的分析对象主要为连杆体,为了节省分析时间且不影响分析精度,建模时省略了一些不重要的环节,对连杆模型的大头端做了简化处理,忽略了连杆螺栓、轴瓦和衬套和螺栓的预紧力,把连杆体和连杆盖作为一个整体建模,保留了包括油孔、圆角、倒角、加强筋等几何特征。
连杆实体模型建立后,将其导入ANSYSApp中,定义材料属性,划分网格,生成有限元模型。本文中大家采用的是10节点的SOLID92单元,自由网格划分方式。模型划分后,共得到17 976个单元,31 861个节点。
    连杆在工作中主要承受从活塞传递来的气缸压力、活塞和连杆组件的惯性力,两者随连杆的往复运动通过连杆大、小头孔中心的连线周期性的作用在连杆大、小头孔的内表面上,因此连杆在工作期间都处于拉伸、压缩交替变形状态。为了便于用有限元方法对连杆应力、应变情况进行分析,采用了准动态模拟分析法,分析中只考虑连杆承受最大压缩力和最大拉伸力的两种极限载荷工况。
    最大拉伸力工况发生在进气冲程开始的上止点位置附近,连杆承受的最大拉伸力为活塞组件和连杆计算断面以上部分的往复惯性力。
    最大压缩力工况发生在做功冲程开始的上止点位置附近,连杆承受的最大压缩力为最大爆发压力减去此连杆活塞组的惯性力。
    大、小头孔内表面处承受的载荷在轴线方向均沿二次抛物线分布,径向呈余弦分布。最大拉伸工况连杆小头孔处载荷沿小头孔圆周方向在120范围内按余弦分布,连杆大头孔载荷沿大头孔圆周方向在180范围内按余弦分布。最大压缩工况连杆大、小头孔处的载荷均沿各孔的圆周方向在180范围内按余弦分布。
    连杆在工作过程中作平面运动,而计算工况是选定两种极限载荷位置,强度分析中连杆的变形也是自身的相对变形,且连杆两端负载,故取连杆大小头孔连线的中间位置截面作为固定约束,限制其刚体位移和转动;连杆受压工况,在连杆大头内侧上部120处施加径向约束;连杆受拉工况,则在连杆大头内侧下部120处施加径向约束。
    在工作中,连杆一直承受不对称循环应力作用,有必要从疲劳强度的角度来评价连杆的安全问题。为了有效地计算疲劳安全系数,将一个复杂的应力状态转化为一个具有相同等效“效应”的单向应力状态,称为等效应力,其大小按第四强度理论计算。
    优化参数选择考虑到了以下几点:①对零件整体质量影响较大;②在一定程度上能描述结构外形且相互独立;③对发动机整体参数及其它零部件主要尺寸无影响;①工艺上实现相对容易。大家选择了8个优化参数。
    在进行连杆优化设计过程中,为保证连杆设计的可靠性和合理性,必须满足下列约束条件:
    连杆结构的最大拉应力不能超过许用值,连杆的最大压应力不能超过许用值。连杆大、小端孔的最大收缩量不能超过许用值。连杆结构的疲劳安全系数不能小于许用值,设计变量应在一定范围内变动,即杆身凹槽则按一定比率随杆身轮廓变化而变化;在Z平面上,表示杆身的高度,为过渡圆弧在Xz平面的直径。


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