【文章內(nèi)容簡介】 框，在文件夾里選擇端蓋零件，單擊【確定】，主窗口右下角出現(xiàn)一組件預(yù)覽小窗口。 ⑵ 定位組件 系統(tǒng)出現(xiàn)【添加已有部件】對話框，在引用集下拉框選擇【實(shí)心的】選項，在【定位】下拉框選擇【絕對的】選項，在【層選項】下拉框選擇【原先的】選項，然后單擊【確定】按鈕，出現(xiàn)【點(diǎn)構(gòu)造器】對話框，在此對話框中單擊 按鈕，然后單擊【確定】，則加入了第一個組件。 ⑶ 裝配 螺栓 按照步驟 2同樣的方法加入螺栓零件，然后進(jìn)行定位，系統(tǒng)出現(xiàn)【添加已有部件】對話框，如圖所示，在定位下拉框中選擇【配對】，然后單擊【確定】，出現(xiàn)【配對條件】對話框，在次對話框中【配對類型】工具欄選擇 圖標(biāo)。 裝配結(jié)果，如圖 324 所示： 圖 324 裝配結(jié)果 裝配質(zhì)量 分析 在 UGNX 中，能夠很方便地反映出所建模型的質(zhì)量、質(zhì)心、面積、體積、慣性矩、回轉(zhuǎn)半徑等信息。 ⑴ 打開已裝配好的文件 ⑵ 設(shè)置材料性能 ⑶ 分析 選擇【分析】→【質(zhì)量特性】→【裝配質(zhì)量管理】，彈出【重量管理】對話框→【工作部件】，單擊【確定】，自動分析出相關(guān)的信自，如圖 325 所示： 圖 325 裝配質(zhì)量 信息 第四章 柴油機(jī)連桿的有限元分析及強(qiáng)度校核 連桿幾何模型的建立 連桿的材料性能及特點(diǎn) 柴油機(jī)連桿在整個工作過程中受拉伸、壓縮以及慣性力和連桿力矩所生成的交變的載荷，尤其是大功率柴油機(jī)的工作條件更差 ,因此必須保證連桿具有足夠的疲勞強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)剛度。 本論文中由于不考慮溫度的影 響，材料系數(shù)可取為常數(shù)。連桿和連桿端蓋的材料均為 40Cr，其屈服強(qiáng)度可達(dá) 800MPa ，彈性模量為 +5( 2/N mm ),密度?。?3/kgmm ）， 并認(rèn)為考慮范圍僅限于線彈性。 幾何模型的建立 當(dāng)前，有限元分析技術(shù)在發(fā)動機(jī)零部件設(shè)計過程中發(fā)揮著越來越重要的作用，它不僅縮短了設(shè)計周期，而且也大大提高了設(shè)計精度。該軟件采用交互式將有關(guān)連桿幾何形狀、材料特 征和計算工況的參數(shù)輸入后，軟件就可進(jìn)行如下處理： (1)生成連桿有限元網(wǎng)格及變厚度處理等有關(guān)參 圖 41 有限元分析結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖 數(shù)； (2)自動進(jìn)行載荷處理； (3)計算單元剛度； (4)計算節(jié)點(diǎn)位移； (5)計算節(jié)點(diǎn)應(yīng)力；(6) 計算各節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)力，并求出最大主應(yīng)力及其位置； (7)計算各強(qiáng)度理論中的相當(dāng)應(yīng)力，并求出最大相當(dāng)應(yīng)力及其位置； (8)繪制單元網(wǎng)格圖、邊界應(yīng)力圖和邊界變形圖。結(jié)構(gòu)程序如圖 41 所示： 利用 建立三維立體模型首先建立準(zhǔn)確、可靠的計算模型 ,是應(yīng)用有限元法進(jìn)行分析的重要步驟之一。在進(jìn)行有限元分析時 ,應(yīng)盡量按照實(shí)物來建立有限元分析模型 ,但對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體 ,完全按照實(shí)物結(jié)構(gòu)來建立計算模型、進(jìn)行有限元分析有時會變得非常困難 ,甚至是不可能的 ,因此可進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?。