基于CATIA和ANSYS的连杆疲劳分析

York: Addison-Wesley Publishing Company, 1998.
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C H I N A
V E N T U R E
C A P I T A L
科技技术应用|TECHNOLOGY APPLICATION
基于 CATIA 和 ANSYS 的连杆疲劳分析
江苏省镇江市学府路江苏大学 唐 鑫
摘 要：本文中应用ANSYS软件对连杆进行有限元分析以得到应力及其分布图。首先连杆的三维模型由CATIA建立并导入ANSYS。根据 ANSYS处理结果，得到应力分布图。通过有限元分析可以针对应力分布情况对连杆的疲劳失效情况进行分析。针对分析结果，最终达到对连杆结 构进行优化的目的。
4. 分析结果 (1) 连杆应力分布是合理的。应力分布平均且正常，几乎 没有应力集中现象出现。 (2) 工作中的极限应力条件下 , 最大应力区域应力符合材料 的极限应力和屈服强度。 所有危险工作区域均符合强度准则。 根 据 连 杆 材 料 的 各 种 参 数 , 18Cr2Ni4WA 极 限 应 力 为 1175MPa 双侧疲劳强度为 507MPa。所以 , 定义 σa=(σ max-
很明显，连杆出于安全状态。 三、优化设计 燃油的减少使得汽车发动机的燃油经济性越来越受到重 视，连杆作为重要的回转件，它的轻量化设计对减少燃油消 耗有着重要的作用。受限于结构和其它因素设定最大厚度为 20mm 最小厚度为 7mm. 所受应力随厚度变化而变化。 优化目标是在符合应力条件的基础上寻找最佳厚度值，如 图 1 所示。优化后得到两个优化候选点，选取一个插入设计点。 从图中可以看到最佳厚度为 10mm. 根据结果建立模型并对模 型进行网格划分和应力分析，如图 2 所示。
σmin)/2 ,σm=(σmax+σmin)/2. 分别以其为横纵坐标做出图 表。图中 ABC 区域即为安全区域。
下表显示连杆单元的应力情况（单位为 Mpa）。
表 1 应力数据
σmax
σmin
σa
σm
1
159.79
-17.996
ห้องสมุดไป่ตู้
88.893
70.897
2
161.75
-35.551
98.651
63.100
图1
图2
四、结论
优化模型是合格的。通过分析和优化，我们在符合强度条
件的基础上得到了最佳的轻量化设计。对减少燃油消耗和提高
排放质量有着重要的影响作用。
参考文献 : [1]刘伟. 连杆的有限元分析[J]. 国际发动机零件, 2011(10) [2]王林.发动机连杆的静态分析[J].科技信息2011(29) [3]Ci Fan, PLD theory and application, Beijing institute of technology press, CN, 2006. [4]岳大兴,液压驱动和气动研究,北京技术研究报, CN, 2006 [5]Craig C C, Adaptive Control of Mechanical Manipulators. New
关键词：连杆; 疲劳分析; CATIA; AYSYS; 优化设计
一、Introduction 连杆是发动机中很重要的一个部件 . 因此对连杆的分析 优化可以很大的提高的发动机性能，是发动机变的更加高效 与节能。本研究用 CATIA 建立连杆的真实三维模型。并运用 ANSYS 强大的有限元分析和优化功能来实现连杆的疲劳分析。 ANSYS 是一款极其强大的有限元分析软件。通过数据接口， ANSYS 可以方便的实现从 CAD 软件中导入实体模型。因此， 将 CATIA 强大的建模功能与 ANSYS 优越的有限元分析功能结 合在一起可以极大地满足设计者在设计过程中对建模与分析的 需求。 二、真实连杆的分析 1. 建立真实三维模型 真实连杆结果复杂，为便于优化分析，对连杆结构进行简 化处理。 (1) 根据应力分布 , 螺纹孔和边缘倒角被合理忽略。 (2) 由于连杆顶端与连杆体间用螺栓相连，因此有限元分 析中，可以将二者看做一个整体。 (3) 连杆体上的空腔和凹槽对应力分析没有重要影响，因 此在建模过程中也忽略。 2. 将 CATIA 中的模型导入 ANSYS 首先将模型保存为 * model 格式。然后打开 ANSYS 进行 一下步骤 : plotctrl-stytle-solid model facets。在优化选项中选择 “fine”选项。最后点击”report”查看结果。 对连杆进行约束以限制其自由度。因为连杆孔尺寸较大， 此处变形量相对较小。因此我们将约束施加于连杆体两侧的端 面使其固定。 连杆材料选为 18Cr2Ni4WA，此种材料的屈服强度和应力 极限为 1127MPa 和 507MPa。 网格尺寸为 5mm. 进行划分得到 网格图。 3. 边界条件 在连杆有限元分析中 , 两岸承受载荷非常复杂 , 特别是连 杆边界应力分布尤为难以分析。 因此 equivalent load 方法被用 来分析应力分布。 当发动机工作时 , 连杆上的载荷有规律的变化，但是没有 必要对每个时刻的连杆状态进行分析，这就是说我们只需要考 虑极限条件即可。它们是由汽油爆炸引起的最大压力时刻和由 压力条件决定最大表面压力时刻。 汽 油 燃 烧 的 瞬 间 , 小 端 压 力 计 算 公 式 为 :P(θ)= Pmax cos(θπ/Ф)。对运动过程中连杆所受压力进行积分运算：