基于有限元连杆受力分析大学本科毕业论文.doc

机械工程学院毕业设计（论文）题 目： 基于有限元连杆受力分析 专 业： 车辆工程 班 级： 2011级2班 姓 名： 钟望 学 号： 1608110230 指导教师： 陈皓云 日 期： 2015年5月28日 2 目录1引言11.1.论文研究目的、现状及意义21.1.1论文研究的目的和意义21.1.2 发动机连杆研究现状21.1.3 论文研究的意义21.2 论文研究主要内容21.3 发动机连杆运动分析31.4 发动机连杆的三维模型建立32基于ANSYS发动机连杆的有限元分析42.1 ANSYS的简介52.2汽车连杆的三维实体建模62.2.1 连杆杆身以及小头结构的三维实体建模62.2.2 连杆大头结构的三维实体建模62.2.3 机体组子结构的三维实体的建模73连杆ANSYS有限元分析83.1 启动ANSYS83.2 导入连杆组建到ANSYS83.3 进行网格的添加93.4载荷的施加113.5 求结果操作133.6 改进办法18小结18致谢19参考文献20 基于汽车连杆的有限元分析摘要：目前连杆的计算强度都是采取有限元分析的方法进行的。本文将对捷达EA113汽油发动机连杆作为研究对象，模拟汽车发动机的工作情况，推算出连杆在汽车发动机工作时，可能会出现的最大载荷，并模拟于Ansys有限元分析软件，对其进行合理的力学分析。并借助Pro/Engineer软件对其进行了绘图。同时，通过对连杆进行有限元的分析，我们可以更清楚的了解到连杆在工作的过程中可能会出现的断裂等危险情况。所以，为了提高连杆的强度和刚度，我们不能简单的依靠增大尺寸。因为连杆的重量的增加也会导致其惯性力的增大，所以我们设计的总体要求就是在减轻结构的条件下提高足够的刚度和强度！利用Ansys软件的Mechanical APDL模块进行有限元分析得出相关的力学数据。 关键字：汽油机发动机连杆、运动学、有限元分析、Ansys Mechanism1引言近半个世纪来，随着计算机技术的快速发展以及其广泛的应用和有线元理论的不断完善，出现了许多的有限元软件。例如ANSYS,ALGOR等等。ANSYS作为一款大型的有限元分析软件，在各个领域得到了充分的应用，能够进行结构热流体电磁以及人体力学等方面有诸多的应用。而Pro/ENGINEERCATIA等三维软件则广泛的应用在机械制造汽车船舶土木工程铁路等领域。ANSYS是第一个通过IOS9001质量认证的大型有限元分析软件，是美国机械工程师协会的标准分析软件也是近20种专业技术协会认证的标准分析软件。 11.1.论文研究目的、现状及意义1.1.1论文研究的目的和意义连杆机构作为发动机动力推进系统的重要组成部分，了解其运动学和动力学特性，有利于更深刻的认识发动机的工作过程、同时也可以在减轻连杆质量的同时提高其刚度和强度。设计合理的结构和尺寸，所以我们需要用其ANSYS有限元分析的软件对其进行生产前的分析，使我们设计的产品更加的合理可靠。1.1.2 发动机连杆研究现状连杆在汽车的运动的过程中将活塞上所受到的力传递给曲轴变成转矩，维持发动机不断的工作。目前，我国的发动机连杆的制造技术与国外相差不大，但是我国在连杆的高强度，低重量的方面与国外还有较大的差距。1.1.3 论文研究的意义伴随近年来计算机技术的飞速发展，大内存、高处理速度计算机的普及， 计算机建模软件功能也日益完善和强大，使得建立复杂三维实体模型、基于三维有限元模型进行有限元分析成为可能，为整个产品的制造缩短了其制造的时间和成本。通过有限元软件的分析，使我们需要进行的数学分析大为简化。因此，在先进的计算机软、硬件技术成熟的条件下，跟随时代的发展，适时的将它们应用于发动机的研究，既具有现实意义，且符合时代发展趋势。1.2 论文研究主要内容本文以捷达EA113发动机连杆为研究对象，借助主流软件Pro/ENGINEER对其进行了三维建模，并在建模之后利用ANSYS软件对其进行了有限元分析。具体工作如下：(1) 利用软件Pro/ENGINEER建立连杆的三维模型，包括连杆的大头，杆身和连杆小头结构等，全面深入地了解发动机连杆的结构特点并以此为基础完成发动机连杆的有限元分析；(2) 利用ANSYS软件对发动机连杆进行力学分析，并录制视频动画有效观察，同时对有限元分析的结果进行自己的分析。1.3 发动机连杆运动分析发动机的连杆是发动机的重要机构，它包括连杆大头、杆身、连杆小头等组成，与活塞和曲柄一起做往复运动。其具体的参数有：连杆杆长L，连杆小头的孔径d和宽度b,连杆大有孔径D和宽度B。