基于ANSYS對柴油機連桿受拉工況有限元分析【含有限元】【說明書+CAD+PROE】

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The resultswere obtained on the vested working condition, and the result showed that the design of the connecting rod can meet the requirement. Key words Connecting rod; Strength; Finite element technology 作 者 簡 介 胡 冬 青 (1976 - ) ,女 ,安 徽 碭 山 人 ,碩 士 , 講 師 ,從 事 汽 車 系 統(tǒng) 動 力 學 與 控 制 研 究 。 收 稿 日 期 2009204207 內(nèi) 燃 機 的 運 動 機 構(gòu) 基 本 形 式 是 曲 柄 連 桿 機 構(gòu) ,由 活 塞 、 連 桿 和 曲 軸 三 大 構(gòu) 件 組 成 。 因 此 對 連 桿 進 行 分 析 對 發(fā) 動 機 的 正 常 工 作 及 發(fā) 動 機 的 性 能 非 常 必 要 。 在 實 際 工 作 過 程 中 連 桿 的 受 力 比 較 復 雜 ,因 此 文 中 分 3個 工 況 對 其 進 行 分 析 即 預 緊 工 況 、 最 大 爆 壓 工 況 及 最 大 轉(zhuǎn) 速 工 況 下 的 應 力 及 變 形 情 況 1 。 首 先 需 要 考 慮 到 慣 性 工 況 下 連 桿 的 運 動 情 況 和 爆 壓 工 況 下 的 受 力 情 況 。 1 連 桿 機 構(gòu) 受 力 分 析 1. 1 曲 柄 連 桿 機 構(gòu) 的 加 速 度 2 - 3 圖 1為 曲 柄 連 桿 機 構(gòu) 示 意 圖 ,從 圖 1中 可 以 看 出 活 塞 位 移 的 公 式 為 : 圖 1曲 柄 連 桿 機 構(gòu) 示 意 F ig. 1 Schema tic d iagram of crank connecting rod mechan ism x = R +L - Lcos - R cos (1) 其 中 , 為 曲 柄 轉(zhuǎn) 角 ; 為 連 桿 軸 線 在 其 擺 動 平 面 內(nèi) 偏 離 氣 缸 中 心 線 的 角 度 。 同 時 令 曲 柄 半 徑 與 連 桿 的 長 度 比 為 ,即 = R /L。 從 而 (1)式 可 變 為 : x = R (1 - cos ) +L (1 - 1 - 2 sin2 ) 從 位 移 公 式 可 以 得 到 活 塞 的 加 速 度 為 : a = d 2 x dt2 = R 2 cos( + ) cos + cos2 cos3 根 據(jù) 二 項 式 定 理 ,取 前 兩 階 對 原 方 程 進 行 簡 化 得 到 : a = R 2 cos + R 2 cos2 (2) 其 中 , 為 轉(zhuǎn) 速 。 1. 2 連 桿 組 加 速 度 對 于 連 桿 組 ,可 令 其 為 二 質(zhì) 量 系 統(tǒng) , 即 質(zhì) 量 集 中 于 大 小 頭 兩 端 ,根 據(jù) 質(zhì) 量 等 效 原 則 ,兩 者 到 質(zhì) 心 處 的 關 系 為 : mcp (L - b) =mcr b 同 時 : m =mcp +mcr 因 此 作 用 在 連 桿 組 質(zhì) 心 上 的 加 速 度 可 以 寫 成 : am = 1m (mcp acp +mcr acr ) = R 2 (1 + bL ) (3) 1. 