一般來說 ,因模型帶來的誤差要比有限元計算方法本身的誤差大得多。所以 ,結(jié)構(gòu)有限元計算的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于計算模型的準(zhǔn)確性。 為了較準(zhǔn)確地計算出連桿的應(yīng)力情況 ,本文的連桿計算模型只對連桿大頭做了簡化處理 :包括將連桿大頭看成 一個整體 ,不考慮連桿螺栓 ,去掉了連桿大頭的加強(qiáng)筋。將建好的模型導(dǎo)入 ANSYS 中，進(jìn)行修復(fù)和修改 。 網(wǎng)格的劃分 在網(wǎng)格劃分之前，需要定義單元屬性，包括單元類型、實(shí)常數(shù)和材料模型等。這些屬性對有限元分析來說，非常重要，不僅影響到網(wǎng)格劃分，而且最關(guān)鍵的是，對求解的精度影響極大。對于操作過程，只簡述一個，其余具體操作不再贅述。 ⑴ 定義單元類型 選擇主菜單中【 Preprocessor】→【 Add/Edit/Delete】→【 Element Type】 ,然后如圖 42 所示，選擇【 Solid】→【 10node 92】→【 OK】 圖 42 定義單元類型 ⑵ 定義實(shí)常數(shù) ⑶ 定義材料模型 ⑷ 賦予單元屬性 有限元分析的基礎(chǔ)是單元 ， 所以在有限元分析之前必須將實(shí)物模型劃分為等效節(jié)點(diǎn)和單元。在 ANSYS 單元庫中有 100 多種不同類型的單元 ,不同的單元類型決定單元的自由度、代表不同的分析領(lǐng)域、單元是屬于二維空間還是三維空間等特性。 由于連桿形狀較為復(fù)雜，在滿足計算精度要求的 情況下，為了讓結(jié)點(diǎn)數(shù)量盡量少，本論文對整個連桿采用能較好模擬物體形狀的自由三維四面體 Solid 92 劃分自由網(wǎng)格，連桿有限元網(wǎng)格如圖 43 所示： 圖 43 連桿有限元網(wǎng)格圖 計算工況的選擇和計算條件的處理 在內(nèi)燃機(jī)工作時，連桿作復(fù)雜的平面運(yùn)動，它受到的力是周期變化的。本軟件模擬最惡劣的工況進(jìn)行計算，即把連桿的受力狀態(tài)固定在工況最惡劣的瞬時，化為在靜力作用下的應(yīng)力分析問題來處理。在連桿的兩個側(cè)面并無外力作用，連桿的長度又遠(yuǎn)大于厚度，因此，本軟件把連桿的應(yīng)力分析問題簡化為變厚度的應(yīng)力問題來處理。 為了計算方便，計算時把連桿與大頭和大頭蓋作為整體處理。 連桿載荷 連桿工作時承受復(fù)雜周期變化外力。最危險的工況是受最大拉力和最大壓力工況。根據(jù)連桿設(shè)計計算的經(jīng)驗可知，連桿的最大壓力出現(xiàn)在燃燒膨脹行程上止點(diǎn)后20176。，此壓力通過活塞銷作用在連桿小頭內(nèi)側(cè)下部與活塞銷相接觸的圓柱面上。最大拉力則發(fā)生在排氣行程終了的上止點(diǎn)，此拉力通過活塞銷作用在連桿小頭內(nèi)側(cè)上部與活塞銷相接觸的圓柱面上。這兩個力沿接觸面圓柱面周向按余弦規(guī)律分布。如圖 44 所示： 圖 44 連桿受力簡化模型 左圖中 ? 為連桿小頭與活塞的接觸角，一般可取 120176。，沿連桿厚度方向近似均勻分布。其分布規(guī)律為： cos( 3 / 2)cqq? ?? cq — 為最大徑向力集度（ 2/N mm ）， q? — 為任意點(diǎn)處的徑向力集度（ 2/N mm ） 。 連桿載荷的計算 已知： 活塞組質(zhì)量 1 kg? 連桿小頭質(zhì)量 2 kg? 連桿大頭質(zhì)量 3 kg? 