汽油机发动机连杆的结构及有限元分析.doc

全套设计（图纸）加扣扣 194535455摘要对于汽车而言,发动机无疑是其最关键的核心所在，而在发动机中，连杆在发动机动力传递过程中起到不可或缺的作用；作为发动机的重要零件之一,连杆在工作时所处工况极其恶劣,高频的摆动会使杆身发生形变,同时连杆需要长期承受来自气缸的爆发冲击载荷以及交变载荷,因此,连杆在使用过程中易出现零部件杆身拉断、接触疲劳等失效形式；因此，为了将连杆失效的几率降低，则需要从连杆的结构设计、有限元分析以及试制加工三方面入手，保证连杆的设计以及加工的合理性，以最大限度的保证整车的可靠性。关键词：连杆；CAD；有限元；工艺AbstractAutomobile engine connecting rod is one of the most important parts of the engine, the engine power performance and reliability plays an important role; As one of the important parts of engine, connecting rod with very bad working condition of work place, high-frequency oscillation can make the shaft deformation occurs, and the outbreak of the connecting rod need long-term from cylinder under impact load and alternating load, therefore, connecting rod shaft snap process in parts, and contact fatigue failure modes; Therefore , in order to cut the odds of connecting rod failure, you need from the connecting rod structure design, finite element analysis, and manufacture processing of three aspects, to ensure the rationality of the design of the connecting rod and the processing, the greatest extent ensure the consistency of design products and processing products, has a better chance of connecting rod failure to a minimum.Key words: connecting rod; CAD; FEM; technological 目 录 第一章 概论11.1 课题背景11.2 连杆研究发展现状21.3 本文研究的主要内容4第二章 EC5连杆几何模型的建立62.1 概述62.2 CATIA软件介绍862.3 模型的建立8第三章 连杆的有限元分析123.1 有限元法的基本介绍133.1.1 有限元法的基本思想133.1.2 有限元分析的基本过程143.2 ANSYS Workbench 软件介绍153.2.1 ANSYS Workbench 概述及特点163.2.2 ANSYS功能的介绍163.3连杆的工况分析以及载荷计算183.3.1 连杆的工况分析183.3.2 发动机连杆的载荷处理193.3.2.1 连杆承受最大拉力的计算203.3.2.2 连杆承受最大压力的计算203.3.2.3 连杆装配载荷213.4 连杆的有限元分析223.4.1 过盈以及接触问题的处理223.4.2 