3 爆 壓 力 缸 內(nèi) 氣 體 壓 力 作 用 在 活 塞 頂 部 傳 遞 給 連 桿 組 ,因 此 氣 體 壓 力 需 要 分 解 成 沿 連 桿 桿 身 方 向 和 作 用 于 缸 壁 的 側(cè) 向 力 ,因 此 連 桿 桿 身 作 用 的 氣 體 力 可 以 寫 成 : P = Pg 4 D2 cos (4) 其 中 , P g為 氣 體 爆 壓 力 。 2 有 限 元 模 型 的 建 立 建 立 有 限 元 過 程 中 ,考 慮 到 連 桿 組 件 是 對 稱 結(jié) 構(gòu) ,建 模 過 程 中 可 以 采 用 1 /2或 者 1 /4模 型 進 行 有 限 元 建 模 。 文 中 采 用 全 模 型 進 行 建 模 ,所 有 部 件 用 二 階 四 面 體 單 元 進 行 建 模 , 考 慮 到 連 桿 組 件 各 個 部 分 的 接 觸 處 理 ,因 此 采 用 C3D10M單 元 進 行 模 擬 。 如 圖 2所 示 對 各 接 觸 面 采 用 接 觸 對 進 行 模 擬 , 同 時 對 軸 瓦 跟 曲 軸 的 接 觸 中 ,采 用 剛 性 面 模 擬 曲 軸 ,從 而 減 小 模 型 規(guī) 模 3 - 4 。 劃 分 網(wǎng) 格 過 程 中 ,對 接 觸 平 面 應 盡 量 網(wǎng) 格 對 應 ,如 此 可 以 加 快 計 算 收 斂 速 度 ,節(jié) 約 計 算 資 源 ,建 立 的 模 型 見 圖 3。 責 任 編 輯 王 淼 責 任 校 對 張 士 敏安 徽 農(nóng) 業(yè) 科 學 , Journal of Anhui Agri. Sci. 2009, 37 (14) : 6458 - 6460 圖 2 連 桿 有 限 元 模 型 F ig. 2 M odel of connecting rod f in ite elemen t 圖 3 連 桿 組 件 構(gòu) 成 示 意 F ig. 3 Schema tic diagram of connecting rod composition consti2 tution 3 工 況 設 計 3. 1 裝 配 工 況 該 工 況 包 括 螺 栓 預 緊 力 裝 配 工 況 、 軸 瓦 過 盈 裝 配 工 況 及 襯 套 過 盈 裝 配 工 況 。 一 般 螺 栓 預 緊 力 的 模 擬 有 施 加 靜 態(tài) 力 和 采 用 彈 性 變 形 恢 復 力 兩 種 方 法 進 行 模 擬 ,在 文 中 根 據(jù) 國 標 查 出 相 應 螺 栓 類 型 的 預 緊 力 進 行 靜 態(tài) 加 載 方 式 進 行 模 擬 ;對 于 軸 瓦 和 襯 套 的 過 盈 裝 配 采 用 abaqus里 面 的 接 觸 對 過 盈 配 合 方 式 進 行 模 擬 4 。 3. 2 爆 壓 工 況 在 做 功 行 程 中 ,連 桿 受 到 由 活 塞 、 活 塞 銷 處 傳 來 的 燃 氣 壓 力 ,分 析 過 程 中 取 最 大 爆 發(fā) 壓 力 ,對 連 桿 而 言 , 爆 壓 力 應 作 用 于 活 塞 銷 上 ,如 圖 4所 示 ,將 作 用 力 表 面 的 節(jié) 點 用 rbe2連 接 ,集 中 力 施 加 于 rbe2主 點 上 ,施 加 力 的 大 小 由 式 (4)求 得 。 此 處 最 大 爆 壓 力 為 16 MPa。 圖 4 爆 壓 力 施 加 方 式 示 意 F ig. 4 Schema tic d iagram of explosive pressure applied method 3. 