基于ANSYS的汽车发动机连杆性能有限元分析

基于ANSYS的汽车发动机连杆性能有限元分析

李昊陈清奎陈卫清王瑗魏鑫鑫

山东建筑大学山东济南250101

摘要：连杆是汽车发动机的重要构件和主要运动件，功用是将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆工作过程中承受装配载荷和交变载荷的作用还有气缸内气体压力，惯性力、轴承摩擦和磨损等。所以要求连杆具有足够的抗疲劳强度、抗冲击，足够的强度和刚度。构件图如下图1.1所示。通过有限元分析结果可知连杆存在的问题及结构的薄弱环节，为连杆优化设计、结构改进和表面热处理提供理论依据。

关键词：汽车连杆；有限元分析；优化设计；

1、连杆有限元分析的理论基础

图1.1汽车发动机连杆

1.1静力学分析理论

当连杆加载和约束时，利用平衡条件和边界条件将各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程：

{K}{q}={f}

式中｛K｝—整体结构的刚度矩阵；｛q｝—节点位移列阵；｛f｝—载荷列阵.

解该有限元方程就可以得到最后分析时所需的各单元应力及变形值。

1.2模态分析理论

模态分析研究系统是在无阻尼自由振动情况下系统的自由振动，用于确定结构的振动特性，是谐响应分析的基础，固有频率和主振型是振动系统的自然属性。系统的运动微分方程可表示为：[M]｛X(t)｝+[K]{x(t)}=0

弹性体的自由振动可分解为一系列简谐振动的叠加，因此,解可设为：X(t)=φcosω（t-t0）

式中：ω为简谐振动的频率；t为时间变量；t0为由初始条件确定的时间常数。代入得到特征值和特征向量分别对应系统的固有频率和主振型。

2、基本分析过程

2.1模型绘制并导入：

利用solidworks进行构件的仿真设计，画出连杆的模型。并将得到的模型导入至ANSYS软件中，如图3.1所示：

图3.1导入至ANSYS软件的连杆模型

2.2主要材料属性定义：

如图所示连杆结构，连杆厚度1.5cm，过渡圆角0.25cm，材料属性为弹性模量E=3.0e7（Mpa）,泊松比0.3，材料为40Cr,密度ρ=7800kg/m3；

具体步骤如下：

选择MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令。

在弹出的ElementType窗口中单击Add，弹出LibraryofElementTypes窗口，选择单元类型SOLID285，单击OK。然后关闭ElementType窗口。如图3.2所示。

再选择MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels命令，弹出DefineMaterialModelBehavior窗口，选择Structural>Linear>Elastic>Orthotropic，弹出LinearOrthotropicPropertiesfor窗口，泊松比0.3，如图3.3所示，单击OK。

回到DefineMaterialModelBehavior窗口，然后选择Structural>Density，弹出DensityforMaterialNumber1窗口，输入材料密度7800，并单击OK，关闭DefineMaterialModelBehavior窗口，如图3.4所示。完成单元及材料属性的定义。

图3.2ElementType窗口

图3.3泊松比设置

图3.4材料密度

2.3网格划分

ANSYS自身的网格划分功能可以满足其有限元计算精度的需求，连杆的实体模型网路划分采用智能网络划分，划分等级为3级，网格划分完成。具体操作图以及得到的结果如图3.5所示。

图3.5网格划分图

2.4约束条件和施加荷载

实际工程中，汽车连杆的大头孔是与轴承配合的，而小头孔的内侧90°范围内受面压力作用。在ANSYS中选取大孔内表面级Y=0的所有面施加对称约束。在小头孔的内侧90°范围内施加P=l000psi面压力。

具体操作步骤：选择MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Force/Moment>OnNodes命令，弹出ApplyF/MonNodes窗口。大头拾取内侧Y=0的所有面施加对称约束，单击OK，如图3.6所示。弹出ApplyF/MonNodes窗口。在该小头拾取小头孔的内侧90°范围，加载方式为常量，大小为1000，单击OK完成，如图3.7所示。进行求解，得到“solutionisdone”的提示，完成求解，如图3.8所示。

