连杆有限元分析
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四、结论
1、 采用 42CrMoA 设计的连杆, 其最小疲劳安全系数大于 1.6，可以满足连杆设计 工况。
2、 在连杆工作载荷下，连杆杆身与连杆盖结合面处所有的法向应力基本上都大 于 0Mpa，因此连杆杆身与连杆盖不会分离。
3、 在连杆工作载荷下，连杆轴瓦与连杆大头的接触压力大部分面积都大于 10MPa，因此连杆大端孔处的变形在允许范围内。
Ho
图 4 连杆的最小压应力分布图（装配载荷+气体爆发压力＋n=3000rpm）
图 5 连杆和连杆盖的接触面的应力分布图（装配载荷＋n=3000rpm） -6-
Home
图 6 连杆和连杆盖的接触面的应力分布图（装配载荷+气体爆发压力＋n=3000rpm）
图 7 轴瓦与连杆大头的接触面的应力分布图（装配载荷＋n=3000rpm） -7-
0.3
连杆盖
42CrMoA
207000
0.3
轴瓦、衬套
钢
207000
0.3
螺栓、螺母
钢
207000
0.3
曲轴、活塞销
钢
207000
0.3
3.4 计算结果及分析
抗拉强 度σ b(Mpa) 890 890
疲劳强 度σ -1(Mpa) 350 350
3.4.1 连杆应力与疲劳安全系数 由于连杆是在交变载荷下工作，采用以下公式计算其疲劳安全系数：
梁端部的竖向挠度与载荷线性相关（当挠度较小时），直到它接触到障碍物为 止。这时梁端部的边界条件发生突然的变化，阻止竖向挠度继续增大，因此梁的 响应将不再是线性的。边界非线性是极度不连续的：在模拟分析中发生接触时，
-1-
结构的响应特性会在瞬间发生很大的变化。
Home
图 1 将碰到障碍物的悬臂梁
梁端部的竖向挠度与载荷线性相关（当挠度较小时），直到它接触到障碍物为 止。这时梁端部的边界条件发生突然的变化，阻止竖向挠度继续增大，因此梁的 响应将不再是线性的。边界非线性是极度不连续的：在模拟分析中发生接触时， 结构的响应特性会在瞬间发生很大的变化。
三、计算分析过程：
3.1 连杆的三维有限元模型
连杆的三维几何模型来自 PRO/E，采用 Hyper Mesh 软件建立有限元模型，该 有限元模型包括的零件有：连杆、连杆盖、预紧螺栓、预紧螺母、活塞销、曲轴 连杆轴颈、连杆大头轴瓦、连杆小头衬套。连杆、连杆盖采用四面体二次单元； 预紧螺栓、预紧螺母、活塞销、曲轴连杆轴颈、连杆大头轴瓦、连杆小头衬套采 用五面体和六面体的混合单元。由于连杆的三维几何模型具有很好的对称性，为 了减少计算所用时间，在这次计算分析过程只截取整个几何模型的 1/4 划分网格， 模型总共有 27830 个节点，18315 个单元。图 2 为连杆(1/4)有限元模型。
关键词：动力学 接触 边界非线性 有限元计算分析
一、前言：
连杆是发动机中传递动力的重要零件，它把活塞的直线运动转变为曲轴的旋 转运动，并将作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作过程中要承受 装配载荷（包括轴瓦过盈及螺栓预紧力）和交变工作载荷（包括气体爆发压力及 惯性力）的作用，工作条件比较苛刻。现代汽车正向着环保节能方向发展，这就 要求发动机连杆在满足强度和刚度的基础上，应具有尺寸小、重量轻的特点。
连杆小头惯性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，
Pj=16.8KN，与发动机工作转速（3000rpm）相对应。
连杆大头惯性力，
Pj=30.9KN，与发动机工作转速（3000rpm）相对应
3.3 材料性能
表 1 列出了计算中采用的材料性能数据。
零件
材料
