连杆的有限元分析.docx

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连杆的有限元分析

第一章序言

1.1课题研究的目的和意义

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。

本文通过SolidWorks这个三维制图软件制作连杆的三维模型，然后通过COSMOSWorks软件，对连杆模型进行网格划分、加载和约束的处理，然后再进行计算分析，得出柴油机连杆在受拉和受压的两种工况下的应力、应变等分析结果。

为连杆的设计和制造提供了一定的数据资料，具有一定程度的工程实用价值。

近几年，随着我国汽车工业的高速发展以及对环境保护工作的日渐重视，参照国外先进机型设计开发并引进关键的生产制造技术是目前迅速提高我国内燃机制造及开发水平有效措施。

在人们普遍重视的汽车各种性能指标中，发动机的性能显得尤为重要。

现在，我国各大汽车集团的主机厂发动机锻钢连杆制造技术与国外差距不大，不论从锻件的强度，表面强化技术，还是尺寸精度及产品的稳定性方面，都接近国外发达国家的水平，但在连杆轻量化方面，我国还相当落后。

因此，对连杆进行三维建模及有限元分析具有其积极的意义。

随着计算机技术的迅速发展，特别是有限元方法和分析软件的日益成熟，在连杆等发动机零部件的研制开发工作中，对其进行计算机数值模拟己成为辅助设计的重要手段。

1.2课题的分析

连杆是发动机的主要运动受力元件之一，它在工作中所受的各种外载荷复杂且作周

期性变化。

而且，即使是同一类型的连杆，每根连杆的物性参数、几何形状也存在差异。

因此，在分析连杆的应力和应变时，要考虑这些不确定的因素，才能得到更符合实际的

结果。

目前，随着计算机技术的迅猛发展，有限元法己日趋成熟实用，所应用的领域越来越广并发挥出越来越重要的作用。

此方法已成为工程技术领域不可缺少的一个强有力的计算分析工具，其在发动机零部件的设计分析中的应用亦有了很大的进展。

其中研究连杆的应力、应变时，目前最常用的方法是有限元方法。

要进行有限元分析，首先要建立三维实体模型。

本文采用Solidworks进行建模。

Solidworks是第一个在Windows操作系统下开发的三维CAD系统，包含了CAD/CAM/CAE功能的集成化软件，全面满足设计，分析，制造，产品数据管理的一体化要求。

其基本设计流程为“实体造型（零件）—虚拟（装配体）—二维图纸（工程图）”。

COSMOSWorks是一种基于有限元分析技术的设计分析软件，是SARC公司工程分析软件产品之一。

SRAC公司成立于1982年，是将有限元分析带入到桌面计算的先驱。

1995年SARC公司与SolidWorks公司合做开发了COSMOSWorks软件，从而进入了工程界主流有限元分析软件的市场。

1.3研究内容

随着汽车工业制造技术的发展，对于汽车发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要，因此国内外各大汽车公司对发动机连杆用材料及制造技术的研究都非常重视。

首先，本课题通过查阅收集国内外连杆的相关资料，了解该领域的研究动态。

使我对连杆的结构、连杆的材料、连杆的制造工艺、以及连杆的发展趋势都有了一定程度的了解。

连杆在发动机中直接与活塞销、曲柄销连接，通过弹性接触传递力的关系，所以，连杆的受力情况与活塞销、曲柄销有极大的关系。

本论文对分析对象与别的构件间的接触问题，采用简化处理，因为连杆体和连杆盖用连杆螺栓紧紧固连在一起，所以在连杆静强度分析计算将杆身与杆盖合作为一个整体，这种分析模型虽然无法准确反映螺栓预紧力及各零件之间的相互作用与影响，但是对杆身部分的应力计算是方便有效的。

本文以德国工程机械柴油机连杆为研究对象，采用SolidWorks软件建立了包括连

杆体、连杆盖、连杆螺栓在内的三维有限元分析实体模型，采用COSMOSWorks软件建立连杆的静强度有限元分析模型，用高品质的实体网格对整个三维实体模型进行了网

格划分，连杆大头与连杆套的接触面的接触条件定义为无穿透的接触类型，整个连杆的

约束条件为将连杆大头采用固定约束，连杆小头采用轴向约束，从而限制的刚体的位移，然后通过COSMOSWorks软件在最大受拉和最大受压工况下分别进行有限元分析计算。