连杆分析类型的确定243.4.3 连杆的前处理253.4.4 接触设置283.4.5 施加载荷和约束293.4.6 后处理323.5连杆的疲劳分析413.5.1 疲劳分析问题概述413.5.2 疲劳问题中的几个基本概念413.5.3 疲劳分析443.5.3.1：AWE中疲劳分析的前提443.5.3.3 疲劳结果分析：49第四章 连杆的工艺分析504.1机械制造业的发展前景504.2 连杆的结构特点及技术性要求504.2.1 连杆的结构特点504.2.2 连杆的技术性要求514.3 连杆工艺过程分析544.3.1 定位基准的选择544.3.2工艺过程安排注意的问题544.3.3 确定夹紧方法以及表面的加工方法554.3.4 连杆加工工艺路线的制定564.3.5 切削量选择的一些基本原则60第五章 结论62致谢63参考文献64第一章 概论1.1 课题背景汽车发动机连杆作为直接接收由气缸爆发的巨大压力的最为重要的部件之一，已经被相当普及的应用在各类动力机车上。发动机连杆在接收气体燃烧爆发出的力时需要承受各种复杂的往复力、弯矩以及扭矩；事实上，连杆的运动轨迹无非两种，一种是连杆小头沿着缸径方向的往复直线运动，以及连杆大头伴随曲轴曲拐的旋转运动，这两种运动进而合成了连杆的复合运动。因此，连杆在使用过程中就需要同时具有高强度、高韧性以及高的疲劳安全系数。只要发动机在运转，连杆就在往复不停地做旋转运动，因此连杆的使用期限是必须要保证的；连杆在工作过程中主要有三方面的载荷：循环惯性力对连杆产生的拉伸载荷、由于可燃混合气爆发产生的爆发压力以及由于直线和旋转运动合成所产生的弯曲载荷，这三种载荷的将会使连杆产生拉断、压断或扭断等疲劳破坏现象的出现1；我们很有必要设计和生产制造在强度、韧性以及疲劳强度等方面更高的连杆来满足国内外对连杆日益增长的需求。传统的机械零部件的生产过程是：首先是由工程师们根据以往的经验对产品进行初步设计或是在已有的产品基础上进行逆向设计、或者是对产品设计的改进，然后做出模型或样品，再进行多次试验，根据试验中出现的问题对产品进行改进，重新设计，重新制造并进行试验分析，这样一个过程会消耗大量的时间以及人力物力2。其一般步骤是：目标设计、方案设计、技术设计、加工设计、试生产。它需要不断的完善和总结。传统的设计方法在很大程度上对产品的设计风格质量和先进性收到设计人员水平的局限，有时质量提高受到严重限制3。因此，我们亟需寻找新的快速高效、成本低廉以及质量达标的产品开发方法；由二十世纪末至二十一世纪初，随着计算机的大力发展和应用普及，设计以及生产过程逐渐被改变，人们开始将计算机辅助技术应用于产品开发的64各个环节，例如从最初的产品结构设计，人们直接采用CAD技术在三维软件中进行等比例建立模型，同时可以将所开发产品的材料属性等参数进行输入，并可以同时进行产品的装配分析等，如果出现类似于静动态干涉问题，那么便直接可以在软件中进行模拟分析，大大提高了效率，这样可以快速高效地解决传统设计过程必须要加工出实物的致命缺陷。另外一点，传统的产品生产过程中在零件质量控制上显得尤为不足，在有限元技术未迅速发展之前，零件的强度以及刚度等特性是否满足要求，几乎是完全需要依赖实物产品的试验结果，而且，即便有实验作为依据，但是也缺乏足够的分析试验数据的工具和手段，现在虽然为了保证产品的可靠性依然需要通过试验手段来保证，但是有限元在产品产前分析已经起到了不可或缺的作用，有限元分析可以在很大程度上避免在设计过程中出现设计冗余以及缺陷，根据分析结果出现问题及早发现，避免实际加工后的人力物力浪费，这样就极大地 提高了一款新产品由方案设计、技术设计、质量分析以及加工制造地效率同时对产品性能的提升也有很大的帮助。