3 慣 性 力 工 況 根 據(jù) 式 (2)可 知 當 曲 柄 轉(zhuǎn) 角 為 0時 活 塞 到 達 上 止 點 ,此 時 連 桿 受 到 最 大 慣 性 力 作 用 ,加 載 中 以 體 積 力 的 方 式 施 加 在 連 桿 組 件 單 元 上 ,根 據(jù) 式 (2)可 知 力 的 大 小 由 發(fā) 動 機 轉(zhuǎn) 速 決 定 。 4 結(jié) 果 與 分 析 根 據(jù) 設 計 給 連 桿 組 件 各 部 分 賦 材 料 屬 性 ,其 中 連 桿 的 材 料 為 42 CrMoA,其 屈 服 極 限 為 780 MPa。 以 最 高 轉(zhuǎn) 速 6 000 r/m in,最 大 爆 壓 力 16 Mpa對 連 桿 進 行 計 算 。 得 到 各 個 工 況 下 的 應 力 及 變 形 分 布 如 圖 5 10所 示 從 圖 中 可 以 看 出 裝 配 圖 5 裝 配 工 況 下 的 應 力 分 布 F ig. 5 Stress d istribution under a ssembling condition 圖 6 裝 配 工 況 下 的 變 形 分 布 F ig. 6 Deformation distribution under assembling condition 圖 7 爆 壓 工 況 下 的 應 力 F ig. 7 Stress under explosive pressure cond ition 圖 8 爆 壓 工 況 下 的 變 形 F ig. 8 Deformation under explosive pressure condition 954637卷 14期 胡 冬 青 發(fā) 動 機 連 桿 的 三 維 有 限 元 分 析 研 究 圖 9 慣 性 力 工 況 下 的 應 力 F ig. 9 Stress under inertia force condition 圖 10 慣 性 力 工 況 下 的 變 形 F ig. 10 D eformation under inertia force cond ition 工 況 下 的 應 力 最 大 ,其 最 大 值 為 530 Mpa,該 值 小 于 連 桿 材 料 的 屈 服 極 限 ,滿 足 強 度 要 求 。 各 工 況 下 的 應 力 集 中 區(qū) 域 如 圖 中 圓 圈 所 示 ,這 些 區(qū) 域 可 能 會 形 成 疲 勞 源 從 而 對 結(jié) 構(gòu) 造 成 破 壞 ,設 計 中 對 這 些 區(qū) 域 應 加 以 關 注 。 從 圖 中 可 看 出 最 大 變 形 發(fā) 生 在 爆 壓 工 況 下 ,此 時 的 最 大 位 移 量 為 0. 214 mm,此 時 連 桿 的 應 力 最 大 為 493 MPa,小 于 材 料 屈 服 極 限 ,因 此 此 時 的 變 形 為 彈 性 變 形 ,當 外 力 卸 載 后 連 桿 變 形 能 自 動 恢 復 ,因 此 變 形 不 妨 礙 油 膜 的 形 成 ,各 個 工 況 連 桿 均 滿 足 靜 強 度 設 計 要 求 。 5 結(jié) 論 有 限 元 分 析 過 程 中 采 用 小 滑 移 彈 性 接 觸 模 型 進 行 分 析 , 提 高 了 模 型 的 收 斂 性 。 有 限 元 分 析 結(jié) 果 表 明 連 桿 在 各 個 工 況 下 滿 足 靜 強 度 要 求 。 同 時 通 過 有 限 元 進 行 仿 真 分 析 ,便 于 發(fā) 現(xiàn) 設 計 中 存 在 的 缺 陷 ,可 以 有 效 的 縮 短 開 發(fā) 周 期 ,因 此 對 工 程 設 計 具 有 指 導 意 義 。 參 考 文 獻 1 呂 彩 燕 ,蘇 鐵 熊 . 