对连杆的在最大受拉和最大受压工况下的应力、应变、位移等进行了简略研究，并且对两种工况下的结果进行了对比分析。

第二章有限元的基本原理及其应用

本课题分析的核心思想是有限元法，所以有必要简单介绍一下有限元的基本原理及其当前在工程设计和零件加工中的应用。

2.1有限元分析概述

有限元法是把连续的弹性体划分为有限大小的、彼此只在有限个节点相连的、有限个单元的组合体来研究的。

也就是设想把原来的结构用一个离散结构来代替，作为真实结构的力学模型，以后的数值计算就在这个模型上进行。

这种把实际连续体划分为离散结构的过程，叫做有限元离散化，这些有限大小的单元，称为有限元，各单元间连接的点称为节点。

所谓有限元法，其基本思想可从力学和数学两个角度来阐述。

从力学角度来阐述，就是通过离散化的手段，把一复杂的连续体变成离散的单元;从数学角度来阐述，就是通过离散手段，把偏微分方程或者变分方程变成代数方程求解。

离散就是把要分析的某连续体人为地分割成有限个单元，单元间通过节点连接起来。

复杂的连续体经此离散化，可视为若干单元的组合体。

对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、在子域分界面上（内部边界）以及子域与外界分界面（外部边界）上都满足一定的条件。

单元组合体在已知外载荷作用下处十平衡状态时，列出一系列以节点位移为未知量的线性方程组。

利用计算机解出节点位移后，再用弹性力学的有关公式，计算出各单元的应力、应变，当各单元小到一定程度，那么它就代表连续体各处的真实情况。

内燃机要完成其独特的功能，大部分零件结构复杂，工作条件恶劣，这些零件的结构分析和设计是一件非常困难的工作。

如连杆、活塞、缸盖、机体等零件，传统的设计方法所用的材料力学公式不能计算出这些复杂零件的应力。

有限元法以其独特的特点，可以对结构形状和受载荷方式都十分复杂的零件进行分析，因而被广泛地运用在内燃机工程中，成为有限元法工程应用的一个重要内容。

有限元法应用于内燃机工程的目的可分为两类:

一类是进行结构分析，内燃机的一些零部件时常发生损坏，用有限元法来分析和研究结构损坏的原因，找出危险区域和部

位，提出相应的改进设计方案。

一类是进行结构设计，在进行内燃机的结构设计时，可以预先对一些可能的结构方案进行有限元分析计算，再根据对计算结果的分析和比较，选取最佳的合理方案。

活塞、连杆、曲轴、机体、缸盖、进排气等零部件的设计上己广泛地应用了有限元分析，它不仅可以计算零部件的静、动态应力下的强度问题，还可以计算活塞的温度场和应力、缸盖的热应力等。

有限元法在内燃机工程上的运用，缩短了内燃机的开发周期和成本，提高了内燃机的可靠性、经济性。

FEA不是唯一的数值分析工具，在工程领域还有其它的数值分析方法如有限差分法、边界元法和有限体积法。

然而，由于FEA的多功能性和高数值性能，它占据了绝大多数工程分析的软件市场，而其它方法则被归入小规模的应用。

使用FEA，通过不同方法理想化集合体，我们能够分析任何形状的模型，并且得到预期的精度。

作为一个强有力的工程分析工具，FEA可以解决从简单到复杂的各种问题。

一方面，设计工程师使用FEA在产品研发过程中分析设计改进，由于时间和可用的产品数据的限制，需要对所分析的模型做许多简化。

另一方面，专家们使用FEA来解决一些非常深奥的问题，如车辆碰撞动力学、金属成形和生物结构分析。

不管项目多么复杂或者应用领域多广泛，无论是结构、热传导或者声学分析，所有FEA的第一步总是相同的，都是从几何模型开始。

2.2有限元分析的优缺点

2.2.1有限元法的优点

有限元的优点十分明显，主要表现在:

