發(fā)動機重要零部件有限元分析_學士學位畢業(yè)論文

1、目 錄目 錄.1摘 要3Absract.4引 言5第一章 緒論61.1 課題提出的意義61.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展81.2.1 汽車發(fā)動機零部件有限元網(wǎng)格生成技術81.2.2 曲柄連桿機構有限元發(fā)展趨勢101.2.3 有限元法的發(fā)展趨勢111.3課題研究目標、研究內(nèi)容111.3.1研究目標111.3.2研究內(nèi)容12第二章 有限元分析、Proe/E理論基礎132.1 有限元法132.1.1有限元法的一般程序結(jié)構132.2 有限元方法理論152.3 Pro/E軟件簡介162.3.1實體模型172.3.2單一數(shù)據(jù)庫172.3.3以特征作為設計的單位172.3.4參數(shù)化設計17第三章 基于連桿，活塞

2、特征的三維實體建模183.1 連桿183.1.1連桿的特點分析183.1.2連桿的建模思路183.1.3連桿三維模型的建立183.1.4技巧與提高193.2 活塞203.2.1 活塞的特點分析203.2.2 活塞的建模思路203.2.3 活塞三維模型的建立203.2.4 技巧與提高21第4章 零部件的靜態(tài)有限元分析224.1 有限元分析軟件的選擇224.2 Pro/MECHANICA簡介244.2.1 Pro/MECHANICA模塊簡介244.2.2 Pro/MECHANICA的工作模式244.2.3 使用Pro/MECHANICA的一般過程254.3 連桿的有限元分析264.3.1連桿有限元

3、分析的內(nèi)容264.3.2定義雜項264.3.3劃分網(wǎng)格274.3.4連桿的約束條件及受力條件294.3.5 壓縮工況下的應力分析294.3.6 拉伸工況下的應力分析324.4 活塞的有限元分析354.4.1 幾何模型的簡化354.4.2 定義雜項364.4.3 設置活塞的約束條件及載荷364.4.4 劃分網(wǎng)格374.4.5 活塞的結(jié)構分析384.4.6 應力分析結(jié)果394.4.7 疲勞分析42結(jié)論與展望44致 謝46參考文獻47發(fā)動機重要零部件有限元分析 專業(yè)班級：J機械0803 姓名：徐亞光 指導老師：王霄 職稱：教授摘要 作為生產(chǎn)柴油機的領軍行業(yè)，為了提升行業(yè)的生產(chǎn)競爭力，柴油機在設計上已

4、經(jīng)開展了計算機輔助工程的應用工作，本文研究的課題就來源于汽車實驗室。本文進行了發(fā)動機重要零部件活塞，連桿的有限元。 本文在有限元分析方面提供了有限元分析的輸入載荷。本論文主要完成了以下工作:(l)利用Pro/E軟件建立連桿，活塞的三維模型，進行模型簡化，并在Pro/E Mechanica中劃分網(wǎng)格，約束材料，連接等條件得到有限元模型，包括模型選擇及簡化、單元選擇、網(wǎng)格劃分、選擇工況、確定邊界條件及確定載荷和約束施加等;對連桿在壓縮工況下的靜態(tài)應力分析，得到了與實際情況相符的應力云圖，變形云圖以及等值線應力分布圖等;對連桿在拉伸工況下的靜態(tài)分析，同時得到了其應力云圖與變形云圖。(2) 對活塞進行

5、靜態(tài)有限元分析研究。通過分析活塞受力情況，使用Pro/mechanic軟件對活塞進行結(jié)構分析，得到其應力云圖，等值線分布云圖及其變形云圖，并對壽命進行校核，分別得到了活塞的疲勞壽命云圖和安全因素圖。 本文用Pro/E對連桿，活塞在靜態(tài)工況下的極限位置進行了簡單的分析，對今后發(fā)動機連桿，活塞的應力，疲勞計算有一定的參考價值。關鍵詞： 連桿 活塞 靜態(tài)分析 有限元分析 結(jié)構分析 Finite element analysis of the important parts of the engineAbstract Leader in the industry as a production die

6、sel engine, in order to enhance the competitiveness of the industrys production, the diesel engine design has been carried out computer-aided engineering applications, the subject of this study comes from the automotive laboratory. Were important parts of the engine piston, connecting rod of finite

7、element. In this paper, the finite element analysis, finite element analysis of the input load. In this thesis, completed the following work:(1) The establishment of the connecting rod, piston of three-dimensional model, using Pro / E software for model simplification, finite element model and the c

8、onditions of the Pro / E, the Mechanica in the mesh, constraints, materials, connections, including model selection and simplification of unit Select the mesh, select the operating mode, to determine the boundary conditions and to determine the loads and constraints imposed, etc.; rod in compression

9、 conditions of static stress analysis, have been consistent with the actual situation of stress cloud deformation cloud images and contour stress distribution, etc.; Static analysis of the connecting rod in the stretch condition, while its stress cloud deformation cloud images.(2) Static finite elem

10、ent analysis of the piston. By analyzing the piston force, using Pro / the mechanic software for structural analysis of piston stress cloud contour contours, its deformation cloud images, and the life check, were obtained by the cloud images of the fatigue life and safety of the piston speak factor

11、map. Pro / E and the connecting rod, piston limit position of the static conditions, a simple analysis of future engine connecting rod and piston stress, fatigue, there is some reference value.Keywords: Link Piston Static analysis Finite Element Analysis Structural Analysis引 言 計算機技術的發(fā)展推動了產(chǎn)品設計的多樣化。企業(yè)