柴 油 機 連 桿 的 有 限 元 疲 勞 度 分 析 J . 華 北 工 學 院 學 報 , 2002, 23 (1) : 15 - 191 2 鄭 啟 福 .內(nèi) 燃 機 動 力 學 M .北 京 :國 防 工 業(yè) 出 版 社 , 1991. 3 余 成 波 ,何 懷 波 ,石 曉 輝 .內(nèi) 燃 機 振 動 控 制 及 應 用 M .北 京 :國 防 工 業(yè) 出 版 社 , 1997. 4 莊 茁 ,張 帆 ,岑 松 . ABAQUS非 線 性 有 限 元 分 析 與 實 例 M .北 京 :科 學 出 版 社 , 2004. 5 石 亦 平 ,周 玉 蓉 . ABAQUS有 限 元 分 析 實 例 詳 解 M .北 京 :機 械 工 業(yè) 出 版 社 , 2006. (上 接 第 6435頁 ) 即 淋 澆 定 根 水 。 有 缺 苗 要 及 時 補 栽 ,補 苗 后 ,要 進 行 一 次 中 耕 除 草 ,使 表 土 疏 松 ,保 持 下 部 土 壤 濕 潤 ,促 進 幼 苗 根 系 深 扎 。 隨 后 ,根 據(jù) 條 件 追 施 ,以 提 高 開 花 和 結(jié) 果 量 19 。 5. 2 病 蟲 害 防 治 諸 葛 菜 的 病 蟲 害 少 ,偶 有 蚜 蟲 、 紅 蜘 蛛 及 銹 病 危 害 。 防 治 方 法 :合 理 密 植 ;平 時 要 加 強 肥 水 管 理 ,增 強 植 株 抗 病 能 力 ,減 少 發(fā) 病 率 ;在 發(fā) 病 初 期 噴 1 1 100的 波 爾 多 液 進 行 防 治 。 蚜 蟲 防 治 方 法 是 在 蟲 害 發(fā) 生 期 噴 40%樂 果 乳 油 1 500 2 000倍 液 。 防 治 紅 蜘 蛛 可 用 殺 螨 靈 19 。 6 結(jié) 語 (1)目 前 ,諸 葛 菜 的 研 究 工 作 主 要 集 中 在 其 作 為 油 料 、 食 用 、 營 養(yǎng) 等 方 面 20 ,而 其 植 株 內(nèi) 具 有 生 物 活 性 的 物 質(zhì) 成 分 至 今 還 沒 有 更 為 詳 細 的 報 道 ,僅 已 知 其 含 有 黃 酮 類 化 合 物 。 因 此 ,探 討 諸 葛 菜 中 藥 用 有 效 成 分 ,研 究 分 析 其 中 的 黃 酮 類 化 合 物 成 分 ,能 為 進 一 步 綜 合 開 發(fā) 利 用 這 一 野 生 植 物 資 源 提 供 科 學 依 據(jù) 。 (2)諸 葛 菜 在 城 市 綠 化 方 面 也 具 有 很 廣 的 應 用 前 景 。 其 適 應 性 強 ,生 命 力 頑 強 ,并 且 能 快 速 繁 殖 ,如 果 大 面 積 種 植 , 可 以 有 效 地 減 少 揚 塵 的 發(fā) 生 。 (3)由 于 諸 葛 菜 的 維 生 素 、 礦 物 質(zhì) 、 蛋 白 質(zhì) 等 含 量 豐 富 。 可 在 前 人 研 究 的 基 礎 上 更 深 入 地 開 展 諸 葛 菜 的 人 工 栽 培 工 作 ,從 而 為 農(nóng) 產(chǎn) 品 增 加 一 個 新 的 蔬 菜 品 種 。 參 考 文 獻 1 周 太 炎 .諸 葛 菜 屬 ,中 國 植 物 志 M .北 京 :科 學 出 版 社 , 1987. 2 江 蘇 植 物 所 .諸 葛 菜 屬 ,江 蘇 植 物 志 M .南 京 :江 蘇 科 學 出 版 社 , 1982. 3 趙 培 潔 ,肖 建 中 .諸 葛 菜 ,中 國 野 菜 資 源 學 M .北 京 :中 國 環(huán) 境 科 學 出 版 社 , 2006. 4 韋 武 青 ,田 麗 敏 .