最大爆發(fā)壓力 max 10zaP MP? 曲柄銷半徑 ? 連桿長度 mm? 主機(jī)轉(zhuǎn)速 2500 / minnr? 則曲軸角速度 2 2 5 0 0 3 . 1 4 2 2 6 1 . 6 6 6 7 /6 0 6 0n r a d s?? ??? ? ? 2 ? ? 曲柄連桿比 6 1 .7 5 0 .2 7 8 72 2 1 .5rL? ? ? ? （ 1）最大受拉工況： 取進(jìn)氣開始時刻的最大慣性載荷作為連桿的最大受拉工況，此時連桿小頭受到的是活塞組 M1的最大往復(fù)慣性力： ? ? ? ?221 m a x 1 1 2. 52 9 0. 06 17 5 68 46 9. 44 4 1 0. 27 87 13 67 2. 60 49 /JP M r N m m??? ? ? ? ? ? ? ? 連桿大頭則是承受活塞組 1M 和連桿小頭 2M 往復(fù)慣性力及連桿大頭 3M 產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)慣性力： ? ? ? ?221 m a x 2 m a x 3 1 2 31J J JP P P P M M r M r? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2 .5 2 9 1 .6 2 8 0 .0 6 1 7 5 6 8 4 6 9 .4 4 4 1 .2 7 8 7 1 .1 7 4 0 .0 6 1 7 5 6 8 4 6 9 .4 4 4? ? ? ? ? ? ? ? N? ? ? 式中 1max,JP ， 2max,JP ， 3P 分別為活塞組、 連桿小頭和連桿大頭的慣性力。 小頭內(nèi)孔表面 120176。范圍內(nèi)的面積為： 39。21 2 2 7 .5 4 8 2 7 6 3 .23A m m?? ? ? ? ? 大頭內(nèi)孔表面 120176。范圍內(nèi)的面積為： 21 2 4 3 . 3 5 1 4 6 2 2 . 7 0 83A m m?? ? ? ? ? 連桿小頭受到的是活塞組 M1 的最大往復(fù)慣性力，這個力在小頭內(nèi)孔表面 120176。范圍內(nèi)的面積上產(chǎn)生的壓力為： 1 m a x ,39。2m a x 39。21 3 6 7 2 . 6 0 4 9 4 . 9 4 8 /2 7 6 3 . 2JJ P NP N m mA m m? ? ? 連桿大頭則是承受活塞組 1M 和連桿小頭 2M 往復(fù)慣性力及連桿大頭 3M 產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)慣性力，這個力在大頭內(nèi)孔表面 120176。范圍內(nèi)的面積上產(chǎn)生的壓力為： 2m a x 22 7 4 3 7 . 7 6 5 5 5 . 9 3 5 4 /4 6 2 2 . 7 0 8JJ PNP N m mA m m? ? ? （ 2）最大受壓工況： 已知?dú)飧變?nèi)最大爆發(fā)壓力為： ? ? 232 6m a x1 3 0 1 0 1 0 1 0 1 3 2 6 6 544zz DP P N?? ???? ? ? ? ? ? 氣缸內(nèi)氣體最大爆發(fā)壓力的一瞬間，此時連桿承受最大壓力以及活塞組和連桿體本身的慣性力。這時連桿小頭載荷為： 1 m a x 1 m a x m a x 1 m a x 132 665 136 72. 604 9 118 992 .39 51K z J z JP P P P P N? ? ? ? ? ? ? 這個力在小頭內(nèi)孔表面 120176。范圍內(nèi) 面積上產(chǎn)生的壓力為： 39。39。21 m a x 39。 1 1 8 9 9 2 . 3 9 5 1 4 0 . 0 6 3 3 /2 7 6 3 . 