1.2 连杆研究发展现状连杆的结构形式多种多样，但是基本结构变化不大，针对连杆大端的切口形式的不同可分为平切口式连杆和斜切口式连杆；汽油发动机的气缸的直径大于发动机连杆的直径,一般会采用平切口式连杆；而柴油发动机在工作过程中受力状况较为恶劣,受力也较大,而且发动机连杆的直径往往超过了发动机气缸的直径,因此一般柴油机将会采用斜切口式设计，如图1.2.1；另外是连杆螺栓的装配会造成连杆大端存在静载荷，连杆的小头衬套是经过液氮冷却后依靠压力机压入的；最初的结构设计方面国内外的差距并不大，关键是在做结构优化进行轻量化时存在较大差距。图1.1 平口式与斜口式按照目前连杆的发展趋势来看,依据其加工制造方式的不同基本可以分为三种:粉末冶金制造连杆、模锻成型、铸造成型连杆；所谓铸造连杆又有多种分类：铸造又有球墨铸铁铸造和可锻铸铁铸造；模锻成型的钢料有不可调质钢以及可调质之分；锻造法主要工艺流程是：首先将钢坯加热到锻造温度，然后将钢坯送到自动轧钢机进行初轧，使其延伸成一定要求的几何形状和尺寸的预制坯，再将预制坯送到锻压机的锻模中进行终锻，或者用多模锻造法，则不需轧制。而由上世纪末开始粉末冶金制造连杆的方法也逐渐开始在全世界发展开来4。近些年，国内外众多学者针对发动机连杆有限元分析已经进行了诸多的研究，连杆的有限元分析，在以往的对连杆进行有限元分析的过程方法中，往往会将连杆的各部分零件进行简化进而看做是一个整体来分析，这样分析可以在很大程度上简化分析过程，但随之带来的也是对计算结果的可靠性的质疑；本身发动机连杆就是一个装配体，既然为装配体，那么对其而言，必然由各种大小零部件组成，而由零件组成的装配体，各个零件之间就必然存在接触和连接的问题，这些细节往往是影响整个分析结果准确性的关键所在，因此为了在最大程度上保证模拟分析结果和实际零部件运行状态的一致，这些问题必然是不可忽略的5。多数情况下，在进行分析时会将零件载荷进行一定程度的简化，同样对于连杆有限元分析所考虑的工况为小头衬套过盈、大头轴瓦过盈、螺栓预紧、爆发工况以及由于连杆的往复惯性力所致，需分析连杆的疲劳系数；综上所述，伴随着分析手段的不断发展和人们对实物本质不断深入的了解，对发动机连杆的分析种类主要集中在以下几点：连杆的应力以及疲劳分析、对结构的优化以及现在发展尚不成熟的动力学分析。发动机连杆是比较复杂的装配结构件，纵观近些年来对连杆进行有限元分析的过程，由最初对连杆模型的二维结构静力结构分析到现在逐渐发展壮大的对连杆的三维结构模型的动态仿真计算，可以看到，对连杆进行有限元分析的结果的可靠性也有了越来越大的进步 6。在发动机连杆的加工工艺方面的技术有了长足的发展也是从二十世纪八九十年代开始，该阶段，开始有理论和相对不太成熟的连杆裂解工艺的试验，近些年来，在国内的部分汽车制造企业也开始大力发展这种连杆加工工艺；即预先在需断裂位置利用机械方法或者激光束等技术制造预裂纹,然后经过进一步加工将连杆体和连杆盖分离,国内的部分车企也已经采用该种工艺。 连杆胀断的加工工艺首先在技术层面上对传统的连杆加工精度和可靠性提出了挑战，传统的连杆杆身和杆盖的分离方式无外乎两种：锯断和铣断，而这两种加工方式必然都会对连杆杆身和杆盖接触部位的材料造成消耗，最终导致连杆杆身和杆盖接触部位的连接出现问题，而胀断连杆则几乎不会出现这种问题，其可以直接按照预裂纹进行分离，重新贴合后接触精度较传统方法也会高很多；另一点就经济效益而言，一旦我国掌握该种连杆加工工艺的核心技术，一方面会大幅提高连杆的寿命，另一方面将显著降低进口需求的依赖性，进而降低产品的生产成本，将会节省大量的资金；发动机连杆的裂解原理就是首先根据特定材料的延展特性，使该种材料产生预定的裂纹，然后通过特殊的方法来控制该纹理的特征走向，最后达到特定的裂纹效果即连杆杆身和杆盖的分离， 这样做的目的很多，首先在连杆的装配精度大幅提高，随即带来的即是对发动机连杆所承受动载荷能力的提高等；发动机可以说是整辆汽车的心脏，而连杆又是发动机的核心部件，很大程度上对连杆的好坏整车性能会起到很大作用7。