表 1 材料性能数据
弹性模量 泊松比
E(N/mm2)
μ
连杆
42CrMoA
207000
-4-
Home
图 2 连杆(1/4)有限元模型 312.8MPa 418.8Mpa 60.8MPa 49.8MPa 25.0MPa 281.0Mpa
图 3 连杆的最大拉应力分布图（装配载荷＋n=3000rpm） -5-
212.8MPa
233.3MPa -191.6MPa -173.8MPa -194.3MPa 67.7MPa
-2-
3.2 边界条件
3.2.1 装配载荷
Home
连杆大头轴瓦与连杆大头的半径过盈量为：0.05008mm；
连杆小头衬套与连杆小头的半径过盈量为：0.02375mm；
螺栓预紧力为 5.8KN。
3.2.2 工作载荷
气缸爆发压力：Pg=p×πD2=131.4KN 式中：p 为气缸内压强；D 为缸径
惯性力：
考虑到柴油机连杆的边界条件比较复杂，想要得到比较好的模拟结果，边界 条件必须考虑接触和非线性，普通通用软件没有这方面的功能，而 ABAQUS 软件刚 好能广泛的求解非线性（包括接触）的问题，我们用它解决了这一实际工程问题。
二、基本原理介绍：
2.1 边界非线性
若边界条件随分析过程发生变化，就会产生边界非线性问题。考虑图 1 所示 的悬臂梁，它随施加的载荷发生挠曲，直到碰到障碍。
连杆杆身与螺母附近的过渡区
2.3
连杆小端的油孔
2.6
3.4.2 连杆杆身大头与连杆盖结合面处的接触压力 图 5 为第一种工况连杆杆身与连杆盖结合面处在装配载荷+拉伸载荷下的法 向应力分布，图中的深蓝色区域表示失去接触； 图 6 为第二种工况连杆杆身与连杆盖结合面处在装配载荷+压缩载荷下的法 向应力分布，图中的深蓝色区域表示失去接触。 从图上可以看出，连杆杆身与连杆盖结合面处在所有工作载荷下的法向应力 基本上都大于 0Mpa，不会分离。 3.4.3 连杆与连杆大头轴瓦间的接触压力 图 7 为连杆轴瓦与连杆大头在装配载荷+拉伸载荷下的压应力分布，从图上以 看出，连杆轴瓦与连杆大头的接触压力大部分面积都大于 10Mpa。所以，在连杆 工作载荷下，连杆轴瓦与连杆大头不会分离。
Home 柴油机连杆有限元分析
岳贵平 李康 一汽技术中心
摘要： 本文前处理利用 Hyper Mesh 软件，计算分析及后处理利用 Abaqus 软 件。按柴油机连杆受拉和受压的两种工况，对其进行动力学的有限元计算分析（主 要应用了接触和边界非线性的原理），得到了连杆（其中还包括连杆盖、预紧螺栓、 预紧螺母、活塞销、连杆大头轴瓦和连杆小头衬套）的应力图和它们的安全系数。 为连杆的设计和制造提供了充分的数据资料，具有很高的工程实用价值。
2.2 接触
许多工程问题含有两个或多个部件的接触的情况。在这类问题中，当两个物 体接触时，存在沿接触面法向，且作用在接触物上的力。如果接触面存在摩擦力， 可能会产生抵抗物体间切向运动（滑动）的剪力。
在有限元中，接触条件是一类特殊的不连续的约束，它允许力从模型的一部 分传输到另一部分。因为仅当两个面接触时才应用接触条件，所以这种约束是不 连续的。当两个表面分开时，没有约束作用在上面。
n=
σ−1 ×σb
σ−1 ×σm +σb ×σa
-3-
σa
=
σ max
− σ min 2
σm
=
σ max
+ σ min 2
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连杆应力见图 3、4。最小疲劳安全系数见表 2。
表 2 最小疲劳安全系数
连杆杆身与连杆大端的过渡区
3.5
连杆杆身与连杆小端的过渡区
4.0
连杆杆身与螺栓头附近的过渡区
1.6
1、 采用 42CrMoA 设计的连杆, 其最小疲劳安全系数大于 1.6，可以满足连杆设计 工况。