图1-1所示即为其运动分析示意图。2图1-1 发动机连杆运动分析示意图1.4 发动机连杆的三维模型建立本论文以捷达EA113汽油发动机的连杆作为分析对象,其具体参数如表1-4-1所示（单位mm）：表1-4-1 发动机连杆参数表连杆大头杆身连杆小头外径D=56.36杆长L=149外径D=30.73内径d= 50.30杆厚H=18内径d=24.20厚度H=26.73厚度H=26.73图1连杆结构式意图2基于ANSYS发动机连杆的有限元分析对于汽车连杆的有限元分析我们是利用ANSYS软件来分析的。其具体的分析过程有以下几步：1、网格的划分ANSYS提供了使用便捷，高质量的对三维模型进行了网格划分功能，包括延生划分，映像划分，自由划分和自适应划分4种网格划分的方法。网格的划分就相当于我们对模型的简化和独立的分析，利用数学的微元思想对划分的网格进行受力分析。同时ANSYS提供了如下的分析类型：结构静力分析，结构动力学分析，结构非线性分析，动力学分析，热分析，电磁场分析，流体动力学分析，声场分析，压电分析。这里我们使用的是结构静力学分析。2、加载在ANSYS中的加载方式有两种，一种是直接在有限元分析的模型上加载，另一种是在实体模型上加载。我们是在实体模型上加载的，因为实体加载操作更方便。有连杆的动力学分析可知，当连杆运动到上止点时，此时连杆受到的气体作用力和惯性力达到最大值，故我们只对此时连杆进行有限元分析，对于连杆的小头的内圆的下半部分进行载荷的施加。3、求解我们用过前面的两个步骤就可以对连杆进行受力的求解，得到我们需要的结果。4、后处理有限元方法分析问题得到的是数值结果，要想从这些数值中总结出各种场量的变化规律，并不容易，工作量非常大。则有限元分析软件的突出优势就是后处理部分，将分析有效快捷的呈递给用户。但是ANSYS的后处理仅是用于检查分析结果工具。仍然需要工程能力来分析处理的结果。2.1 ANSYS的简介ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo,NASTRAN, Alogor, IDEAS,AutoCAD等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。目前，中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。1ANSYS的基本模块功能：ANSYS MultiphysicsTM产品功能 结构分析功能 线性非线性一几何非线性一材料非线性一单元非线性一接触非线性静力分析动力分析一瞬态动力2.2汽车连杆的三维实体建模本文采用三维软件Pro/E，对发动机的连杆部件进行三维实体建模，并进行装配，最终进行有限元分析。2.2.1 连杆杆身以及小头结构的三维实体建模我们利用三维软件Pro/E对发动机的连杆杆身以及连杆小头进行三维建模，由于连杆小头与活塞相连，直接受到活塞压力的作用，所以其强度和刚度必须能满足使用条件。其具体模型如图2-1所示。图2-1连杆杆身以及大头结构利用Pro/E对连杆杆身以及连杆大头的建模我们需要注意其圆倒角和曲面的处理，利于美观。2.2.2 连杆大头结构的三维实体建模连杆轴承安装在连杆的大头孔中，与曲柄上的连杆轴颈装合在一起，是发动机中最重要的配合副之一。为了在较小的重量下得到较大的刚度，高速内燃机的截面都是由小到大逐渐增大的。连杆大头一般是与杆身轴线相垂直的。斜的切口也有利于减小螺钉承受的拉伸负荷。6其具体模型如图2-2所示。图2-2 连杆大头结构2.2.3 机体结构的三维实体的建模机体结构有连杆大头、杆身、小头组成。并将我们组建好的模型保存成IGES格式。我们利用软件建模简化后的结构如下图2-3-1和图2-3-2所示：图2-3-2连杆结构3连杆ANSYS有限元分析3.1 启动ANSYS点击桌面按钮，启动ANSYS12.0，进入ANSYS主界面。如图3-1-1所示：图3-1-1 ANSYS主页面3.2 导入连杆组建到ANSYS单击ANSYS主页面菜单，再点击子菜单的import按钮，点击IGES添加我们做好的组建，其效果组件如图3-2-1所示。图3-2-1 导入ANSYS效果图3.3 进行网格的添加单击主菜单的按钮，再点击子菜单下的按钮，之后点击就会出现如下的对话框然后点击Add按钮，并在弹出的对话框中选择Solid，找到Brick 8node 45进行网格划分的添加。如图3-3-1的选择：图3-3-1 之后我们进行材料的密度.