12、只有不斷保持產(chǎn)品創(chuàng)新，才能在激烈的市場競爭中立于不敗之地。 CAD/CAM技術是實現(xiàn)創(chuàng)新的關鍵手段，而CAE是實現(xiàn)創(chuàng)新設計的最主要技術保障。在計算機技術迅猛發(fā)展的今天，要求企業(yè)把產(chǎn)品設計與三維仿真及有限元分析系統(tǒng)有效的結(jié)合起來，以達到制造業(yè)高效、低成本、自動化的市場要求。 在柴油機的曲柄連桿機構中，連桿,活塞工作的可靠性問題一直是人們在柴油機研究和改進過程中關注的熱點問題。在動力系統(tǒng)中，連桿是承受負荷最嚴重的零件之一，在高溫高壓的工作環(huán)境中，同時承受著活塞傳來的氣體壓力、往復慣性力和它本身擺動時所產(chǎn)生的慣性力的作用，這些力的大小和方向周期性變化，很容易引起連桿的疲勞破壞。因而設計重量輕而且具有

13、足夠強度的連桿對現(xiàn)代柴油機設計有著舉足輕重的作用。 以Pro/E為設計工具、以Pro/MECHANICA為分析平臺，對柴油機連桿，活塞進行結(jié)構分析及其性能優(yōu)化設計。在Pro/E中，分析了連桿，活塞的結(jié)構特點，總結(jié)出連桿設計中的主要結(jié)構特征，將基于特征的建模技術應用于連桿有限元分析中，討論了連桿建模方法，建立了連桿三維實體分析模型。 以Pro/MECHANICA為分析平臺，運用有限元分析方法，對柴油機連桿，活塞實際受力情況、邊界條件和施加載荷進行研究。通過分析計算，確定了連桿的拉伸與壓縮載荷最大應力與活塞的標準汽缸壓力。其中，用結(jié)構(Structure)分析工具對連桿優(yōu)化參數(shù)進行靈敏度分析，在滿

14、足優(yōu)化約束的條件下，對連桿的結(jié)構進行優(yōu)化設計，從而有效地解決了在實際工況下由于應力集中導致連桿斷裂破壞的這一主要問題。通過計算分析，分析活塞的應力和疲勞強度。將有限元技術與結(jié)構優(yōu)化設計相結(jié)合，在連桿最大工作應力滿足許用應力的條件下，優(yōu)化連桿結(jié)構參數(shù)，達到目標函數(shù)一質(zhì)量最小。結(jié)果表明設計較精確，能滿足柴油機連桿的實際工況要求。第一章 緒論1.1 課題提出的意義 隨著時代的發(fā)展，現(xiàn)代的發(fā)動機無論是結(jié)構還是性能，都較以往有了很大的飛躍?？萍歼M步不僅推動了發(fā)動機行業(yè)的發(fā)展，還同時對它提出了更加嚴格的要求。現(xiàn)代發(fā)動機的強化指標逐漸提高，燃燒的高效低污染、使用的穩(wěn)定安全、整機壽命的延長等等技術要求不斷督促

15、著發(fā)動機行業(yè)加大研究力度和深度。 有限元法隨著計算機科學的發(fā)展，在包括汽車發(fā)動機在內(nèi)的幾乎所有工程領域得到愈來愈廣泛的運用。有限元技術的出現(xiàn)，為工程設計領域提供了一個強有力的計算工具，經(jīng)過迄今約半個世紀的發(fā)展，它己日趨成熟實用，在近乎所有的工程設計領域發(fā)揮著越來越重要的作用。汽車發(fā)動機零部件的設計是有限元技術最早的應用領域之一。有限元技術的應用提高了汽車發(fā)動機零部件設計的可靠性，縮短了設計周期，大大推動了汽車發(fā)動機工業(yè)的發(fā)展。近幾年來，隨著計算機軟硬件水平的提高，汽車發(fā)動機零部件有限元技術又取得了許多新的進展。一直以來傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式在我國占據(jù)著主要的地位，傳統(tǒng)的機械設計周期長，大量依賴經(jīng)驗，特

16、別在設計過程中有很多是要工程師大量的計算工作，包括校核強度、估算失效等。這些無疑都會延長生產(chǎn)周期，在競爭上得不到提高。隨著計算機輔助設計（CAD）計算機輔助工程（CAE）、還有計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助工藝（CAPP）的不斷發(fā)展，機械制造業(yè)也開始了一場革命性的改變。圖1.1現(xiàn)代制造流程Fig.1.1 modern mechanical flow不僅在設計上在模具開發(fā)上，在設計合理上也有著很大的貢獻。計算機輔助制造的推廣使用對我國的制造業(yè)提升競爭力有著巨大的推動作用。那么整個現(xiàn)代化設計過程中的CAE即計算機輔助工程有著重要的地位。 由圖我們可以簡單看出，CAE在設計過程中是承上啟下，決

17、定產(chǎn)品合理性與否能否投產(chǎn)的關鍵，也說明了CAE的普遍應用是有著實際的價值的。 現(xiàn)代新品設計和開發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)越來越多，產(chǎn)品設計越來越復雜，應用的先進技術越來越多，對產(chǎn)品的功能和性能的要求越來越高，而與此同時，產(chǎn)品的生命周期在不斷縮短，這就要求我們必須在最短的時間內(nèi)開發(fā)出性能最優(yōu)異的產(chǎn)品。 有限元法是當今工程分析中應用最廣泛的數(shù)值計算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技術界的高度重視。它不但可以解決工程中的結(jié)構分析問題，也成功地解決了傳熱學、流體力學、電磁學和聲學等領域的問題。有限元計算結(jié)果可以作為各類工業(yè)產(chǎn)品設計和性能分析的可靠依據(jù)。使用有限元方法分析活塞模型，可以很直接地分析活塞零部件的

18、結(jié)構強度問題，熱負荷問題，而研究分析的結(jié)果與試驗相結(jié)合將驗證試驗進行的有效性。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展1.2.1汽車發(fā)動機零部件有限元網(wǎng)格生成技術 有限元網(wǎng)格模型的建立是采用有限元法求解問題的先決條件。在整個求解過程中，它通常是工作量最大的部分。隨著有限元技術的廣泛應用，有限元網(wǎng)格生成技術和可視化研究得到很大發(fā)展。目前汽車發(fā)動機零部件有限元網(wǎng)格生成方式基本上可分為下述兩種類型。(1)、不基于幾何模型直接建立節(jié)點、單元模型 當求解問題的模型相對簡單或采用的軟件功能有限時，一般采用這種建模方式。依據(jù)建模的特點，可以采用手工方式建立整個模型，也可以首先通過手工建立一部分節(jié)點和單元，然后通過旋轉(zhuǎn)拷