1.3 本文研究的主要内容本文旨在通过三方面的工作，对特定的一种汽油机发动机连杆建立比较完善的发动机连杆的分析与加工过程，主要有以下三方面的工作：第一：根据给定的连杆参数如大、小头孔径，两孔中心距等建立连杆的三维实体模型，此步骤将在CATIA的零件设计模块以及创成式曲面设计模块完成，通过连杆的模型建立进一步熟悉cad技术在新的产品开发过程中所起到的作用；此步骤即为下边对连杆进行有限元分析做准备工作；第二：在对连杆进行有限元分析之前做需要做的工作是分析发动机连杆工作时所处的工况、约束和边界条件等；由于实际连杆工作过程中状态极其复杂，因此在分析时需要对模型以及受力状态进行一定程度的简化，比如对模型，一些对分析结果影响不大的圆角可以删除，否则在有限元软件中分析时会出现问题；另外对于连杆所处工况，如前所述，实际分析时只取集中比较典型的工况进行处理；有限元分析三方面的内容：连杆大头轴瓦与连杆盖、小头衬套与连杆小头孔不同情况下的接触压力；不同工况下连杆小头衬套和大头轴瓦的变形量以及在循环工况下连杆的高周疲劳系数值。这些结果在初始技术设计阶段已经可以很大程度上保证连杆的可靠性。第三：在对连杆进行有限元分析并保证连杆的强度、刚度以及疲劳系数后，便可对该连杆进行试制加工的工艺编制，在该环节，将直接实地对生产连杆的厂家进行考察，充分了解国内主要连杆生产厂家在实际生产工程中的工艺流程是怎样的， 然后对比分析本文所涉及的连杆，对其进行工艺编制，在厂方的指导以及新技术的融合下完成对该连杆的工艺编制并进行审核。综上，望通过对连杆的的结构设计、强度以及工艺设计，并结合实际生产，对现代连杆的设计生产有更深一步的理解，加深对实际工程技术的认知，对个人技术成长有较强的提升。第二章 EC5连杆几何模型的建立2.1 概述发动机连杆的方案设计、技术设计等这一切工作的前提是必须要有基本模型作为支撑，即首先需要根据发动机的功率以及布置要求等参数，确定所设计连杆的基本参数和数据，通过计算机辅助软件建立得到连杆的基本模型，得到的模型应该最大程度上保证与实际设计零件的一致性，以保证后续设计工作如有限元分析、工艺设计等工作的准确性和可靠性。2.2 CATIA软件介绍8CATIA是法国达索（Dassault）系统公司的大型高端CAD/CAE/CAM一体化应用软件，在世界CAD/CAE/CAM领域处于领导地位，其内容涵盖了从产品到概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出、到生产加工成产品的全过程，应用范围涉及航空航天、汽车、机械、造船、通用机械、数控（NC）加工、医疗器械和电子等诸多领域。CATIA V5是达索公司在为数字化企业服务过程中不断探索的结晶，代表着当今这一领域的最高水平，包含了众多最先进的技术和全新的概念，指明了企业未来的发展方向，与其他同类软件相比具有绝对的优势。CATIA软件的全称是Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application，在它上述提到的众多的模组里，各个模组又有一个到几十个不同的模块，其中功能模组如基础结构、机械设计、形状、分析与模拟、AEC工厂、加工、数字化装配、设备与系统、制造的数字化处理、加工模拟、人机工程学设计与分析、知识工程模块和ENOVIA V5 VPM（如图2.1所示） 图2.1 CATIA V5R21 中的模组以及模块菜单1. “基础结构”模组“基础结构”模组主要包括产品结构、材料库、CATIA不同版本之间的转换、图片制作、实时渲染（Real Time Rendering）等基础模块。2. “机械设计”模组“机械设计”模块提供了机械设计中所需要的绝大多数模块，包括零部件设计，装配件设计、草图绘制器、工程制图、线框和曲面设计等模块。另外，“机械设计”模组还可以通过专用的应用程序来满足钣金与模具制造商的需求，以大幅提升其生产力并缩短上市时间。