连杆部件CAE仿真分析 - 图文

连杆部件CAE仿真分析

摘要：连杆是内燃机的重要构件和主要运动件,其结构形状和受载状况都很复杂。连杆的强度在很大程度上影响着内燃机的寿命。而随着内燃机向高速、大功率和高负荷的方向发展,连杆的工作环境变得愈加恶劣。因此,分析连杆的运动和受力情况、计算连杆的结构强度和研究连杆的动态特性对连杆的设计和优化具有重要的意义。本文以某型号的柴油机连杆为研究对象,主要完成了以下工作内容：1.分析了连杆的运动和受力情况。首先计算了连杆的角位移、角速度和角加速度等运动参数,然后在连杆的受力分析中详细分析计算了连杆所受的四种主要载荷,并计算了最大拉压工况下连杆所受的载荷,为后续计算提供必要的边界条件。2.基于有限元方法,建立了连杆的有限元模型,主要进行以下方面研究：在预紧工况中,研究了单元类型对应力分布的影响；在最大拉伸和最大压缩工况中,研究了载荷加载方式的不同以及约束边界的不同对连杆应力分布的影响。3.利用模态分析技术研究了该连杆的动态特性。分别采用有限元和试验的方法研究了连杆的模态特性,获得连杆的模态频率及模态振型,为后续的连杆多体动力学分析提供依据,最后对模态结果进行了对比验证。4.利用多体动力学软件建立了连杆的多体动力学仿真模型,通过数值模拟计算,得到连杆在工作循环中的运动参数和准确的载荷边界条件,并分析了连杆轴承的润滑性能。5.利用有限元软件对连杆进行了三维瞬态应力场的计算,得到了连杆在一个工作循环中的动应力分布。并对比了忽略装配载荷和考虑装配载荷的计算结果。同时选取部分曲轴转角下的应力分布云图与静力学计算结果进行对比。分析表明,连杆的动应力仿真计算结果更为合理,更接近于实际情况。 前言

柴油机曲柄连杆机构包括曲轴、连杆、活塞等主要运动部件，其作用是将活塞的往复运动转化为曲轴卜的旋转运动，将活塞所受的燃气压力转化为曲轴卜的输出扭矩，从而实现热能一机械能的转化过程。曲柄连杆机构运动和受力情况复杂，以往只依赖经典动力学理论的计算方法已远远满足不了工程技术的需要。随着虚拟样机技术的发展，以经典动力学理论和现代计算机技术相结合的多体系统动力学得到了广泛的运用。

美国MSC公司的ADAMS软件是集成建模、求解、可视化技术于一体的运动仿真软件，在柴油机的曲柄连杆机构的动力学仿真中得到了广泛运用。然而，由于模型的复杂性，如何添加合理的边

界条件，尤其是曲轴转速边界条件成为了问题的难点。在以往的研究中，经常采用恒定转速驱动的动力学建模方法，改变了模型的自由度，忽略了曲轴转速波动的影响，使计算结果产生一定的误差。我们探讨了转速边界条件的添加方法，

并详述了考虑转速波动的柴油机曲柄连杆机构动力学建模过程，提出了计算机械效率和往复惯性力的简便方法，为运动和受力分析提供了有力保证。

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1 连杆大头轴承CAE 分析

连杆大头轴承是发动机能否长期运转的关键部件之一。发动机运行时润滑油在高温下工作，其粘度随温度增高而降低，影响油膜承载能力。通过CAE 计算，可以判断轴瓦和轴颈可能的润滑状态：液动润滑/临界润滑/干摩擦，避免因干摩擦导致的磨损和异常的油膜压力分布的出现。

当对轴承进行详细校核时，可以采用EHD 类型的轴承模型。该模型可以充分考虑轴瓦与轴颈的弹性变形，并考虑了机油填充状态，同时计算轴承间隙等非线性因素对轴承载荷的影响，计算干摩擦。从计算结果中，可详细了解油膜状态、弹性边界与油膜间的耦合作用、机油流入和流出状态等。以及轴承间隙等非线性因素对轴承载荷的影响。