觀 賞 蔬 菜 諸 葛 菜 J .蔬 菜 , 2007 (6) : 8. 5 謝 寅 堂 ,王 瑪 麗 ,趙 桂 仿 .諸 葛 菜 屬 ,西 安 植 物 志 M .西 安 :陜 西 科 學 技 術 出 版 社 , 2007. 6 任 全 進 ,于 金 平 ,張 廣 倫 .諸 葛 菜 資 源 的 綜 合 利 用 J .中 國 野 生 植 物 資 源 , 1998, 17 (2) : 24 - 25. 7 高 明 乾 ,盧 龍 門 .植 物 古 漢 名 圖 考 M .鄭 州 :大 象 出 版 社 , 2006. 8 羅 鵬 ,鐘 蓉 ,吳 沿 友 . 諸 葛 菜 種 質(zhì) 資 源 的 評 價 和 研 究 J . 作 物 品 種 資 源 , 1995 (1) : 16 - 18. 9 曹 熙 德 ,李 子 先 .油 菜 品 質(zhì) 改 良 的 重 要 天 然 遺 傳 資 源 -諸 葛 菜 利 用 前 景 展 望 J .天 然 產(chǎn) 物 研 究 與 開 發(fā) , 1989, 1 (2) : 71 - 74. 10 吳 建 忠 .諸 葛 菜 的 特 性 和 在 綠 化 中 的 應 用 J .切 磋 交 流 , 2000 (2) : 20 - 20. 11 WU Y Y,L I P P, ZHAO Y G. Study on photosynthetic characteristics of O rychophragm us violaceus related to shadeOtolerance J . Scientia Horti2 culturae, 2007, 113 (2) : 173 - 176. 12 羅 鵬 ,黃 邦 全 ,藍 澤 蘧 .菜 用 諸 葛 菜 的 研 究 J .四 川 大 學 學 報 :自 然 科 學 版 , 1998, 35 (4) : 638 - 640. 13 馬 成 亮 .諸 葛 菜 J .特 種 經(jīng) 濟 動 植 物 , 2002 (4) : 26. 14 翁 德 寶 ,汪 海 峰 ,翁 佳 穎 .諸 葛 菜 莖 葉 中 黃 酮 類 化 合 物 的 研 究 J . 中 國 野 生 植 物 資 源 , 2000, 19 (5) : 13 - 15. 15 王 欣 ,李 向 ,王 慶 紅 .諸 葛 菜 中 黃 酮 類 化 合 物 提 取 方 法 和 抗 氧 化 性 研 究 J .安 徽 農(nóng) 業(yè) 科 學 , 2007, 35 (27) : 8667 - 8669. 16 王 欣 ,夏 新 奎 ,徐 固 華 .微 波 輔 助 萃 取 諸 葛 菜 中 的 總 黃 酮 研 究 J . 安 徽 農(nóng) 業(yè) 科 學 , 2007, 35 (22) : 6705 - 6706. 17 余 宏 軍 ,蔣 衛(wèi) 杰 ,孫 奐 明 .十 九 種 稀 特 蔬 菜 的 營 養(yǎng) 價 值 J .北 方 園 藝 , 2008 (8) : 52 - 56. 18 吳 沿 友 ,蔣 九 余 ,帥 世 文 .諸 葛 菜 的 營 養(yǎng) 成 分 分 析 J .中 國 油 料 , 1997, 19 (4) : 22 - 23. 19 路 洪 順 ,劉 鑫 軍 ,劉 建 敏 .諸 葛 菜 的 利 用 與 栽 培 J .特 種 經(jīng) 濟 動 植 物 , 2002 (7) : 38 - 38. 20 王 雁 ,彭 鎮(zhèn) 華 .二 月 蘭 的 多 用 途 開 發(fā) 與 城 市 綠 化 應 用 J .中 國 城 市 林 業(yè) , 2006, 4 (3) : 39 - 41. 0646 安 徽 農(nóng) 業(yè) 科 學 2009年