19、貝、平移拷貝、合并操作建立整個模型。早期的模型建立受軟硬件條件的限制只能采用這種方式。例如，在曲軸建模時根據(jù)曲軸的多重復結(jié)構特點，先手工建立一個單拐模型，再通過旋轉(zhuǎn)、平移復制成主體模型，最后將主體模型與前后端模型合并成曲軸的整體有限元網(wǎng)格模型。 這種有限元網(wǎng)格模型的建立方式需花費較多的時間和人力，節(jié)點坐標、單元信息、(例如梁、板、殼單元的截面特性參數(shù))邊界條件(包括位移、約束、載荷大小等)均需手工計算。對一些大規(guī)模的復雜結(jié)構，模型可能因此作較大的簡化，影響最終分析的可靠度，這也是早期汽車發(fā)動機零部件有限元分析大部分集中在一些相對簡單結(jié)構的重要原因。但這種有限元網(wǎng)格模型的建立方式也具有易控制單元

20、類型、節(jié)點密度等優(yōu)點。特別是隨著軟件在交互性、可視化方面的發(fā)展更增強了這種建模方式的生命力。現(xiàn)在即便許多具有很強前處理功能的大型分析軟件，也仍然保留這種建模方式，只是在使用方便性上做了較大的提高。(2)、基于幾何模型自動生成節(jié)點、單元模型 近些年來，有限元前處理技術的進展的一個突出特點是計算機輔助幾何造型(特別是三維實體造型)技術的引入。以幾何模型為載體，可以自動生成相應的有限元網(wǎng)格模型。根據(jù)問題的不同，采用的幾何模型也相應不同。適用桿、梁單元分析的問題可以采用線模型，適用板殼單元分析的問題采用面模型，而適宜采用實體單元分析的問題則采用實體模型。這里的線模型或面模型可以預先直接建立也可以由實體

21、模型轉(zhuǎn)換生成，目前許多商用CAD系統(tǒng)都有自動生成實體模型中面模型的功能。 基于幾何模型的網(wǎng)格生成，可以通過指定不同區(qū)域的單元大小，使網(wǎng)格密度合理?；谌S實體模型建立有限元網(wǎng)格符合現(xiàn)代CAD并行工程的要求?，F(xiàn)代CAD并行工程要求分析模型能充分利用設計主模型，并與設計主模型相關一致。顯然這樣極大地提高了分析結(jié)果的可信度，同時也大大提高了有限元網(wǎng)格模型生成速度和分析效率，節(jié)約了大量的時間和人力。 這對于有限元實際運用具有重要意義。目前通過許多大型CAD軟件(如I-DEAS, PRO/ENGINEER等)，人們可以不加簡化的建立汽車發(fā)動機許多復雜零部件的有限元網(wǎng)格模型。 盡管有限元網(wǎng)格自動生成技術發(fā)

22、展到現(xiàn)在，出現(xiàn)了大量的不同的實現(xiàn)方法，如映射法、布點及三角化法、拓撲分解法、幾何分解法、基于柵格法等等，但是所有這些方法在大規(guī)模復雜結(jié)構的運用上仍具有許多困難。突出的表現(xiàn)在兩方面:一是幾何元素過多，使得現(xiàn)有算法一次自動生成其有限元網(wǎng)格需要高性能、高配置的硬件，現(xiàn)有算法難以實現(xiàn);二是有些幾何元素太復雜或幾何元素尺寸的大小相差懸殊，導致現(xiàn)有算法失效或生成網(wǎng)格的質(zhì)量欠佳。 在現(xiàn)有條件下，解決上述問題的一個有效途徑就是引入非流形幾何建模技術，將原有幾何模型在拓撲上通過內(nèi)部邊界分解為多幾個相對簡單的拓撲子域，由于非流形模型可以實現(xiàn)內(nèi)部邊界的直接查詢，故在利用現(xiàn)有算法對分解后的各個子域進行網(wǎng)格自動劃分時，

23、不會出現(xiàn)相鄰邊界的劃分錯誤。由此可以實現(xiàn)子域的各個擊破，并最終完成大規(guī)模復雜結(jié)構的有限元網(wǎng)格劃分。因此實際上增強了各種有限元網(wǎng)格自動生成技術的功能，拓寬了汽車發(fā)動機中可分析零件的范圍。 解決上述問題的另一條有效途徑是，先將結(jié)構劃分成某些區(qū)域節(jié)點并不連續(xù)的有限元網(wǎng)格，再通過施加節(jié)點間位移約束消除模型變形的不協(xié)調(diào)。另外部分大型軟件不僅可以實現(xiàn)單個零件基于幾何模型的有限元網(wǎng)格自動生成，對裝配模型有限元網(wǎng)格的建立或多零件的有限元網(wǎng)格的模型裝配也可以方便的實現(xiàn)。 目前汽車發(fā)動機中最復雜的零部件包括氣缸蓋、機體、曲軸、活塞、連桿、增壓器渦輪、壓氣機等等，都可以根據(jù)CAD實體模型直接建立非常精確的有限元網(wǎng)格