（1）整个系统离散成为有限个单元，并将整个系统的方程转换成一组线性联立方程，从而可用多种方法对其求解。

（2）边界条件不进入单个有限元的方程。

而是在得到整体代数方程后再引入边界条件，这样，内部和边界上的单元都能够采用场变量模型，而且，当边界条件改变时，内部场变量模型不需要改变。

（3）有限元法考虑了物体的多维连续性，不仅在离散过程中把物体看成连续的，而且不需要用分别的插值过程把近似求解推广到连续体中的每一点。

（4）有限元法不需要适用十整个物体的插值函数，而只需要对每个子域或单元采用各自的插值函数，这就使得其对复杂形状的物体也适用。

（5）有限元法能很容易求解非均匀连续介质，而其他方法处理非均匀连续介质较困难。

（6）有限元法适用线性和非线性的场合。

2.2.2有限元分析的缺点

（1）有限元计算分析，尤其在对复杂问题的分析上，所耗的计算资源（内存，时间，磁盘空间）是相当大的。

（2）对无限区域的处理，有限元法比较困难。

（3）虽然有限元软件有自动划分网格的功能，但具体采用什么样的单元，网格的合理大小等有些问题还要依赖于经验。

（4）有限元分析所得结果并不是计算机辅助工程的全部，而且一个完整的机械设计不能单独使用有限元分析来完成，必须结合其它分析和工程实践才能完成整个工程设计。

第三章连杆的工作条件及载荷的确定

建立准确而可靠的有限元计算模型是决定有限元分析结果准确性的首要环节。

然而，实际的工程问题往往是非常复杂的，在有限元分析中，做完全符合实际的力学模型往往是较困难的，这就要求在建立计算模型的过程中，做种种必要的简化，没有这种简化，这类结构的有限元法分析往往变得异常困难，有时甚至是不可能的。

这种简化的结果，使得计算模型只能近似的反映工程实际问题，或者说计算模型在不同程度上都具有一定的近似性。

但做出合理的简化是科学的，也是必然的。

一般来说，这种力学模型的近似性所引起的误差要比有限元法本身的计算误差大得多。

从这个意义上来说，在建立有限元计算模型之前，必须对所要研究的对象（连杆）进行深入的分析，掌握其结构上的特点及其工作环境，并对它在工作时所受到的载荷有明确的认识，在此基础上才能做出科学合理的简化。

在连杆的有限元计算中，处理作用于连杆上的载荷是一件极为重要的工作。

由于作用于连杆上的载荷系统一般都比较复杂，特别是某些载荷沿边界的分布规律难以用理论或测量的方法来确定，而往往是采用一些假定的分布规律来模拟。

因此如何正确的模拟这些载荷的分布规律，是有限元法计算中不容忽视的问题。

3.1.连杆的结构和布置

连杆组件包括连杆体、连杆盖、小头衬套、连杆轴瓦及紧固螺栓等件。

连杆上接活塞，下连曲轴，将活塞的往复直线运动转换为曲轴的回转运动，使缸内燃油燃烧所产生的热能转变为曲轴输出的机械功。

连杆组的运动情况比较复杂:

小头部分随活塞组作往复直线运动，大头部分随曲轴的曲柄销作旋转运动，杆身部分作由往复运动和摆动所组成的复合运动。

因此连杆的受力情况十分复杂，在其杆身的每一个截面上都会有弯矩、剪力和法向力，但弯矩和剪力都不大，杆身的主要载荷是交变的拉压载荷。

下面来了解一下和它相连的结构，如下图3.1所示：

[图3.1.]

连杆的布置形式一般有以下几种：

[3-1a][3-1b][3-1c]

1．并列式连杆布置（图3—1a）。

2．主副连杆布置形式（3—1b）。

3．叉形造杆布置形式（图3—1c）。

3.2柴油机一般采用斜连杆的原因

连杆大头按剖分面的方向可分为平切口和斜切口两种。

平切口连杆的剖分面垂直于连杆轴线，如图3-2a和3-2b所示。

一般汽油机连杆大头尺寸都小于气缸直径，可以采用平切口。

柴油机的连杆，由于受力较大，其大头的尺寸往往超过气缸直径。

为使连杆大头能通过气缸，便于拆装，一般采用