3. “形状”模组包括了自由曲面造型（Freestyle）、汽车白车身设计（Automotive Class A ）、创成式曲面设计（Gnerative Shape Design）和快速曲面重建（Quick Surface Reconstruction）等模块。4. “加工”模组5. “数字化装配”模组6. “分析与模拟”模组7. “AEC工厂”模组8. “人机工程学设计与分析”模组9. “设备与系统”模组10.“知识工程模块”模组2.3 模型的建立该连杆模型在CATIA零件设计模块中完成，整个模型的完成主要有三部分组成： 连杆体 ； 小头衬套（具有钣金特征）； 螺栓；连杆的建模思路为：l 首先以固定不变的基准建立杆身部分模型，如图2.2所示图2.2l 利用布尔操作建立连杆小头及杆身连接模型，如图2.3所示图2.3l 对上述模型进行双向拔模并两次进行布尔操作得到模型效果如图2.4所示图2.4l 插入新几何体建立连杆大端模型并建立通过多截面实体操作获得连杆大端两侧面结果,如图2.5所示图2.5l 插入新几何体并通过一系列基本操作:定义肋、凸台镜像、分割、布尔操作，过程图解以及杆身凹槽如图2.6图2.6l 大小头为达到轻量化效果所建立的减重结构，如图2.7图2.7l 最终模型如图2.8所示图2.8连杆的最终模型如上图所示。第三章 连杆的有限元分析传统上对连杆进行有限元分析时，由于大多数连杆结构均为对称形式，因此传统有限元分析一般都采用二维平面进行分析，这样分析过程就可以大大简化，但是简化模型的过程直接导致的问题就是模型计算结果的与实际状态相差较大，结果差强人意；而伴随着计算机技术的快速发展，越来越多的设计者采用三维模型进行分析，而且尽可能通过各种手段模拟出连杆装配体中各个零件的真正装配状态，以便得出更接近实际状态的结果，传统意义上对零件的强度等问题的分析流程如以下流程所示：图3.1在有限元软件中对于一个装配体结构进行FEA分析时，分析连杆运动状态，确定连杆所处工况后，关键问题在于如何让在软件中将该装配体的约束正确无误的体现出来，以及如何正确模拟连杆装配体各个零件之间的接触问题，不同的软件中接触问题设置的功能按钮以及内部算法都会存在不同程度的不同，因此计算结果也会存在不同程度的差异；该论文未对连杆装配体进行过多的简化，只将一些过度圆角、倒角以及衬套内部的钣金特征和轴瓦内部的卡槽特征进行了简化，以便能够在分析时模拟出最真实的状况，同样这样带来的问题就是设置一系列约束、接触问题以及计算过程的繁琐；同时为了简化约束设置问题，本论文采取1/2连杆模型进行有限元分析。3.1 有限元法的基本介绍3.1.1 有限元法的基本思想 有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是将复杂的模型进行离散化后，用简单地模型代替复杂的模型对计算进行简化。它是将许多被称为有限元的小的互联子域作为求解域，对每一个小的单元进行近似求解，然后通过这个小的求解域来近似得到这个域的总的满足条件，因此这个解是近似解9；在工程或物理问题的数学模型（基本变量、基本方程、求解域和边界条件等）确定以后，有限元法作为对其进行数值分析的基本思想可概括为如下3点10：（1）将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域（单元），并通过他们边界上的节点相互连接成为一个整体；（2）用每一个单元内所假设的近似函数来分片地表示全求解域内待求解的未知场变量。而每个单元内的近似函数由未知场函数（或其导数）在单元各个节点上的数值和其对应的插值函数来表达。由于在连接相邻单元的节点上，场函数具有相同的数值，因而将它们作为数值求解的基本未知量。这样一来，求解原待求场函数的无穷自由度问题就转换为求解场函数节点值的有限自由度问题。（3）通过和原问题数学模型（如基本方程、边界条件等）等效的变分原理或加权余量法，建立求解基本未知量（场函数节点值）的代数方程组和常微分方程组。