24、模型，為這些先前幾乎無法進行可靠計算的零部件，提供了一條可行的設計途徑。 有限元方法是求解各種復雜數(shù)學物理問題的重要方法，是處理各種復雜工程問題的重要分析手段，也是進行科學研究的重要工具。目前，國際上有 90的機械產(chǎn)品和裝備都要采用有限元方法進行分析，進而進行設計修改和優(yōu)化。實際上有限元分析已成為替代大量實物試驗的數(shù)值化，基于該方法的大量計算分析與典型的驗證性試驗相結(jié)合可以做到高效率和低成本。1.2.2 曲柄連桿機構有限元發(fā)展趨勢連桿上接活塞,下連曲軸,將活塞的往復直線運動轉(zhuǎn)換為曲軸的回轉(zhuǎn)運動有限元法應用于內(nèi)燃機工程的目的可分為兩類:一類是進行結(jié)構分析，內(nèi)燃機的一些零部件可能發(fā)生損壞，用有限元

25、法分析和研究結(jié)構損壞的原因，找出危險區(qū)域和部位，提出相應的改進設計措施。另一類是進行結(jié)構設計，在進行內(nèi)燃機的結(jié)構設計時，可以預先對一些可能的結(jié)構方案進行有限元分析計算，再根據(jù)對計算結(jié)果的分析和比較，選取最佳的合理方案。有限元法在內(nèi)燃機工程上的運用，縮短了內(nèi)燃機的開發(fā)周期和成本，提高了內(nèi)燃機的可靠性、經(jīng)濟性。有限元強度應力分析、動響應分析、可靠性分析和優(yōu)化分析。常規(guī)的機械設計是需要工程師大量的設計經(jīng)驗，在強度和結(jié)構的分析上是靠人工計算，如果構件復雜，人工計算無疑是很浪費人力和時間的工作，所以引入有限元的概念，借助計算機，幫助計算，減輕工程人員的工作量，提高設計效率。連桿的計算分析在早期多采用經(jīng)驗

26、公式，有限元理論和方法提出后,迅速在連桿分析上得到廣泛應用。連桿的有限元分析模型經(jīng)歷了一個由簡單到復雜、由淺入深的演變發(fā)展過程。從最早的曲梁模型,到20世紀七八十年代的平面連續(xù)模型,再到90年代至今的三維實體模型。近年來,國內(nèi)外許多學者對內(nèi)燃機連桿的有限元分析進行了大量的研究,歸納起來主要是以下幾個方面:有限元強度應力分析、動響應分析、可靠性分析和優(yōu)化分析。由于曲軸幾何形狀、邊界條件和載荷極其復雜,在60年代以前很長一段時間內(nèi),人們主要用實驗手段來研究曲軸的強度。而對曲軸的計算常用方法有兩種:簡支梁法和連續(xù)梁法，因此，計算精度很低,基本上滿足不了設計需要。隨著計算機和計算力學的飛速發(fā)展,最近3

27、0多年來曲軸的計算方法有了極大的改善，計算精度有了較大的提高,可以相當精確地確定曲軸任一部位的應力,因此對曲軸整體的強度也可以作比較精確的評估。在曲柄連桿機構的設計中,希望曲柄連桿機構有較高的可靠性和較長的使用壽命。但是由于制造公差、溫度以及工作期間的磨損等因素的影響,實際上機構的運動要偏離設計預定的理想運動軌道,這在工程上是完全允許的。但不能超過規(guī)定的限度，若超過了這一限度值,而造成潤滑膜破壞，產(chǎn)生過大的沖擊載荷,使各運動件承受過大的載荷,加速疲勞，并造成過大的振動；同時也會引起壓力損失,加速磨損,降低性能。因此,運動精度可靠性是曲柄連桿機構可靠性研究的一個重要方面。1.2.3 有限元法的發(fā)

28、展趨勢目前，有限元結(jié)構分析趨向于分析系統(tǒng)，而不僅僅局限于零部件的分析。更高性能的計算機和更強大的有限元軟件的出現(xiàn)，使工程師們能夠建立更大、更精確、更復雜的模型，從而為用戶提供及時、費用低廉、準確、信息化的解決方案。隨著計算機技術的提高，特別是有限元高精度理論的完善和應用，有限元分析由靜態(tài)向動態(tài)、線性向非線性、簡單模型向復雜系統(tǒng)，逐步地擴大應用范圍。1、求解能力更強大。增加有限元模型幾何細節(jié)會加強模擬模型與實際結(jié)構之間的聯(lián)系。在實際中，任何模擬所需要的計算機資源都是巨大的，決定有限元模擬規(guī)模大小的因素是幾何離散化程度(節(jié)點數(shù)和單元數(shù)等)和所用材料模型的計算復雜性。20世紀90年代，國外對發(fā)動機曲

29、軸進行了大約80萬自由度線性分析，2001年則采用了500萬自由度的模型對活塞組件做非線性模擬。隨著計算機技術和有限元技術的發(fā)展，在不久的將來，模型可以達到1億自由度甚至更大。2、分析的分界線越來越模糊。在應力和運動的模擬分析之間，傳統(tǒng)的分界線將越來越模糊。能做運動模擬分析的軟件也能用于分析結(jié)構，如ANSYS就是集結(jié)構、動力學、溫度場、流體力學和磁場于一體的分析軟件。同時，相同模型用于多種分析將引起人們的重視。在汽車工業(yè)中，相同模型可用于結(jié)構靜力學和動力學分析，禍合場分析是這種趨勢的最明顯體現(xiàn)。 3、系統(tǒng)分析。系統(tǒng)分析的出現(xiàn)，使得整個系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零部件之間的關系需要綜合考慮，它們之間的影響具

30、有層次性，各零部件之間的影響將表現(xiàn)在整個系統(tǒng)分析中。分析某一零件時，為考慮其它零件剛度的影響和力的傳遞，在計算模型中應該包括相關的其它零件。另外，為了達到對系統(tǒng)整體性能了解的要求，還應該進行系統(tǒng)內(nèi)部裝配件分析。1.3課題研究目標、研究內(nèi)容1.3.1研究目標 Pro/Engineer軟件是美國參數(shù)技術公司 (parametrieTeehnologyCorporation，簡稱PTC)開發(fā)的產(chǎn)品。其中的Pro/MECHANICA模塊(簡稱Pro/M)可以進行有限元結(jié)構分析。用戶在Pro/E環(huán)境下完成零件的三維建模后，無需退出設計環(huán)境就可以進行有限元分析，這是目前絕大多數(shù)有限元軟件所不能做到的。在此