1.1 模型建立

曲轴模态分析的意义:曲轴是发动机最重要的部件之一，而且它承受复杂的载荷。由于发动机内高温、高速并存，对发动机的零部件提出了很高的要求，因此曲轴的固有特性对环境的适应尤为重要。要解决这些问题，首先要了解曲轴的固有特性。模态分析用于确定设计机构或机器部件的振动特性，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数，同时也是其他动力学分析问题的起点。

图1 连杆有限元模型

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图2 CONC类型的连杆模型

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1.2 结果评价

一、连杆大头轴承的受力分析

在ADAMS工具栏中点击Simulation Control选项，对建立好的曲柄连杆机构的动力学模型进行仿真分析，仿真时间设置为5s，步数设置为5000曲轴从起动到额定工况的转速波动曲线见图3。图4为1号缸活塞额定工况下沿气缸中心线方向的位移、速度、加速度随曲轴转角的变化曲线。

由图4可以看出，该柴油机在0一1s、时间达到额定转速稳定运转。由图5看出，曲轴转连杆大头在不同工况下的随曲柄转角变化的受力如图3 所示。从图中可以明确的看到不同转速下，燃气压力与惯性力在不同的曲柄转角下的影响各不相同，其中惯性力随转速增加而增加。

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图3连杆大头轴承受力

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二、连杆大头轴承的EHD 液体动力润滑分析

通过轴承的EHD 计算,可以得到轴承的润滑性能更为全面、更为精确的评估图4—图6则反映了不同转速下的最小油膜厚度、最大液动油膜压力、最大粗暴接触压力等。

图4最小油膜厚度

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图5 最大液动油膜压力

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图6 最大粗暴接触压力

3600rpm 时的连杆大头轴瓦油膜压力分布为例。

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以及这些油膜压力在轴瓦表面的三维分布，如图7、图8 所示。以标定工况

图15 疲劳强度计算

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5 结论

本文在曲柄连杆机构的运动学和动力学分析的基本理论的基础上，应用三维建模软件PRONE、多体动力学仿真软件MATLAB以及有限元分析软件ANSYS对机构进行了力学行为分析。(1)运用MATLAB图形用户界面建立机构的仿真模型，实现了曲柄连杆机构的运动仿真和动态模拟，对曲柄连杆机构的设计研究具有一定的重要意义，为减少磨损和降低噪声等方面的曲柄连杆机构优化设计奠定了基础。该方法也可用于其它四杆机构、多杆机构的运动学分析、动力学分析，其优越性在于把用户从复杂繁琐的数学计算中解放出来，提高了求解速度，保证了求解精度。(2)利用MATLAB-Simulink对曲柄连杆机构进行了动力学仿真分析，得到转动副A上的作用力、曲柄上的作用的力矩及其所作的功和滑块上作用的约束反力的曲线图，并找出它们变化的规律，能为机构的选型和优化设计提供参考依据。(3)采用ANSYS有限元分析软件对考虑轴承间隙的机构进行冲击动力学分析，找到轴承间隙对机构性能影响的规律，可以给内燃机甚至是汽车、航天、船舶等领域提供丰富的理论依据。(4)通过运用有限元分析软件ANSYS对内燃机曲轴进行模态分析，系统研究了曲轴的振动规律，为内燃机结构的振动、噪声问题提供了一定的帮助。这表明用有限元方法对结构比较复杂的曲轴的动力学分析是一种有效方法，为进一步研究曲轴的结构优化和动态响应奠定了基础。对连杆大头轴瓦进行了有限元弹性体与液体动力学的综合计算，得到了连杆大小头的受力与油膜润滑状况。对连杆进行了装配应力计算，结果表明，轴瓦过盈引起的背压正常，最大螺栓预紧力下大头孔变形没有超过轴瓦的削薄量，能够满足连杆大头孔的刚度要求。对最大超速时引起的最大惯性力时刻进行了拉工况的计算，计算结果表明杆身与杆盖在发动机运转过程当中能够较好的贴合在一起。

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