連桿的接觸有限元分析

連桿的接觸有限元分析

接觸有限元分析可靠性是可靠性工程的一個重要方面。近年來,利用有限元方法(FEM)對連桿的精細分析取得了一定的研究成果,但由于連桿是一個較為復雜的裝配體,幾何體復雜,接觸對繁多,載荷也較為復雜,這就決定了連桿接觸有限元分析的復雜性。本文利用ABAQUS對連桿在額定工況下進行接觸有限元分析。一、模型建立與網格劃分本文在UG中對連桿進行三維建模,建模時,刪除了一些倒角和油孔,由于本文接觸分析的重點在連桿大頭,對活塞銷將在ABAQUS采用分析剛體進行建模,以簡化計算。采用parasolid格式把建好的幾何模型導入ABAQUS中,網格處理采用混合網格劃分,定義材料屬性等。建立的有限元模型如圖1所示。二、定義接觸對的類型本文中的連桿是按實際連桿各個零部件進行建模裝配的,接觸關系將從實際情況出發(fā)來定義。定義的接觸對有:活塞銷與連桿小頭,連桿身與連桿蓋,連桿身與上軸瓦,連桿蓋與下軸瓦,上軸瓦與下軸瓦,上軸瓦與曲柄銷,下軸瓦與軸柄銷,以及四個螺母與連桿蓋,共計11個接觸對。對螺栓與螺紋孔將采用綁定約束進行簡化處理。三、慣性力的特點本文計算發(fā)動機在標定工況下的連桿載荷,發(fā)動機參數(shù)見表1。連桿在最大拉伸情況下的載荷包括連桿小頭所受的活塞慣性力、氣體壓力、連桿慣性力載荷。連桿運動時的往復慣性力是一種分布的體積力,由于連桿上各單元的位置不同,各單元的往復慣性力也不同。在ABAQUS軟件中,可以通過Gravity來定義慣性載荷。慣性載荷不依賴于任何單元,它通過指定的參考坐標系中加速度來定義。連桿小頭載荷aP即活塞組件通過活塞銷作用于連桿小頭的力。1.氣體效率作用于活塞的氣體作用力為:2.基于數(shù)據(jù)的4基于加速度的傳動在討論活塞組件慣性力之前,首先需計算出活塞的加速度j,根據(jù)文獻,活塞加速度的計算公式如下:活塞組件中的所有零件,包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷和活塞銷卡環(huán),均以活塞加速度j做變速往復直線運動。整個活塞組件的慣性力3.過連桿質心質量(1)因往復加速度而產生的慣性力此力通過連桿質心C而平行于氣缸中心線,式中ml是連桿的質量。(2)因變速擺動中的向心加速度而產生的慣性力式中ωl——連桿角速度。4.螺母提前緊張參照裝配經驗,螺栓預緊力的大小統(tǒng)一取15000N。四、單元應力及疲勞系數(shù)本節(jié)研究連桿的各部件應力、接觸面應力和連桿總體變形,并對其疲勞強度進行了校核。圖2中,可以清楚的看到連桿上應力的分布情況,有三個地方應力比較突出,第一個是連桿的連桿身部位,第二個是連桿小頭與活塞銷接觸的部位,第三個是連桿大頭與曲柄銷接觸的部位。最大壓縮工況下連桿各部件應力分布如圖3~6所示。連桿的材料為42CrMo,其強度極限為1080Mpa;屈服極限為930Mpa。從輸出結果中,可以找出連桿應力最大的單元為單元32577,其應力情況如表2所示。對單元32577來說,,所以連桿完全能滿足靜強度設計的要求。該單元在連桿受最大拉伸載荷時等效應力為86.9706MPa,其應力情況如表3所示。根據(jù)以下公式來計算其疲勞安全系數(shù):式中:σa——應力幅(MPa),σm——平均應力(MPa),σ-1z——對稱拉壓循環(huán)疲勞極限,取σ-1z=0.41σb;kσ——應力集中系數(shù),取值為1;εσ——尺寸影響系數(shù),取值為1;β——工藝系數(shù),取值為0.6;由文獻,對于材質均勻,性能離散程度小,而應力計算又比較準確的情況,可取安全系數(shù)許可值[n]=1.3~1.5,甚至更小些。計算得出,n=1.84>1.5。經比較知,該點在額定工況下是安全的。圖7中,可以清楚地看到連桿整體變形的分布情況,連桿小頭部分應變最大,變形量為5.537E-4m,沿連桿小頭到大頭應變逐漸減小,這是符合應變理論的,載荷較大的部位的變形往往較大。連桿蓋上的變形大于與它接觸的連桿身部位的變形。五、螺栓與連續(xù)劑misen應力平衡校核最大拉伸工況時,連桿身最大應力不超過150MPa,完全滿足靜強度的設計要求。與最大壓縮工況不同,最大拉伸工況時,連桿最大應力不出現(xiàn)連桿身,而是在連桿螺栓上以及螺栓與連桿接觸綁定的部位,其Mises應力值為284.876MPa,單元號為39。對單元號為39的單元進行疲勞強度校核。計算得:n==1.54>1.5。經比較知該點在額定工況下是安全的。最大拉伸工況時,連桿小頭部分應變最大,變形值為5.965E-4m,沿連桿小頭到大頭應變逐漸減小。在螺栓連接連桿身與連桿蓋的部位變形不一致,原因就在于此力學模型的建立依據(jù)是:連桿是斜切口,螺栓的變形較大,使得連桿身與連桿蓋的變形不一致。六、最大拉伸工況本文對連桿各零部件分別進行建模,然后裝配,按實際接觸關系定義接觸對,一共定義了11個接觸對,四個螺栓綁定約束。利用有限元軟件ABAQUS對連桿進行了接觸元分析,得到了較為合理的結論:對連桿在最大壓縮工況和最大拉伸工況時進行接觸有限元分析,進行強度校核,同時還對連桿的變形進行了分析。經計算,最大壓縮工況時,最大應力出現(xiàn)在連桿身的32577號單元,其Mises應力值為216.135MPa,對其進行疲勞強度校核,安全系數(shù)為1.84,滿足靜強度和疲勞強度設計要求。此時,連桿小頭部分應變最大,變形量為5.537E-4m;最大拉伸工況時最大應力出現(xiàn)在連桿螺栓上