31、之前，機械設計工程師進行有限元分析時，首先需要利用幾何建模功能強的軟件對零件進行建模，然后利用IGES格式或者STEP格式將數(shù)據(jù)導入有限元分析軟件進行分析。這樣做的最大弊端是數(shù)據(jù)的丟失，因此分析人員常?；ㄙM大量的時間和精力進行幾何模型的修復。由于Pro/E全參數(shù)化設計思想貫穿整個設計的每個環(huán)節(jié)，因此利用Pro/M還可以進行模型的靈敏度分析、優(yōu)化設計以及動力學分析。 本文以柴油機連桿，活塞為研究對象，在Pro/E集成模式下運用Pro/M對連桿，活塞進行有限元分析，得出了連桿，活塞的應力分布狀況，避免了原連桿，活塞疲勞安全系數(shù)估計過于隨機、盲目的問題。1.3.2研究內(nèi)容 PTC公司開發(fā)的有限元分析

32、軟件Pro/M有集成工作方式和獨立工作方式兩種。在集成工作方式下，用戶可在CAD模型構建后，不脫離Pro/E環(huán)境就能對幾何模型進行有限元分析。Pro/M有三個塊，即結(jié)構分析塊、運動動力學仿真塊和熱傳導分析塊。利用結(jié)構分析塊可以進行結(jié)構分析和優(yōu)化設計等。利用運動動力學仿真可以進行機構的運動學分析、動力學分析、三維靜態(tài)分析和干涉檢查。利用熱傳導分析可以進行零件的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場分析。主要的研究內(nèi)容有:1.研究基于特征技術連桿，活塞的三維建模方法，包括特征的定義、分類，特征的約束、組合關系和特征編輯的方法等。討論連桿，活塞的基于特征的實體建模方法。2.以Pro/M為分析平臺，運用有限元分析方法，對柴

33、油機連桿，活塞工作狀況中的實際受力情況、連桿，活塞的有限元網(wǎng)格劃分、邊界條件的確定和施加進行研究。通過應力分析和顯示應力云圖，確定連桿，活塞的最大主應力、最大主應變部位(即連桿的應力集中點)，為連桿靈敏度分析提供依據(jù)。3.根據(jù)應力集中點的尺寸設計參數(shù)對連桿進行靈敏度分析，找出產(chǎn)生連桿應力集中現(xiàn)象的主要原因，應力集中是造成連桿斷裂的主要原因。第二章 有限元分析、Proe/E理論基礎2.1有限元法有限元是常說的CAE分析，核心概念就是離散：就是把要分析的某連續(xù)體人為地分割成有限個單元，單元間通過頂點的節(jié)點連接起來。復雜的連續(xù)體經(jīng)此離散化，可視為若干單元的組合體。對每個單元，選取適當?shù)牟逯岛瘮?shù)，使得

34、該函數(shù)在子域內(nèi)部、子域分界面上(內(nèi)部邊界)以及子域與外界分界面（外部邊界）上都滿足一定的條件。單元組合體在己知外載荷作用下處于平衡狀態(tài)時，列出一系列以節(jié)點位移為未知量的線性方程組。利用計算機解線性方程組獲得節(jié)點位移后，再用彈性力學的有關公式，計算出各單元的應力、應變，當各單元小到一定程度，那么它就代表連續(xù)體各處的真實情況。從應用數(shù)學角度，有限單元法基本思想的提出，可以追溯到Courant在1943年第一次嘗試使用在三角區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相結(jié)合，求解扭轉(zhuǎn)問題，雖然期間有很多工程師、物理學家、數(shù)學家都涉及有限單元法，但知道1960年，電子數(shù)值計算機的應用和發(fā)展，有限單元法的發(fā)展才顯

35、著加快?，F(xiàn)代有限單元法的第一個成果的嘗試，是將剛架位移推廣應用于彈性利息平面問題，是在分析飛機結(jié)構時在1956年的成果，第一次給出了三角形單元求的平面應力問題的正確解答。三角形單元的單元特性是由彈性理論方程確定的，采用直接剛度法，在1960年第一次提出了“有限單元法” 。2.1.1有限元法的一般程序結(jié)構 有限元法求解問題，概括起來分為以下幾個步驟:1、結(jié)構離散化 結(jié)構離散化是將分析的結(jié)構分割成有限個單元體，在單元體的指定點設置節(jié)點，使相鄰單元的有關參數(shù)具有一定的連續(xù)性，構成一個單元的集合體，以代替原來的結(jié)構，并把彈性體邊界的約束用位于彈性體邊界上節(jié)點的約束代替。結(jié)構離散化的基本原則有兩條:(1

36、)、幾何近似。要求物理模型的幾何形狀近似真實結(jié)構。(2)、物理近似。要求離散的單元特性近似真實結(jié)構在這個區(qū)域的物理性質(zhì)。所謂物理性質(zhì)，就是該區(qū)域的受力情況、變形情況、材料特性等。 產(chǎn)生節(jié)點和單元主要有如下4步:設置材料屬性;設置單元屬性;設置網(wǎng)格控制選項;產(chǎn)生網(wǎng)格。設置材料屬性和單元屬性是網(wǎng)格劃分之前完成的步驟，典型的材料屬性包括彈性模量、泊松比、密度和熱膨脹系數(shù)。根據(jù)計算的場合以及單元類型選擇需要輸入的材料屬性、單元名、自由度、實常數(shù)等。單元選擇一般需要考慮以下因素:（1）、維數(shù)。分為二維或三維單元。（2）、單元特征形狀。單元有4種形狀:點、線、面和體單元。點單元只有一個節(jié)點，如質(zhì)量單元;線