杨氏模量和泊松比的设置，我们连杆的材料为中碳结构钢45锻模，密度为7800，杨氏模量为30e6,泊松比0.3.(弹性模量和泊松比都是材料的固有弹性常数) 3 设置具体方法为：点击按钮，在点击按钮，之后会出现如图3-3-2和图3-3-3对话框：图3-3-2对话框图3-3-3对话框最后我们进行网格划分的最后一步，在进行上述两个关键的步骤之后我们，点击按钮，在点击子菜单的按钮，之后会出现对话框。我们继续选择Mesh按钮。在选择我们导入的实体会出现如图3-3-4的效果图：图3-3-4对话框其网格划分效果图3-3-5和图3-3-6所示：图3-3-5网格图图3-3-6网格效果图3.4载荷的施加载荷的施加非常重要，载荷的施加正确与否，将会影响我们后面的求解过程，在之前我们我们已经求出当活塞处于上止点时，连杆所受到的力最大，所以我们只需要施加此时的载荷即可。由于在此时，连杆小头受力的主要是其内圆的下半部分，所以我们在此半圆面上施加载荷。具体操作如下：我们点击主菜单的 按钮，再选择，之后选择键，在点击Structural,点击Pressure后选择On Areas。会出现图3-4-1的效果图。图3-4-1网格效果图这个表明我们施加的载荷以及具体施加的位置。红色的网格使我们之前划分的结果。在进行载荷施加之后我们还需要进行位移的区域的确定，我们选择了连杆大头的内圆作为选择区域。我们选择菜单Main Menu: SolutionDefine LoadsApplySturcturalDisplacementOn Areas。选中大孔内圆，在弹出的对话框点击All Dof,选则OK。会出现如图3-4-2和图3-4-3效果图：图3-4-2网格效果图图3-4-3网格效果图3.5 求结果操作单击特征操作按钮区，选中键，选择之后会弹出对话框。我们选择OK，会出现如下对话框，我们选择Close,这一步则表明我们的求解是没有问题的：如果我们在求解时没有出现此对话框，有可能出现了以下几个问题：1、 求解输入的模型不完整或者存在错误2、 约束不够这也是最长见的问题3、 当模块中有非线性原件（如缝隙gaps滑块sliders铰hinges等）4、 未约束铰结构，如两个水平运动的梁单元在竖直方向没有约束。遇到求解不能出结果的情况我们需要进行复查，排除以上的情况再一步进行求解。4在进行上述步骤之后，我们需要进行结果的处理。点击菜单在点击按钮，之后点击出现下面对话框：我们选择Def+undeformed,点击OK会出现变形位移效果图如图3-5-1所示：图3-5-1网格效果图此时点击General Postproc 下拉菜单List Results，再点Nodal Solution,在弹出的对话框中，点DOF Solution 点General Postproc下拉菜单Plot Result，再点Contour Plot,点Nodal Solu，在弹出的对话框中点Stress，再点von Mises stress，然后再继续点击OK.应力分析如图（此时我们调的应力为最大值）其效果如3-5-2和图3-5-3：图3-5-2求解分析图图3-5-3求解分析图 3.6 改进办法 在ANSYS的分析之后，我们可以很明显的看出来，当发动机活塞处于上止点时应力达到最大。从图中我们看出在连杆杆身与连杆大头接触的外边缘处应力最大，达到了76346N。此处应力集中较为明显，也是我们后面分析改进的重点。我们具体改进的方法如下所示：1、一般认为压缩载荷是沿着半圆按照余弦的规律分布的，由于连杆小头下部与杆身相连，所以刚度大。压缩载荷的大部分都直接压在杆身上，并不在小头中引起应力，只有一小部分会使小头变形。所以我们当固定角（固定角是指从连杆大小头孔中心线到小头与杆身的切点角度）增大时，应力的不均匀性会急剧的增大最大值也急剧增长，所以我们要适当的减小固定角度的大小，合理安排。2、我们需要加大连杆杆身与连杆小头的过度圆半径，这样可以减小应力的集中，从而达到提高工作稳定性的目的3、为了在较小的质量下得到较大的刚度我们需要对内燃机的杆身进行工字设计，长轴在摆动的平面内，由于惯性力根据不同界面进行变化，从小头到大头的截面应该逐渐增加。通过以上的分析和总结，我们提出了这些改变结构的方法，这样来不断的提高连杆的刚度和强度进而满足我们的使用要求。小结本文通过深入了解发动机连杆的结构构成、工作原理，基于现代三维建模技术Pro/ENGINEER、ANSYS有限元分析技术，对捷达EA113汽油机的连杆进行了较为系统的有限元分析研究。现对整个研究分析工作总结如下：（1） 我们通过对EA113发动机连杆的三维建模，得到了其连杆的三维模型。