2Kk PP N m mA? ? ? 連桿大頭上的載荷為： ? ?2 m a x 1 m a x 2 m a x 3 m a xK z J J z JP P P P P P P? ? ? ? ? ? 13 26 65 27 43 65 5 10 52 27 .23 4 N? ? ? 這個力在大頭內(nèi)孔表面 120176。范圍內(nèi)的面積上產(chǎn)生的壓力為： 222 m a x 1 0 5 2 2 7 . 2 3 4 2 2 . 7 6 3 1 /4 6 2 2 . 7 0 8KK PP N m mA? ? ? 連桿邊界條件的處理 對于 連桿大頭邊界條件的處理 ， 假定曲柄銷當(dāng)作剛體固定，連桿受壓工況，在連桿大頭內(nèi)側(cè)上部 120176。圓柱面上施加徑向約束。連桿受拉工況，則在連桿大頭內(nèi)側(cè)下部 120176。圓柱面上施加徑向約束。為了保證計算模型滿足實(shí)際情況，在連桿寬度方向中剖面上施加對稱約束 , 這樣整個連桿的約束就完全了，沒有其它剛體位移。 所以 連桿大頭、小頭上的拉伸、壓縮載荷均按 120176。范圍內(nèi)成余弦規(guī)律分布，在0 處載荷最大，在 60? 處載荷為零。慣性力均勻作用于模型中所有節(jié)點(diǎn)上。連桿模型邊界條件如圖 45和圖 46 所示： 分析時，要在 ANSYS 界面的輸入窗口中輸入的計算程序式為： *get,nmax,node,num,max *get,nmin,node,num,min *dim,t1,array,nmax,1,1 *do,k,nmin,nmax *if,nsel(k),eq,1,then c=(ny(k)180)/180* fn=abs(*cos(3*c/2)) t1(k)=fn *else t1(k)=0 *endif *enddo sffun,pres,t1(1) sf,all,pres,0 對 于 連 桿 拉 壓 工 況 不 同 角 度 位 置 的 的 輸 入 時 要 改 變 上 列 程 序c=(ny(k)180)/180* 中的角度，大頭下端 120 度面受力情況分析時計算式為： c=(ny(k)120)/240*。對于其它位置，依次類推。 圖 45 連桿受拉工況下的 應(yīng)力分布 圖 46 連桿受壓工況下的 應(yīng)力分布 約束條件 假定曲柄銷當(dāng)作剛體固定，連桿受拉工況， 120 度 在連桿大頭內(nèi)側(cè)上部 圓柱面上施加徑向約束，并在大頭端面一側(cè)上施加除徑向外的其余兩方向上的約束。連桿受壓工況，在連桿大頭內(nèi)側(cè)下部 120176。圓柱面上施加 徑向約束，并在大頭端面一側(cè)上施加除徑向外的其余兩方向上的約束。為了保證 計算模型滿足實(shí)際情況，在連桿寬度方向中剖面上施加對稱約束，這樣 整個連桿的約束就完全了。 連桿應(yīng)力分析 運(yùn)用 ANSYS 對連桿進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖 47 和圖 48所示： 圖 47 連桿拉伸工況下的 變形 圖 48 連桿壓縮工況下的 變形 經(jīng) ANSYS 中進(jìn)行計算后，連桿在拉伸、壓縮工況下的應(yīng)力分布圖如上所示。從圖中可以看出： 在最大受拉工況下，連桿小頭的最大應(yīng)力峰值出現(xiàn)在下頭頂部油孔附近、小頭兩邊中心處，桿身部分的 最大應(yīng)力峰值出現(xiàn)在小頭與桿身過渡處；最小主應(yīng)力峰值出現(xiàn)在內(nèi)孔底部。在最大受壓工況下，連桿小頭的最大主應(yīng)力峰值出現(xiàn)在小頭底部；最小主應(yīng)力峰值出現(xiàn)在頂部；桿身處的最大應(yīng)力峰值出現(xiàn)在與小頭連接處，尤其是一些小角處，應(yīng)力集中比較明顯。 在最大受拉工況下