37、單元代表直線或者弧線，通常有2或3個節(jié)點。面單元有三角形單元和四邊形單元;體單元是四面體或者六面體。2、單元分析 單元分析是用力學理論研究單元的性質(zhì)，從建立單元位移模式入手，導出計算單元的應變、應力和單元等效節(jié)點載荷向量的計算公式。圖223、應用變分原理推導單元剛度矩陣。4、集合整個離散化連續(xù)體的代數(shù)方程。5、求解節(jié)點位移矢量。6、由節(jié)點位移計算出單元的應變和應力。完整的有限元分析流程如圖2-2所示。2.2 有限元方法理論數(shù)值模擬技術是現(xiàn)代工程學形成和發(fā)展的重要推動力之一。目前，在工程領域常用的數(shù)值模擬方法有:有限單元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，有限單元法是其中實際應用最廣泛的一種。

38、CAE是一個輔助工程的統(tǒng)稱，是一門年輕卻蓬勃發(fā)展的交叉性學科，包括了材料力學、計算機學、數(shù)學、固體力學、動力學、流體學、聲學等等實際工程上需要分析的學科。傳統(tǒng)意義上現(xiàn)代產(chǎn)品設計過程理解為有限元分析（FEA），實際上CAE的范圍是非常廣的，結(jié)構分析的特點是以工程問題為背景，建立計算模并進行進計算仿真分析，對工程和產(chǎn)品進行性能和安全可靠性分析，對于未來工作狀態(tài)和運行行為進行模擬，以便及早發(fā)現(xiàn)設計中的不足，并證實未來工程、產(chǎn)品功能和性能的可用性和可靠性。CAE的發(fā)展開始于20世紀50年代中期，真正的相關軟件誕生于70年代初期，80年代中期才是發(fā)展迅速的時期。在發(fā)達國家，CAE的發(fā)展和應用已經(jīng)比較普及

39、了，我國加入WTO以后為了提高市場競爭力與世界接軌，CAE的應用和發(fā)展也是必須的。有限元法是以變分原理和剖分插值為基礎的數(shù)值方法。它的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體。單元之間僅靠節(jié)點連接，單元內(nèi)部點的待求量可由單元節(jié)點量通過選定的函數(shù)關系插值求得。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進行組合，且單元本身又可以有不同的形狀，因此可以模型化幾何形狀復雜的求解域，同時利用在每一個單元內(nèi)假設的近似函數(shù)來分片地表示全求解域上待求的未知場函數(shù)，從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。通過插值函數(shù)計算出各個單元內(nèi)場函數(shù)的近似值，從而得到整個求解域上

40、的近似解。整個計算過程可歸納為:先分后合，以點代面。對溫度場來說，節(jié)點上的未知物理量就是溫度;對固體力學來說，節(jié)點上的未知物理量可以是廣義位移(位移、轉(zhuǎn)角等)，也可以是廣義力(應力、內(nèi)力等)，或者是它們兩者的混合。所以，固體力學有限元法按求解時的基本未知量可以分為:力法、位移法、混合法以及雜交法。有限元法的求解步驟可歸納為:1、把很復雜的結(jié)構拆分為若干個形狀簡單的單元，這些單元一般要小到可以用簡單的數(shù)學模型來描述參數(shù)在其中的分布，這一步驟稱為離散。2、通過對單元的研究來建立多個特性參數(shù)之間的關系方程，這一過程稱為單元分析。在彈性力學中，單元分析的任務是:建立聯(lián)系應變與節(jié)點位移分量的方程，聯(lián)系應

41、力與節(jié)點位移分量的方程，同時研究單元的節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關系，以及把作用在單元中間的外載荷轉(zhuǎn)化為節(jié)點載荷。3、在單元分析基礎上，利用平衡條件和連續(xù)條件，將各個單元拼裝成整體結(jié)構。對整體在確定邊界條件下進行分析，從而得到整體的參數(shù)關系方程組，即矩陣方程。這一過程稱為整體分析。有限元計算的基本元素是要有邊界條件及正確的載荷，這些是建立有限元模型所必須的。而傳統(tǒng)的連桿的有限元分析是可以根據(jù)一些理論基礎給出的公式及數(shù)據(jù)算出在最大或最小爆發(fā)壓力處連桿所受的拉力或壓力。這樣的方法比較接近理論，也方便計算，但是同時具有一定的局限性。例如，整個機構的運轉(zhuǎn)是一個動態(tài)的過程，受力實際上也是一個動態(tài)的過程，那么

42、只由公式計算出特殊情況下的受力情況，肯定是有局限的。另外，實際在測得爆發(fā)壓力值時，應該使用和實際情況相近的值來做分析更貼近實際工況。于是我們可以采用多體動力仿真的手段得到一個周期甚至多個周期連桿機構在實際工作情況中受到的工況，這比用公式局限的計算出某個特定的拉力或壓力更有靈活性?？梢赃x擇不同的工況得到不同時刻的瞬時動態(tài)響應或是強度分析。這是為有限元分析做出更合理的前期準備，也為優(yōu)化設計提供條件。2.3 Pro/E軟件簡介 Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，

43、在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設計領域占據(jù)重要位置。 三維設計可以分為工程圖、零件設計、裝配三個不同的設計階段。三維設計最大的特點是特征建模技術和設計過程的全相關性。全相關性使得設計者在任何階段對設計的任何修改都會影響到其它階段，這使設計過程變得非常靈活和輕松，大大提高了設計效率。 零件和裝配可以統(tǒng)稱為模型，所以三維實體造型包括三維零件造型和裝配造型兩個部分。Pro/E是當前三維矢量化設計軟件中應用比較廣泛的軟件之一，也是參數(shù)

