传动轴有限元分析概要

汽车结构有限元分析

研究报告

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盐城工学院汽车工程学院

传动轴有限元分析研究报告

盐城工学院汽车工程学院车辆工程专业江苏，盐城226000

摘要：

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,Alogor, I－DEAS,CAD等。ANSYS 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。传动轴是最常件的零件，该零件结构较为简单，操作方便，加工精度高，价格低廉，因此得到了广泛的使用。目前很多传动轴都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。

本设计是基于 ANSYS软件来汽车曲柄连杆机构行分析。与传统的计算相比，借助于计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。对零件的设计和优化有很大的参考作用。

关键词：三维建模，曲柄连杆机构，有限元，ANSYS，动静态分析

引言

随着发动机强化指标的不断提高，曲柄连杆机构的工作条件更加复杂。在多种周期性变化载荷的作用下，如何在设计过程中保证曲柄连杆机构中的主要部件曲轴具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为机构设计中的关键性问题[3]。由于在实际工况中曲轴承受活塞、连杆传递的爆发压力的交变载荷作用，受力情况极其复杂。采用传统的单纯有限元分析方法，很难完成对曲轴运行过程中动态变化边界条件的描述[4-5]。为了真实全面地了解曲轴在实际运行工况下的力学特性，本课题通过运用CAD软件建立曲柄连杆机构各组成零件的几何模型，确定机构的质量特性参数，通过有限元分析软件Hyperworks和MSC.Nastran的联合仿真，对曲轴和连杆进行自由模态分析，输出振型和频率，将生成的模态中性文件导入ADAMS/View中建立曲柄连杆机构的多柔体动力学模型，应用durability 模块仿真分析曲轴和连杆在爆发压力和惯性力作用下的疲劳应力，由此可以清楚地了解曲轴和连杆在工作过程中各部分的应力，应变，迅速找到危险部位，为机构的优化设计奠定基础。

曲柄连杆机构有限元分析研究报告曲轴的有限元模型的建立

曲轴结构形状复杂，在实际工作中，为了减少应力集中，曲轴不同截面的结合处都有半径较小的倒角，同时为了实现曲轴和轴承间的润滑，曲轴上布置了许多油孔。在对曲轴进行简化过程中，考虑到倒角和油孔对整体结构动力学影响较小，故在对曲轴进行离散生成柔性体之前将这些几何特征抑制掉。

用鼠标左键点选Pro/E菜单栏中的【文件】/【保存副本】命令，便出现保存副本的对话框如图。系统默认的【文件类型】为【零件】，将文件输出的格式更改为【IGES】，选择保存路径为G盘下，输入文件名称prt0001，单击【确定】按钮。

此时出现【输出IGES】的对话框，系统默认为【曲面】，将其更改为【实体】，如下图所示。单击【确定】按钮，将完成Pro/E输出文件的保存。

启动ANSYS，在ANSYS菜单栏中，单击【File】/【Import】/【IGES】,将出现一对话框，单击【OK】按钮,便出现如图所示的【Import IGES File】对话框。

单击【Browse】按钮，出现文件打开对话，选择文件路径G：\prt0001.igs，单击【打开】按钮，便回到【Import IGES File】对话框，单击【OK】按钮即可将实体模型调入ANSYS软件，最终生成的有限元模型如图所示。

在调入ANSYS之前，考虑到计算分析的需要，在不影响分析结果的前提下，对连杆实体模型稍微作了简化处理，例如将不关键的小圆角、小倒角删去，这样将使得结构有限元结点数和单元数目减少许多，提高计算速度。

单元选择及网格划分

有限元分析的基础是单元，所以，在有限元分析之前必须将实物模型划分为等效节点和单元。在ANSYS 单元库中有100 多种不同类型的单元，不同的单元类型决定单元的自由度、代表不同的分析领域，单元是属于二维空间还是三维空间等特性。本文采用有限元接触分析属于非线性分析，运算量庞大，为提高运算速度，要求参与运算的节点和单元应尽可能少，但为了保证计算精度，模型网格应小到足以表述出模型的形状，否则，过粗的网格会造成较大的误差。

在有限元分析中，单元类型的选择和网格划分的精细程度决定了分析结果的准确性。一般情况下，单元类型应尽量选择六面体和五面体，避免使用不稳定的四面体单元，这样有利于提高计算精度。但是，连杆装配体形状很不规则，不满足六面体和五面体映射划分(mapped meshing)的拓扑结构，故选择四面体单元Solid92，采用ANSYS 自带的自由网格划分（Free meshing）方式对模型进行网格划分。Solid92是三维10 节点四面体单元，具有二次位移（quadratic displacement）特性，适合于不规则几何体的网格划分，其每个节点有三个自由度，分别为x y z 三方向的位移。

发动机连杆有限元模型的网格化分

实体模型建立后，要进行有限元分析，需要将实体模型转化为能够直接计算的网格，这种转化叫做网格划分。再对模型进行网格划分之前，甚至在建立模型的阶段，就应同步考虑网格划分的问题，如网格划分单元属性、网格划分类型、网格划分方式、网格密度、单元形状等。

（1）定义单元类型。在有限元分析过程中，对于不同的问题，需要应用不同特性的单元，同时每一种单元也是专门为有限元问题而设计的。因此，在进行有限元分析之前，选择和定义适合自己问题的单元是非常必要。单元选择不当，直接影响到计算能否进行和结果的精度。为适应不同的分析问题，ANSYS提供了一百多种不同的单元类型。从普通的点单元、线单元、面单元、体单元到特殊的接触单元、间隙单元和单元坐标系等。

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