这对我们后面的ANSYS有限元的分析做了良好的铺垫。我们在建模的时候需要注意一点，由于ANSYS对导入的零件有格式的要求，所以我们必须要按照其要求的格式进行导入保存。并且我们在绘制三维图的时候需要合理的处理曲面和圆倒角。（2） 在进行三维建模之后，我们需要将零件图在处理之后进行导入至ANSYS有限元软件。导入之后我们需要进行前期处理的准备工作，包括零件的网格划分，加载荷，求解，后期处理等过程。（3） 我们根据ANSYS分析的结果对连杆进行改进分析，针对应力值最大的地方进行刚度和强度的提高。避免连杆在使用的过程中出现弯曲，断裂等危险情况。致谢对四年来教育我的老师和学校致以最崇高的敬意！对本次毕业设计指导我和给予我最多的陈皓云老师表示我最衷心的感谢!毕业设计自开始以来，我多次去找陈老师进行毕业设计的修改以及诸多问题的请教，陈老师总是不嫌麻烦，对我的论文进行耐心的指导。陈老师以他宽广的知识、高瞻远瞩的学识和在实际生产中所积累的经验引导着我，拓宽了我在学术上的视野，更为重要的是陈老师以他对事业孜孜不倦的追求和待人接物谦逊的态度，时刻都在潜移默化地影响着我，这将使我终生受益。同时对安徽科技学院机械工程学院车辆112班的所有同学表示衷心的感谢，四年来的朝夕相伴，他们对我的关心和帮助，让我在四年的大学生活上和学习上都有了质的提高。参考文献1 王金龙,王清明,王伟章.有限元分析与范例解析M.北京：机械工业出版社,2010.2 袁兆成.内燃机设计M.北京：机械工业出版社,2011. 3 刘鸿文.材料力学M.北京：高等教育出版社,2010.4 张国智.ANSYS分析应用实例M.北京：机械工业出版社.20076 臧杰，阎岩.汽车构造M.北京：机械工业出版社,2012.Stress analysis based on finite element linkAbstract At present, the connecting rod strength calculation of finite element analysis. Jetta EA113 gasoline engine connecting rod as the research object, the simulation of automobile engine, calculate link when he worked in a car engine, there may be a maximum load and the simulation of finite element analysis software ANSYS, the analysis of rational mechanics. And software. It is painting a picture with Pro/engineer. At the same time, through the analysis of the finite element analysis of connecting rod, we can better understand the dangers of connecting rod fracture may occur in the process of work, etc. Therefore, in order to improve the strength and stiffness of connecting rod, we cant just rely on increase the size. Because of increased the weight of the connecting rod, the inertial force will increase, so the design of the overall demand is to improve the structure stiffness and strength of the less structure. ! Mechanical data obtained from the finite element analysis of Ansys APDL mechanical module.Keywords: gasoline engine connecting rod, kinematics, finite element analysis, Mechanism Ansys21