有限元法课程小论文

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基于ANSYS对发动机连杆进行静力学分析

中文摘要

连杆是汽车发动机中的重要零件。在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。因此，连杆是在一个复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。随着汽车的发展对连杆提出了更高要求，要求连杆有更轻的质量、更高的强度、更长的使用寿命。本文建立了汽车发动机连杆几何模型，并对模型施加载荷，分析连杆的应力应变状况，对连杆结构的改进提供了可靠的依据。

关键词：连杆；ANSYS；载荷；静力学；应力；变形位移

第1章绪论

连杆是汽车发动机中的重要零件，它连接着活塞和曲轴，其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。因此，连杆在一个复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三个高应力区域。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能;又要求具有足够的钢性和韧性。

连杆实物图如图1-1所示。本文只对连杆进行静力学分析。

图1-1连杆实物图

第2章利用ANSYS对汽车连杆进行静力学分析

2.1 汽车连杆主要参数

连杆材料的属性为：弹性模量E=30X106 psi，泊松比为0.3。连杆厚度为0.5in。

在小头孔的内侧90。

范围内承受p=1000psi的面载荷作用。

由于连杆的结构和载荷均对称，因此在研究时只要采用对称的一半进行分析即可。

2.2定义单元类型及材料属性

定义单元类型是指定分析对象的特征，主要包括三个基本类型的常数定义。连杆单元类型选择为“Structural Solid”，“Brick 20nodel86”。

定义材料的弹性模量以及泊松比。

2.3创建几何模型

采用自底向上的建模方法建立连杆的几何模型，建立的几何模型如图2-1所示。

图2-1连杆几何模型

2.4网格划分

利用 ANSYS 软件中的 Mesh 命令对连杆模型进行网格划分，这里采用自由网格划分的方式。网格单元的尺寸设置为：最大单元边长取0.2 in，厚度取0.5/3 in。

划分后的模型如图2-2所示。

图2-2连杆模型网格划分结果2.5 加载求解

在连杆工作过程中，一般是在活塞经过上止点后约10。

～20

。

曲轴转角时，

气体压力达到最大。由发动机的示功图可知，在曲轴转角15。

时气体压力最大，

由公式sinβ=(R／l)sinα(其中，β为连杆的摆角，α为曲轴的转角；R为曲轴

半径，l为连杆长度)，经过计算得到连杆的摆角为4.6。

。由于此时连杆受到活

塞销给予的压力以及惯性力的合力已经不完全与连杆长度方向上的轴线平行．而且在实际工作时。连杆位移的受限是由大小头接触处节点自由度被限制所造成的。因此，应该约束此处节点的部分自由度。

具体约束是：

1）在大头接触区施加对称约束。

2）在Y=0的所有面上施加对称约束。

3）施加Z方向上的约束。

施加约束后生成的结果如图2-3所示。

图2-3施加约束后的结果

静态计算中载荷的处理。连杆在工作过程中受到气缸内气体压力、连杆的往复惯性力和旋转惯性力、活塞往复惯性力等作用。气缸内气体的压力和惯性载荷是周期载荷，它随着时间的变化而变化。载荷的施加方式对连杆的局部应力有着重要的影响。

本文仅对连杆进行静力学分析，在 ANSYS 软件中采用 Solution 命令对连

杆进行加载，在小头孔内侧90。

范围内施加1000psi的面载荷。

2.6求解并查看结果

(1)变形位移图：如图2-4所示。由图2-4得出，最大位移为 DMX=0．133E-03，发生在连杆小头圆孔处。

(2)节点等效应力分析图：如图2-5所示。由图得出，节点等效应力最小值为0.358803MPa，而节点的等效最大应力为1989.87Mpa，在连杆小头圆孔处。

图2-4变形位移图

图2-5节点等效应力分析图

第三章结论

连杆小头在施加均布载荷后，其最大位移与最大应力通过 ANSYS 分析得出如下结论：

一、最大位移出现在连杆小头圆孔处，值为0．133E-03 mm，然后逐渐向内递减，到连杆大头圆孔处出现最小位移。

二、最大应力出现在活塞与小头圆孔接触处，值为1989.87Mpa，是整个连杆最危险的部位，应采取相应的措施进行表面处理，以提高连杆的抗拉压强度。

措施如下：

1)提高调质热处理质量；

2)连杆采用铸铁材料时一般经过表面喷丸等技术处理；

3)采用高强度冶金粉末锻造连杆，其抗拉强度可达1000MPa以上。