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基于ABAQUS的柴油机连杆有限元分析

发布于:2018-07-07 20:10
有限元分析

      以往的连杆有限元分析大都将连杆计算模型简化成二维平面问题来处理,随着机械类计算机专业App技术的发展,许多复杂工程问题可应用有限元分析处理。连杆三维有限元分析时因单元数多、计算量大,分析一般只针对连杆,不包括活塞销和曲轴连杆轴颈。连杆受力经过简化,会方便地实现建模、网格划分、计算分析等,但过多的简化处理会影响计算精度。
      连杆有限元分析中,接触问题一直是个难点。连杆与活塞销、曲轴等零件组装成一个系统,各零件间存在接触应力。本研究中采用接触法,在考虑到活塞销和曲轴连杆轴颈的同时,在连杆与活塞销、连杆与曲轴连杆轴颈间建立弹性接触对,用接触对来模拟零件间的连接关系,使分析模型尽量与连杆的实际状况相同,达到准确分析的目的。
      柴油机一般工作条件恶劣,大部分零件,如机体、连杆、缸盖、活塞等,结构复杂,对这些零件进行结构分析和设计是一件非常困难的工作。有些无法仅靠材料力学和传统设计方法实现。而利用有限元法则可对受载荷方式和结构形状都十分复杂的零件进行分析。本研究中利用功能强大的abaqus有限元分析App对连杆进行分析,其分析结果与实际情况非常接近。
      柴油机连杆的主要结构参数为:大端内径70mm,外径104mm,小端内径36mm,外径54mm,小端厚29mm,大端厚29mm,杆身厚2mm,大小端孔中心距210mm。
      建立准确的模型是有限元分析结果可靠的前提条件。但由于连杆结构复杂,建模和分析会较为困难,因此要适当简化。不考虑连杆盖和连杆体之间的接触方式,将两者做成一体。根据连杆的对称平面,直接应用abaqusApp对连杆建立实体模型。
      在abaqusApp中建好模型后,对复杂部位采用三维实体单元C3D10M对连杆进行自由网格划分,调整杆身、大端及连杆身和小端圆弧连接等的种子密度细化网格,共划分出37314个单元,节点60709个。对比较规则的轴瓦和衬套形状采用C3D8I三维实体单元划分,轴瓦共划分出1215个单元,2700个节点,衬套共划分出1740个单元,3712个节点。
      进入Interaction创建轴瓦和大端、衬套和小端之间的过盈接触,分别选取轴瓦、衬套外圆柱面为主面,大端、小端内孔面为从面。
      连杆做复杂平面运动,承受压、拉交变应力,运用ADAMSApp对连杆全程运动仿真分析可知,连杆在膨胀冲程开始的上止点位置附近受最大压力,在进气冲程开始的上止点附近承受最大拉伸力,选取这两种位置进行应力分析校核连杆疲劳强度。
      (1)位移边界条件正确的位移边界条件是分析的重要因素,直接影响计算精度和结果的正确性,取1/2连杆建模,在对称面上定义对称边界条件,固定约束轴瓦。
      (2)模型加载根据分析实体的具体情况对模型加载,ABAQUS自动将载荷转化到节点和单元上。将活塞组产生的离心载荷和燃气压缩力处理成作用在大端的合力,连杆的惯性力施加在每个单元上。将连杆小头所受的最大拉力和最大压力以面压力加在小头孔和大头内表面上。
      从应力图可看出,连杆大端应力较小,大端内表面应力集中作用不明显;杆身和连杆大端过渡处外侧面应力较大;受应力集中影响,小端内表面有最大应力。经abaqus查询杆身最大应力存在杆身和大端圆弧连接表面的3788号节点上,最大应力值为365.3MPa。40Cr材料的屈服极限为800MPa,取许用安全系数,许用应力为533MPa,在最大的压缩工况下,最大应力为320.22MPa,小于许用应力,满足强度要求。
      压缩载荷主要分布在连杆小端的下端内侧150范围表面和大端的上端内侧150范围表面。经验表明,连杆破坏一般发生在连杆大小端与连杆杆身过渡圆弧处,因该处相对较薄弱,应力集中较大。实际工作中,大小端的过渡区由于长时间变载荷作用,是常发生疲劳的部位。在各种疲劳计算中,单向受力(如拉工况)产生的应力不能完全决定疲劳寿命。跟最大压缩工况一样创建Job。


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