2、 在连杆工作载荷下，连杆杆身与连杆盖结合面处所有的法向应力基本上都大 于 0Mpa，因此连杆杆身与连杆盖不会分离。
3、 在连杆工作载荷下，连杆轴瓦与连杆大头的接触压力大部分面积都大于 10MPa，因此连杆大端孔处的变形在允许范围内。
Ho
图 4 连杆的最小压应力分布图（装配载荷+气体爆发压力＋n=3000rpm）
图 5 连杆和连杆盖的接触面的应力分布图（装配载荷＋n=3000rpm） -6-
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图 6 连杆和连杆盖的接触面的应力分布图（装配载荷+气体爆发压力＋n=3000rpm）
图 7 轴瓦与连杆大头的接触面的应力分布图（装配载荷＋n=3000rpm） -7-
0.3
连杆盖
42CrMoA
207000
0.3
轴瓦、衬套
钢
207000
0.3
螺栓、螺母
钢
207000
0.3
曲轴、活塞销
钢
207000
0.3
3.4 计算结果及分析
抗拉强 度σ b(Mpa) 890 890
疲劳强 度σ -1(Mpa) 350 350
3.4.1 连杆应力与疲劳安全系数 由于连杆是在交变载荷下工作，采用以下公式计算其疲劳安全系数：
梁端部的竖向挠度与载荷线性相关（当挠度较小时），直到它接触到障碍物为 止。这时梁端部的边界条件发生突然的变化，阻止竖向挠度继续增大，因此梁的 响应将不再是线性的。边界非线性是极度不连续的：在模拟分析中发生接触时，
-1-
结构的响应特性会在瞬间发生很大的变化。
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图 1 将碰到障碍物的悬臂梁
梁端部的竖向挠度与载荷线性相关（当挠度较小时），直到它接触到障碍物为 止。这时梁端部的边界条件发生突然的变化，阻止竖向挠度继续增大，因此梁的 响应将不再是线性的。边界非线性是极度不连续的：在模拟分析中发生接触时， 结构的响应特性会在瞬间发生很大的变化。
三、计算分析过程：
3.1 连杆的三维有限元模型
连杆的三维几何模型来自 PRO/E，采用 Hyper Mesh 软件建立有限元模型，该 有限元模型包括的零件有：连杆、连杆盖、预紧螺栓、预紧螺母、活塞销、曲轴 连杆轴颈、连杆大头轴瓦、连杆小头衬套。连杆、连杆盖采用四面体二次单元； 预紧螺栓、预紧螺母、活塞销、曲轴连杆轴颈、连杆大头轴瓦、连杆小头衬套采 用五面体和六面体的混合单元。由于连杆的三维几何模型具有很好的对称性，为 了减少计算所用时间，在这次计算分析过程只截取整个几何模型的 1/4 划分网格， 模型总共有 27830 个节点，18315 个单元。图 2 为连杆(1/4)有限元模型。
关键词：动力学 接触 边界非线性 有限元计算分析
一、前言：
连杆是发动机中传递动力的重要零件，它把活塞的直线运动转变为曲轴的旋 转运动，并将作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作过程中要承受 装配载荷（包括轴瓦过盈及螺栓预紧力）和交变工作载荷（包括气体爆发压力及 惯性力）的作用，工作条件比较苛刻。现代汽车正向着环保节能方向发展，这就 要求发动机连杆在满足强度和刚度的基础上，应具有尺寸小、重量轻的特点。
连杆小头惯性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，
Pj=16.8KN，与发动机工作转速（3000rpm）相对应。
连杆大头惯性力，
Pj=30.9KN，与发动机工作转速（3000rpm）相对应
3.3 材料性能
表 1 列出了计算中采用的材料性能数据。
零件
材料
表 1 材料性能数据