此方程组成为有限元求解方程，并表示为规范化的矩阵形式，接着用相应的数值方法求解该方程，从而得到原问题的解答。有限元法具有以下特点：（1）对于复杂几何构型的适应性（2）对于各种物理问题的适用性（3）基于缜密的数值计算的可靠性（4）适合计算机实现的高效性 但是需要注意的是，在当前的技术条件下，并非所有的问题计算时都能得到完全准确的解，而有限元法是目前为止一种最方便高效的方法，有限元法相对来说计算精度较高，而且可以适用于各种尺寸和形状复杂的几何形状以及其他方面的分析，因此，在近些年已经发展为行之有效的工程分析手段。 3.1.2 有限元分析的基本过程 ANSYS 分析过程包含四个主要步骤：第一点：确定结构的分析类型；此过程主要是做有限元分析的前期准备工作，使设计分析人员明白所处理的是一个什么类型的问题，需要用什么样的方法去解决，是静力学问题还是动力学问题，是实体模型还是平面模型等，从而确定后续前处理工作是采用什么样的有限单元来模拟，另外一个关键性问题，装配问题应该如何让分析，单独零件问题应该如何分析，这些问题都是在动手操作之前就应该很清楚；第二点：前处理；主要工作任务是将将几何模型划分网格，注意几何模型的来源有两种，直接从外部CAD软件导入和直接在有限元分析软件中进行建模，CAE分析软件的强项在于分析，个人建议应该通过专业的CAD软件对各个零件进行建模，最后组成装配体直接从外部打入CAE软件中；然后进行参数的设置，静力结构分析主要注意两个参数的输入：弹性模量和泊松比；另外还有密度等参数在适当的分析情况下也需要调整；第三点：加载并求解；对于静力结构分析加载载荷之前，大多数情况下均需要对零部件进行约束定义，同样对于连杆的装配体，也需要建立适当的约束来限制连杆模型的自由度，而且在本论文中，个人认为自由度限制显得尤为繁琐；另外对于加载，加载之前需要对连杆运动时所处工况有充分的了解，然后将各工况进行细化，不同工况下对应连杆的不同约束；在约束以及全部工况均设置好之后，则需要求解，应该按照不同的工况对应相应的约束进行求解即可；第四点：后处理；检查结果并分析结果的可靠性。详细过程如下图3.2所示：初步确定前处理求解后处理分析类型：静力分析、模态分析单元类型：壳单元、实体单元模型类型：零件、组件检验结果的正确性查看结果 得出结论求解施加载荷和约束建立、导入几何模型划分网格定义材料属性图3.23.2 ANSYS Workbench 软件介绍ANSYS Workbench是基于在ANSYS经典界面延伸发展出的一款界面精简，操作使用简单的快速分析后处理求解器，其涉及的学科和分析范围相当广泛，从基本的结构分析包括各种线性和非线性应力及刚度分析、模态分析等等，还有热分析、流体分析、磁场分析几大功能模块；涉及学科有材料力学、流体力学、振动、热力学、光电学、耦合场等学科，真正的将计算机辅助设计和各物理学科现象进行结合，将不可见的结构运动和抽象现象利用数据进行直观的表达；同时，该软件可在当下百分之九十以上的计算机运作，强化可使用性能。3.2.1 ANSYS Workbench 概述及特点 Workbench 是ANSYS公司开发的新一代协同仿真环境。ANSYS Workbench具有以下特点：u 协同仿真、项目管理u 双向参数传输功能u 高级的装配部件处理工具u 先进的网格处理功能u 分析功能u 内嵌可定制的材料库Workbench 文档管理在Workbench中，当指定文件夹及保存了一个项目后，系统会在磁盘中保存一个项目文件（*.wbpj）及一个文件夹（*_files）。Workbench是通过此项目文件和文件夹及其子文件来管理所有相关文件的；另外根据个人经验，由于该连杆模型是直接通过外部导入Workbench的，因此导入的模型在软件中肯定有自身的链接路径，在分析完后由于生成了一个文件和文件夹，如果想要移动该文件和导入的几何模型，就会出现Geometry处出现报错，此时就必须将几何模型重新替代即是更改链接到已移动的路径，替代后报错消失，而且此时已有结果的Setup、Solution均会显示需要更新，如果此时更新的话那么前面设置的一系列的装配体各零件的名称、所划网格以及所设置的接触等参数全部就会恢复默认状态，均需要重新进行设置；因此最好的解决方法就是在进行分析之前就将导入的模型位置以及所需要放置结果保存文件夹的位置确定好，这样就可以避免一系列不必要的问题出现。