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图3.6对大孔内表面施加对称约束

图3.7对小头内侧进行加载

图3.8完成求解

2.5计算及结果分析

经过软件计算，得出结果，通过图3.9和图3.10观察分别为汽车连杆的位移云图和应力云图：

图3.9连杆位移云图

图3.10连杆应力云图

结果显示，最大合位移出现在小孔内外表面；最大等效应力出现在小头孔内表面上，其值为2945.9Pa。从图中的应力和位移等直线可以看出:(1)整个连杆结构的最大应力出现在小头孔的承载区范围内，其他部位受力情况较均匀。这与实际情况是相吻合的。(2)最大变形出现在小轴孔表面，而大孔的变形非常小。在实际情况中，由于小孔是承载区，它的变形相对较大，大孔远离承载区，受影响较弱。综合上述分析，有限元分析结果是客观的，较为真实的反应了汽车连杆的受力情况。

2.6模态分析

根据模态分析理论，低阶频率下的振动对结构影响最大。

2.6.1约束及加载

大头保留绕孔中心线的转动自由度，其他自由度约束；小头保留沿气缸方向上移动和绕孔中心线的转动自由度，其他自由度约束。

具体操作如下：

指定分析类型：在ANSYSMainMenu中选择Solution>AnalysisType>NewAnalysis,弹出NewAnalysis对话框，勾选Modal复选框，单击OK按钮，如图3.11所示：

图3.11选模态分析类型

指定分析选项：选择Solution>AnalysisType>AnalysisOptions，弹出ModalAnalysis对话框，在Modeextractionmethod栏，选中BlockLanczos单选按钮，No.ofmodestoextract文本框中输入“3”，No.ofmodestoexpand文本框中输入“3”，单击OK按钮，弹出BlackLanczosMethod对话框，单击OK按钮，如图3.12所示：

图3.12选定3阶振型

施加约束：选择Solution>DefinedLoads>Apply>Structural>Displacement

>OnAreas，弹出ApplyU，ROTonA......拾取窗口，在图形编辑窗口选择左侧表面，单击OK按钮。在弹出的ApplyUROTOnAreas对话框中，选择UZ选项，单击Apply按钮。重复上述过程，分别对两端表面进行约束，单击OK按钮。

计算求解：Solution>Solve>CurrentLS,弹出/STARTACommand状态窗口和SolveCurrentLoadStep对话框，单击对话框的OK按钮，计算结束后单击状态窗口中的“关闭”按钮，选择GeneralPostproc>ResultsSummary,弹出SET，LISTCommand窗口，列表中显示了模型的3阶频率，等待求解结果，如图3.13、3.14所示：

图3.13SET，Command窗口

图3.14模态分析求解完成

3、计算及结果分析

本文分析连杆的前3阶模态，模态分析结果如表1所示，振型云图如图3.15所示：

表1模态分析结果

观察振型结果：首先读入第1载荷子步结果，在ANSYSMainMenu中选择GeneralPostproc>ReadResults>FirstSet,然后选择GeneralPostproc>PoltResult>DeformedShape，弹出PoltDeformedShape对话框，选中Def+Undefedge单选按钮，单击OK按钮，在ANSYSMainMenu中选择GeneralPostproc>ReadResults>NextSet，然后选择GeneralPostproc>PoltResult>DeformedShape，弹出PoltDeformedShape对话框，选中Def+Undefedge单选按钮，单击OK按钮。重复上述过程，读出第二、三阶振型，结果如3.15所示：

图3.15前3阶振型云图

由振型云图可以看出，前3阶模态内，连杆的振动形式多样，集中表现为水平弯曲、垂直弯曲和纵向扭转。其中，前3阶模态振动最大位移均出现在连杆两端，第2、3阶模态分析的振动位移最大，第1阶模态的振动位移相对较小，说明第2、3阶振动幅度较大，易发生共振。

4、结论

（1）最大位移出现在连杆小头圆孔处，然后逐渐向内递减，到连杆大头圆孔处为最小位移。

（2）最大应力出现在杆与小头圆孔接触处，值为2.9459MPa，是整个连杆最危险的部位，应采取相应的表面处理手段进行强化。

（3）利用有限元软件ANSYS对连杆进行了静力分析和模态分析，通过分析得到了连杆的模态和变形情况，因此，在设计连杆时，不仅要考虑杆身与大小头连接处应力集中问题，也要考虑避开共振频率的问题。

参考文献

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