44、化設計的首選。本文中參數(shù)化設計采用的平臺是Pro/E軟件系統(tǒng)。 Pro/E是PTC研制開發(fā)的CAD/CAM軟件，具有很強的造型功能，在目前的三維造型軟件中占有著重要的地位，并作為當今世界機械 CAD/CAM/CAE領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。Pro/E第一個提出參數(shù)化設計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進行選擇，而不必安裝所有的模塊。Pro/E基于特征方式，能夠?qū)脑O計到生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設計。這里將介紹一下Pro/E的主要特性。2.3.1實體模型 實體模型除了可以將用戶的設計思想以最直觀的模型在計算機上

45、表現(xiàn)之外，借助于系統(tǒng)參數(shù) (SystemParameters)，用戶還可以隨時計算出產(chǎn)品的體積、面積、重心、慣性大小等，以了解產(chǎn)品的真實性，彌補傳統(tǒng)的面結(jié)構、線結(jié)構的不足。用戶在產(chǎn)品設計過程中，可以隨時掌握以上情況，調(diào)整物理參數(shù)，并減少許多人為的計算時間。2.3.2單一數(shù)據(jù)庫 Pro/E可隨時修改由實體模型產(chǎn)生的2D工程圖，而且自動標注工程圖尺寸。不論在3D還是ZD圖形上作尺寸修改，其相關的3D和2D默許均自動修改，并避免反復修正的耗時性。由于采用單一的數(shù)據(jù)庫，提供了所謂雙向關聯(lián)性的功能，這種功能也正符合了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)中所謂的同步工程。2.3.3以特征作為設計的單位 Pro/E以最自然的思考方式從

46、事設計工作，如孔、開槽、倒圓角等均被視為零件設計的基本特征，可隨時對特征做合理、不違反幾何順序的調(diào)整、插入、刪基于Pro/E下的連桿、活塞結(jié)構分析及其性能優(yōu)化設計除、重新定義等修正動作，使設計更具有直觀化。2.3.4參數(shù)化設計配合單一數(shù)據(jù)庫，所有設計過程中所使用的尺寸(參數(shù))都存在于數(shù)據(jù)庫中，設計者只需更改3D零件的尺寸，則2D工程圖、3D組合、模具等就會依照尺寸的修改作幾何形狀的變化，以達到設計修改工作的一致性，避免發(fā)生人為改圖的疏漏情形，且減少許多人為改圖的時間和精力消耗。也正因為有參數(shù)化的設計，用戶才可以運用強大的數(shù)學運算方式，建立各尺寸參數(shù)間的關系式，使得模型可自動計算出應有的外型，減

47、少尺寸逐一修改的繁瑣，并減少錯誤發(fā)生。第三章 基于連桿，活塞特征的三維實體建模 對計算模型的要求首先要具有二定的準確性一其次計算模型要具有良好的經(jīng)濟性。經(jīng)簡化后的計算模型要能夠基本上準確地反映結(jié)構的實際狀況，否則，結(jié)構的有限元計算結(jié)果就沒有實際意義。在建立計算模型時，復雜的計算模型具有較高的準確性，但相應也會大量增加計算機算題時間以及計算前后的準備工作和數(shù)據(jù)整理的工作量，從而使得計算費用大大地增加。選擇恰當?shù)娜S建模軟件，將對有限元網(wǎng)格的劃分提供方便。本章采用了現(xiàn)在流行的Pro/ENGINEER軟件建立三維幾何模型，導入并對連桿，活塞進行有限元分析。3.1 連桿3.1.1連桿的特點分析連桿由連

48、桿體和連桿蓋兩部分組成。工作時用螺栓和螺母將連桿體、連桿蓋和曲軸裝配在一起，用活塞銷將連桿小頭和活塞裝配在一起。連桿的主要作用是將活塞的往復直線運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。(1)連桿有兩個相互垂直的對稱面，一個對稱面平行于連桿的圓環(huán)形端面，也就是鍛造鍛造連桿毛坯的模具分型面；另一個對稱面則通過兩端圓孔的軸線。(2)連桿毛坯通過鍛造成型，因此，連桿體和連桿蓋都具有模鍛斜度，包括連桿體上的槽和凸臺。(3)連桿毛坯成型以后，加工表面主要集中在兩端面和孔，其他表面大多屬于非加工表面。(4)連桿體和連桿蓋屬于配做的成對零件，需要同步加工，在裝配和工作時沒有互換性。3.1.2連桿的建模思路連桿由連桿體和連桿

49、蓋組成，所以可以對連桿體和連桿蓋分別建模，完成后進行裝配。連桿具有兩個互相垂直的對稱面，建模過程中可以利用兩個對稱面，對局部特征進行鏡像和復制操作，從而快速完成特征創(chuàng)建。3.1.3連桿三維模型的建立利用Pro/Engineer建立的連桿三維模型所需的基本結(jié)構尺寸來自該產(chǎn)品圖。為得到連桿應力和變形的全貌，選取整個連桿作為計算對象是恰當?shù)?。連桿在連桿小頭開有活塞銷潤滑油道孔，連桿大頭相對縱截面對稱、桿身的橫截面呈“工”字形，且與連桿大小頭圓滑過渡。為了避免有限元網(wǎng)格的尺寸大小相差太懸殊而影響有限元單元質(zhì)量和計算精度，對一些影響連桿強度極微的小倒角、小圓角作了簡化處理。有限元模型的構建是一項非常重要

50、的工作，有限元模型錯誤，計算結(jié)果顯然不對，也就難以發(fā)揮有限元工具的作用，因此幾何模型的構建就要求比較準確。本文采用三維設計軟件Pro/E進行連桿的三維實體建模比較直觀方便，快速有效，圖3.1所示即為用Pro/E所建立的連桿三維幾何模型。 圖 3.1Pro/E建立的連桿三維幾何模型3.1.4技巧與提高在創(chuàng)建連桿的過程中，主要采用了拉伸和旋轉(zhuǎn)除料進行特征創(chuàng)建，另外還有輔助的拔模斜度、倒角及倒圓角等特征。歸納起來，主要有幾點注意事項。（1）創(chuàng)建拉伸草繪時，可以通過下拉菜單中的“草繪”“參照”命令，選取添加已有特征的邊，曲面作為參照，從而減少約束特征和尺寸標注，提高工作效率。（2）在復雜模型的基礎上進