3.2.2 ANSYS功能的介绍1.结构分析u 静力分析：用于静态载荷。可以考虑结构的线性和非线性行为，例如：大变形、大应力、应力刚化、接触、塑性、超弹性及蠕变等。u 模态分析：计算线性结构的自振频率及振型，谱分析是模态分析的扩展，用于计算由随机振动引起的结构应力和应变（也叫做响应谱或PDS）。u 谐响应分析u 特征屈曲分析u 专项分析2、ANSYS热分析热分析包括以下类型：u 相变（熔化及凝固）u 内热源（例如电阻发热等）u 热传导u 热对流u 热辐射3、ANSYS电磁分析电磁分析中考虑的物理量是磁通量密度，磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、耗能及磁通量泄漏等。磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生。磁场分析包括以下类型：u 静磁场分析u 交变磁场分析。u 瞬态磁场分析u 电场分析u 高频电磁场分析4、ANSYS流体分析 流体分析主要用于确定流体流动及热行为。流体分析包括以下类型：u CFD（Coupling Fluid Dynamic 耦合流体动力）u 声学分析u 容器内流体分析u 流体动力学耦合分析5、ANSYS 耦合场分析 3.3连杆的工况分析以及载荷计算 在对发动机连杆进行有限元分析之前,必须要对连杆在工作过程中所处的基本工况类型做详细的分析和分类,以确定连杆在实际工作中所承受的载荷类型,进而才能对其载荷值找到突破口进行分析计算,进而确定在实际操作中怎样对连杆的受力方式进行加载模拟分析3.3.1 连杆的工况分析连杆的机构运动简图如下图3.3所示13:图3.3图中：L-连杆长度，mm；R-曲柄销半径，mm；w-曲轴的角速度，rad/s；-曲轴的转角；-连杆的摆角，逆时针为正，顺时针为负；X-活塞的位移，mm。发动机连杆的基本运动简图如上图所示，连杆在运动中最大拉伸载荷出现在进气冲程的上止点附近，连杆承受惯性载荷，惯性载荷使连杆体出现拉伸，事实上，该惯性载荷包含三部分：活塞组的往复运动产生的惯性载荷、连杆体上下往复运动产生的惯性载荷以及连杆大头旋转产生的惯性载荷；此时，连杆小头衬套上部和大头轴瓦下部承受较大的压力；连杆最大压缩载荷出现在做功冲程的上止点附近，连杆承受由于可燃混合气点燃而产生的最大气体爆发压力，连杆小头衬套下部承受活塞销传递的压力以及连杆大头轴瓦承受由连杆所传递的气体压力，以及惯性载荷；除了承受在连杆往复运动过程中承受拉压载荷，以及由于循环运动所产生的惯性载荷之外，连杆还会产生由于装配产生的螺栓预紧力，连杆小头衬套过盈装配产生的过盈力，大头轴瓦过盈装配产生的过盈力作用。本文对连杆的有限元分析过程，将分析以下几种主要作用力：（1）可燃气体的最大爆发压力；对连杆产生最大压缩载荷（2）活塞组和活塞销产生的惯性力；对连杆产生最大拉伸载荷（3）装配产生的作用力（包括螺栓预紧力、轴瓦以及衬套装配所产生的过盈载荷）3.3.2 发动机连杆的载荷处理 发动机以及连杆的基本参数如下表3.1所示：表3.1 发动机及连杆的基本参数 序号 类别 参数 1 缸径 75mm 2 连杆总成质量 0.4102kg 3 连杆长度 143mm 4 行程 90.5mm 5 最大燃气爆发压力 12 MPa 6 活塞、活塞环、活塞销总质量 0.299kg 7 最大连续超转速 7500r/min 8 曲柄半径 45.25mm 9 曲柄连杆比 0.326610 最大角速度 785.4rad/s11 连杆大头轴瓦直径过盈量 