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基于ABAQUS的连杆的有限元计算分析

2019-12-19徐源珑张莉

科技风 2019年34期
关键词:连杆变形

徐源珑 张莉

摘 要:本文选择使用ABAQUS软件来对发动机连杆进行有限元建模,并且考虑其连杆的极端情况下包括最大压缩负荷与最大拉伸负荷,得到连杆的应力与应变,并对其进行分析,考虑防范方法。

关键词:连杆;有限元建模;变形

连杆虽然比起汽车其他部分不起眼,但是连杆的性能决定了汽车运行的情况,连杆由小头、大头、杆身组成,在发动机中小头与活塞链接进行往复运动,大头连接曲轴进行旋转,二中间部分为杆身。连杆连接活塞与曲轴,连杆的作用就是可以实现把活塞的往复转化为曲轴的旋转运动。当汽车在行驶过程时会在各种不同情况,所以连杆就会进行各种的运动包括上下,或者左右运动,很大不同的运动就会造成复杂的平面运动。因此,发动机连杆会因为各种不同并且复杂的受力(拉伸、压缩、弯曲和扭转)的作用。而这种不同复杂的应力作用容易造成发动机连杆的各种损坏(疲劳、磨损、弯曲甚至断裂),甚至严重时造成发动机不能正常工作。因此,需要首先对汽车连杆进行性能的分析。因为大多数其性能没办法进行弹性方面的分析,从而就没有办法可以对其设计微分方程求解,而ABAQUS的有限元分析方法则可以避免求解微分方程。基于此本文选择使用ABAQUS软件对汽车发动机连 杆进行建模并且进行分析得到所需要的变形情况,为以后连杆的改良与发展提供帮助。

1 工况选择

以当前使用最多的四冲发动机作为选择,当汽车在正常行驶过程,连杆会因为连接的活塞、曲轴(吸气、压缩、排气、做功)的作用下其受力情况会呈现周期性。本文对其分析过程,忽略连杆与连接件的摩擦力,只考虑连杆的受力情况,从而考虑把连杆仅受拉力和压力。基于此,本文設计连杆模型,选择了汽车在最大转速情况下,当活塞进行做功时,连杆受到最大的压缩力的作用,当活塞进行压缩时,连杆受到最大拉伸力作用,这两种情况下,连杆的变形情况。并且通过有限元的设定,把运动的情况转化为静力。

2 实体模型建立

本文利用SOLIDWORKS2016 对发动机连杆进行了三维实体建 模,建立了发动机连杆的较为精确的模型。在建模时,为了简化问题 的处理与分析,对于不影响分析结果的连杆细节部位的进行简化处理,部分过渡圆角、润滑小油孔等均被忽略。见图1。

3 有限元分析

3.1 连杆模型的建立

首先根据所查阅连杆材料的一个基本尺寸:大端直径45mm大端质量1.03kg,小端直径25mm小端质量0.64kg,圆心距200mm在ABAQUS软件中建立汽车发动机连杆基本的三维模型:

3.2 模型网格划分

虽然在abaqus导入的连杆的模型结构简单,只是包括设计的大杆,小杆还有连接的起传递作用的杆身,但是其中三部分的连接细节,如果选择布置种子,是很难清除的建立网格,所以本文选择直接进行自有网络划分,然后再进行选择的加密,由此得到的网格划 分模型如图3所示,其中节点数为33946,单元数为14792。

3.3 静力学分析

3.3.1 连杆受力分析

本文通过对汽车连杆进行建模,只是选择在活塞四个过程吸气、压缩、排气、做功中的压缩和做功这两个特定的过程,因为只两个活塞的过程的运动可以对汽车连杆造成的最大拉伸、压缩力,然后本文经过对此的资料查询,选择对连杆小头内面积设定11500N的受力。

3.3.2 移边界条件

本文在活塞的两种特定情况下,并且在压缩过程的开始部分与做功过程的最后部分,为了限制发动机连杆的位移和转动,本文对连杆大头内表面进行全约束。模型边界设定如图4所示。

3.3.3 载荷分布

由上面分析得知,设定载荷为11500N,设定位置选择连杆小头内表面,方向选择往内。载荷施加情况如图4。

3.4 连杆静力学分析

3.4.1 最大压缩工况下的分析结果

本设计选择汽车假设为最大转速情况下,使得汽车的活塞进入压缩的过程,这时汽车连杆受的压缩力为最大。此模型设定的最大压缩状态,连杆压力、压变如图5。

发动机连杆的整体总变形结果如图6 所示,从图中不难发现,发 动机连杆最大变形处位于连杆小头处,为1.461e。发动机连杆 整体总变形呈梯度分布,并呈由小头到大头逐渐减小趋势,最小变形 处位于连杆大头处,为0。

发动机连杆的定向变形(X方向)结果如图7所示,从图中不难发现,发动机连杆最大定向变形处位于靠近连杆小头的杆身边缘,且沿轴向最大定向变形处均位于杆身边缘处。除杆身边缘外其余连杆各处定向变形分布均匀。

3.4.2 最大拉伸工况下的分析结果

当汽车的活塞刚好处于止点的情况,连杆就会处于承受最大力的情况,当活塞在做功过程的最后,连杆由于承受汽车发动机带来的最强燃爆的力,连杆会受最大的惯性拉伸力。本文设计最大转速时,当汽车活塞进入做功过程,连杆搜拉伸力最大。在最大拉伸工况下,连杆的应力应变如图8所示:

发动机连杆的拉伸的应力、应变结果如图9所示,从图中可以发现,发动机连杆最大变形处位于连杆大头处,为7.487e。发动机连杆整体总变形也与压缩情况一样呈梯度分布,并呈由大头到小头逐渐减小趋势,最小变形 处位于连杆小头处,为0。

4 结语

本文对所建立的最简单汽车连杆模型,进行了静力学分析,考虑受到压缩与做功情况下造成的最大压缩与拉伸力,得到相对应的模型应力、应变情况,并对其分析,为下一步实验提供了数据,为汽车连杆的发展提供理论依据,具有很大的实际意义。

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