51、行拉伸去除材料，通常借助“預覽”查看拉伸選項和除料的方向設置是否正確，然后進行處理。（3）創(chuàng)建拔模特征時，首先查看“拔?！碧卣鞑倏孛姘迳系倪x項設置是否符合要求，然后確定“拔模樞軸”和“拔模方向”。（4）連續(xù)創(chuàng)建倒圓角特征時，要注意圓角特征創(chuàng)建的次序，尤其是相連接的邊同時都要倒圓角時，否則會出現(xiàn)特征“參照丟失”的問題。（5）多步特征同時鏡像操作時?？赡苡捎谔卣鲄⒄者^多而不能直接完成，因此需要將特征一起進行復制。3.2 活塞3.2.1 活塞的特點分析活塞是復雜的機械零件，活塞主要有頂部、頭部和裙部3部分組成。活塞是在高溫、高壓、高腐蝕的條件下，在汽缸內(nèi)做高速往復直線運動的。要適應這樣惡劣的工作條件

52、，必須具有相應的結(jié)構。（1） 活塞的頂部直接與高壓氣體接觸，工作條件最惡劣。頂部外表面設計成凹面型，以利于燃燒室內(nèi)的氣體形成渦流，使燃燒與空氣混合的更均勻，燃燒得更充分。（2） 在活塞的頭部外面有4道環(huán)形槽，上邊3道環(huán)形槽為氣環(huán)槽，下邊的一條環(huán)形槽為油環(huán)槽。（3） 活塞的裙部在活塞做直線往復運動時起導向作用。裙部頂端有兩個往里凸起的銷座。（4） 活塞工作時在高溫高壓作用下，要產(chǎn)生熱膨脹和受力變形。所以活塞裙部的軸截面應制成鼓行，活塞裙部的橫截面應制成橢圓形。由于橢圓的長軸與短軸之間相差極小，所以三維建模時以橢圓形代替。3.2.2活塞的建模思路為了快速準確的創(chuàng)建活塞模型，先抽取活塞模型中的對稱部

53、分，由列表曲線創(chuàng)建活塞的1/4輪廓，然后鏡像生成活塞的整個輪廓。再創(chuàng)建活塞的頂部的凹槽特征。之后再創(chuàng)建活塞頭部的氣環(huán)槽和油環(huán)槽。最后創(chuàng)建各部分的倒圓角。3.2.3 活塞三維模型的建立 Pro/MECHANICA軟件是美國PTC(Parametric TechnologyCoporation，參數(shù)技術公司)開發(fā)的有限元軟件。該軟件與Pro/ENGINEER軟件可以無縫集成。因此，在Pro/ENGINEER中使用其強大的建模功能完成活塞三維實體模型的建立?；钊哪Ｐ腿鐖D3.2所示圖3.2 Pro/E建立的活塞三維幾何模型3.2.4 技巧與提高（1）在鏡像整個活塞時，要單擊模型樹頂端的“huo-sa

54、i”標識，選取整個模型，而不能選取模型樹下的各個特征標識。若選取模型樹下的各個特征標識，鏡像后有些特征的參照將丟失。（2）草繪過程中要注意快捷按鈕的應用，許多情況下可以提高繪圖效率，更便于模型的修改。第4章 零部件的靜態(tài)有限元分析4.1 有限元分析軟件的選擇 目前成熟的商品化有限元分析應用軟件系統(tǒng)有ANSYS,NSTRAN, Pro/MECHANIC和COSMOS等。有限元分析法總體上可分成三個部分:前處理部分、主分析計算部分以及后處理部分。從當前的有限元解決方式看，主分析計算部分根據(jù)有限元模型的數(shù)據(jù)文件進行有限元分析，后處理部分是有限元計算后輸出結(jié)果的加工階段，包括數(shù)據(jù)輸出和圖形顯示。從整個

55、過程看，這兩個階段由于采用批處理方式和單純的輸出顯示，所以人工干預并不多。相比之下，最繁重的工作在于前處理階段，即特定分析對象的關系確定和建立模型，包括節(jié)點數(shù)和節(jié)點編碼等。ANSYS軟件是融結(jié)構、熱、流體、電磁及聲學于體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛應用于機械、電機、土木、電子及航空等不同領域。它是眾多有限元分析軟件中較出色的1個，以其高效的求解算法和效率聞名，并有相對獨立的前、后處理體系，可獨立完成多學科、多領域的分析任務。該軟件是當前結(jié)構分析中使用最為頻繁的軟件。但是，由于本文零件建模使用的是Pro/ENGINEER軟件，它和ANSYS之間的數(shù)據(jù)交換是存在問題較多的地方。目前，解決ANS

56、YS軟件與Pro/ENGINEER軟件數(shù)據(jù)交換問題的方法有如下三種: 1.使用ANSYS自帶的接口軟件進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這種方法是使用方便、轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)保存完整的最優(yōu)方法，推薦大家廣泛使用，只是接口設置過程需要參照使用說明來完成。 2.使用與Pro/ENGINEER集成的Pro/MECHANIC軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。首先在一Pro/ENGINEER軟件中進行零件建模，然后直接導入Pro/MECHANIC軟件中劃分網(wǎng)格(材料屬性可以不定義)，并使用ANSYS求解器輸出數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一個*.ans文件，這樣就可以直接在ANSYS軟件中打開這個文件了。 3.在Pro/ENGINEER中建立好模型后(一般是part )，以parasolid類型存盤，這種格式是幾乎所有CAD軟件都可以識別的。這樣就可以輸入到ANSYS里了。但parasolid格式為在ANSYS中輸入模型時，可能出現(xiàn)模型斷裂的結(jié)果，可以對“defeature(毀容)、合并重合的關鍵點、產(chǎn)生實體、刪除小面積”等選項進行改變，反復試驗直到輸入