0.03-0.06mm 12 连杆小头衬套直径过盈量 0.05-0.08mm 13 螺栓预紧力 37000N(Max)3.3.2.1 连杆承受最大拉力的计算 连杆进行循环往复运动时，连杆承受惯性拉伸力，最大转速工况时连杆承受最大拉力；对于四冲程发动机，最大拉伸载荷出现在进气冲程的上止点附近，其数值为活塞组换算到小头中心的往复惯性力14，该连杆在进行计算时只利用活塞组件的质量进行惯性力计算，即得到最大拉伸载荷；在最大转速时，进气冲程上止点附近，连杆小头承受的最大拉伸载荷P可由下式计算15： (3.1)其中：为活塞组质量（kg），其中包括活塞，活塞环以及活塞销卡簧等零部件的质量； 为活塞销质量（kg）；如上表所示，、总质量为=0.299kg； R为曲轴曲柄半径（m），R=0.04525m； 为曲柄的角速度（rad/s），最大转速工况时 = 785.4rad/s； l为连杆大孔和小孔中心距（m）,l=0.13854m； 为曲柄连杆比，=R/l=0.3266带入相关数据得： 最大拉伸载荷: 3.3.2.2 连杆承受最大压力的计算 在做功冲程上止点附近，连杆承受最大压缩载荷，此时，连杆小头所承受的最大压缩载荷为最大燃气爆发压力与活塞组和活塞销产生的往复惯性力之差（即上述计算的最大拉伸载荷）15： (3.2)其中： 为连杆所承受的最大压缩载荷（N）； 为发动机最大爆发压力（MPa），=12MPa；取最大转矩工况时的最大爆发压力值（注意中已说明）； 为活塞组件和活塞销产生的惯性力；（也即上述连杆的拉伸载荷，）（N）；计算该值所涉及到的角速度采用最大转矩工况时产生的最大爆发压力值所对应的角速度以及转速（非上述计算中的最大转速工况对应的角速度值）；该角速度由实验数据得来； 为活塞直径，也即缸径（m）；注意：最大燃气爆发压力是由实验数据而来，包含两种情况，标定工况和最大扭矩工况；此处最大爆发压力的来源为最大转矩工况；另外，活塞组以及活塞销所产生的惯性力计算中所涉及的角速度即采用该工况时产生的最大爆发压力所对应的角速度，该值由实验数据的来；计算得出： 3.3.2.3 连杆装配载荷 连杆所承受的装配载荷包含三种：连杆螺栓产生的装配预紧力，连杆小头衬套过盈配合产生的过盈载荷以及大头轴瓦过盈配合产生的过盈载荷； 连杆螺栓的主要作用是连接连杆盖和连杆杆身，保证杆身和连杆盖在任何工况下不发生分离和横向错位，切均能可靠结合16；螺栓预紧力的计算过程这里不做过多的赘述，分析时所加载的螺栓预紧力为； 对于大头轴瓦和小头衬套过盈配合直接可以在Workbench软件中根据过盈量来模拟，因此，由于过盈配合而产生的过盈载荷就不再计算；连杆大头轴瓦直径过盈量为0.03-0.06mm，连杆小头衬套直径过盈量为0.05-0.08mm。综上所述，连杆所承受的载荷如下表3.2所示：表3.2 连杆承受载荷 序号 载荷类型 载荷值 1 连杆承受最大拉伸载荷(N) 11071.63 2 连杆承受最大压缩载荷（N） 34924.23 螺栓装配预紧力(N) 370004 连杆小头衬套过盈量(mm) 0.05-0.085 连杆大头轴瓦过盈量(mm) 0.03-0.063.4 连杆的有限元分析 本节将按照有限元分析的基本过程对连杆进行静力分析 。 3.4.1 过盈以及接触问题的处理接触问题就是当两个分离的表面相互触碰并互切时，就称它们为接触状态11；在一般物理意义中，处于接触状态的表面具有以下特点：不相互穿透、能够传递法向压力和切向摩擦力以及通常不传递法向拉力；因此，它们之间可以自由地分开并远离。接触问题属于强非线性问题，因为随着接触状态的改变，接触表面的法向和切向刚度都有显著的变化；接触问题是状态改变的非线性问题，意即系统的刚度依赖于接触的状态；另外使得接触问题变得复杂化的一些其他因素包括：典型的在分析初期，接触区域处于未知状态，另外多数问题涉及到摩擦，还有除了和其他部件接触某些部件可能是无约束的即在建立起接触之前，这样的