弹性模量 泊松比
E(N/mm2)
μ
连杆
42CrMoA
207000
-4-
Home
图 2 连杆(1/4)有限元模型 312.8MPa 418.8Mpa 60.8MPa 49.8MPa 25.0MPa 281.0Mpa
图 3 连杆的最大拉应力分布图（装配载荷＋n=3000rpm） -5-
212.8MPa
233.3MPa -191.6MPa -173.8MPa -194.3MPa 67.7MPa
-2-
3.2 边界条件
3.2.1 装配载荷
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连杆大头轴瓦与连杆大头的半径过盈量为：0.05008mm；
连杆小头衬套与连杆小头的半径过盈量为：0.02375mm；
螺栓预紧力为 5.8KN。
3.2.2 工作载荷
气缸爆发压力：Pg=p×πD2=131.4KN 式中：p 为气缸内压强；D 为缸径
惯性力：
考虑到柴油机连杆的边界条件比较复杂，想要得到比较好的模拟结果，边界 条件必须考虑接触和非线性，普通通用软件没有这方面的功能，而 ABAQUS 软件刚 好能广泛的求解非线性（包括接触）的问题，我们用它解决了这一实际工程问题。
二、基本原理介绍：
2.1 边界非线性
若边界条件随分析过程发生变化，就会产生边界非线性问题。考虑图 1 所示 的悬臂梁，它随施加的载荷发生挠曲，直到碰到障碍。
连杆杆身与螺母附近的过渡区
2.3
连杆小端的油孔
2.6
3.4.2 连杆杆身大头与连杆盖结合面处的接触压力 图 5 为第一种工况连杆杆身与连杆盖结合面处在装配载荷+拉伸载荷下的法 向应力分布，图中的深蓝色区域表示失去接触； 图 6 为第二种工况连杆杆身与连杆盖结合面处在装配载荷+压缩载荷下的法 向应力分布，图中的深蓝色区域表示失去接触。 从图上可以看出，连杆杆身与连杆盖结合面处在所有工作载荷下的法向应力 基本上都大于 0Mpa，不会分离。 3.4.3 连杆与连杆大头轴瓦间的接触压力 图 7 为连杆轴瓦与连杆大头在装配载荷+拉伸载荷下的压应力分布，从图上以 看出，连杆轴瓦与连杆大头的接触压力大部分面积都大于 10Mpa。所以，在连杆 工作载荷下，连杆轴瓦与连杆大头不会分离。
Home 柴油机连杆有限元分析
岳贵平 李康 一汽技术中心
摘要： 本文前处理利用 Hyper Mesh 软件，计算分析及后处理利用 Abaqus 软 件。按柴油机连杆受拉和受压的两种工况，对其进行动力学的有限元计算分析（主 要应用了接触和边界非线性的原理），得到了连杆（其中还包括连杆盖、预紧螺栓、 预紧螺母、活塞销、连杆大头轴瓦和连杆小头衬套）的应力图和它们的安全系数。 为连杆的设计和制造提供了充分的数据资料，具有很高的工程实用价值。
2.2 接触
许多工程问题含有两个或多个部件的接触的情况。在这类问题中，当两个物 体接触时，存在沿接触面法向，且作用在接触物上的力。如果接触面存在摩擦力， 可能会产生抵抗物体间切向运动（滑动）的剪力。
在有限元中，接触条件是一类特殊的不连续的约束，它允许力从模型的一部 分传输到另一部分。因为仅当两个面接触时才应用接触条件，所以这种约束是不 连续的。当两个表面分开时，没有约束作用在上面。
n=
σ−1 ×σb
σ−1 ×σm +σb ×σa
-3-
σa
=
σ max
− σ min 2
σm
=
σ max
+ σ min 2
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连杆应力见图 3、4。最小疲劳安全系数见表 2。
表 2 最小疲劳安全系数
连杆杆身与连杆大端的过渡区
3.5
连杆杆身与连杆小端的过渡区
4.0
连杆杆身与螺栓头附近的过渡区
1.6