论文--基于ABAQUS的连杆有限元分析

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1、基于ABAQUS的连杆有限元分析摘要：利用有限元分析软件ABAQUS对一发动机连杆进行三维有限元分析，确定了连杆的最大应力位置和疲劳安全系数，为发动机连杆的可靠性设计提供了依据。关键词：连杆；有限元；ABAQUS；安全系数连杆是连接发动机活塞与曲轴的一个重要组件，是内燃机的主要运动受力部件之一，工作中经受拉伸﹑压缩﹑弯曲等交变载荷的作用，机械负荷严重，工作条件恶劣。因此，连杆的可靠性，是人们在内燃机研究和改进过程中关注的热点。在发动机设计时，要保证连杆具有足够的结构刚度和疲劳强度，尽可能地达到质量小﹑体积小

2、﹑形状合理，并最大限度地减缓应力集中。传统的分析方法，有连杆二维变厚度有限元计算模型：由于连杆结构及载荷基本是对称均匀分布的，可以简化为平面应力问题来处理，而对于过渡圆弧，连杆大头螺孔及连杆盖加强筋等部位的单元，采取按截面面积等效的原则，确定该部位各单元的当量厚度。采用此方法，是因为当时计算速度的限制。随着计算机技术的快速发展，现在多采用三维有限元分析技术，设计人员在产品的设计定型或生产之前，就可以更为准确地预测产品的性能，有利于提高产品质量，降低设计成本，缩短产品投放市场的时间。1连杆有限元分析1.1有限

3、元模型连杆组件包括连杆体、连杆盖、连杆螺栓、上下轴瓦和衬套。为了便于施加载荷和约束，在分析模型中加入了活塞销（一部分）和曲柄销（一部分），这一做法的好处在于，可以省去以往连杆计算中对载荷分布规律和分布包角的处理，减少由于边界条件与载荷假设带来的误差。采用三维CAD软件UG进行了连杆的三维实体建模，导入hypermesh进行网格划分，连杆体、连杆盖和连杆螺栓采用C3D10M单元，其他采用C3D8I单元。为减少计算规模，由于对称性，采用了1/4模型。对连杆各组件间建立适当的接触关系，接触对共有10对：连杆体与连

4、杆盖，连杆小头与衬套，活塞销与衬套，连杆体与上轴瓦，连杆盖与下轴瓦，连杆体与连杆螺栓，连杆盖与螺栓，上轴瓦与下轴瓦，曲柄销与上轴瓦，曲柄销与下轴瓦。有限元模型采用小滑移弹性接触模型进行分析，提高模型的收敛性。有限元模型如图1图1连杆有限元计算网格模型划分的节点数和单元数如表1所列。表1各零件的节点数和单元数部件单元节点连杆体36157009连杆盖24584505上轴瓦1420840下周瓦1420840衬套180421活塞销486761螺栓10692093曲柄销86113451.2材料特性各零件材料特性见表2

5、所列。表2各零件材料特性零件材料弹性模（GPa)泊松比连杆体C70S62100.3连杆盖C70S62100.3螺栓steel2100.3轴瓦steel2100.3衬套C70S62100.3活塞销steel2100.3曲柄销steel2100.31.3计算载荷的处理对连杆的分析将取5种机械负荷：衬套过盈产生的预紧力，轴瓦过盈产生的预紧力，连杆螺栓的预紧力，作用在连杆大小头的最大拉伸载荷和最大压缩载荷。由于发动机在工作时连杆温升不高，并且比较均匀，温度负荷可不予考虑。ABAQUS软件在模拟过盈效果时，可以直接把

6、过盈面的过盈尺寸加入到计算模型当中；在模拟螺栓预紧力时，也可以直接把预紧力加入计算模型，该方法更加方便和准确。（1）轴瓦过盈预紧力及衬套过盈预紧力。连杆大头轴瓦通过一定的过盈量压入大端孔内，衬套通过一定的过盈量压入连杆小头内，在两者之间产生压力，从而保证在运转过程中的贴合性。在早期的分析计算中，过盈量一般采用组合厚壁圆筒理论或者均布温升法来施加，在处理中存在一定误差。而目前，计算时可在模型上直接施加过盈量，从而一定程度上减小了模型处理误差。（2）连杆螺栓预紧力。连杆螺栓作为承载体系的一部分，在预紧力的作用下

7、，需保证连杆体与连杆盖紧密接触，并且螺栓不发生塑性变形。确定连杆轴承的过盈量后，即可初步估计连杆螺栓的预紧力。由于连杆螺栓在承受最大惯性拉力时，活塞到达上止点，同时由于连杆盖通过曲柄销受到约束，为此，只计入旋转惯性力的一半。（1）式中，为连杆螺栓预紧力；为包括活塞组件及连杆小头质量的往复惯性力；为连杆大头的旋转惯性力；为轴瓦端中的切向力；factor为安全系数，一般大于1.5。（3）最大拉伸载荷。连杆组所受的最大拉伸载荷，出现在进气冲程开始的上止点附近，此时连杆小端和活塞往复运动的加速度最大，也即惯性力最大

8、，最大惯性力的计算公式（2）式中，为活塞组件质量；为连杆小头质量；；修改过；为连杆比；r为曲柄半径；l为连杆长；为发动机转速。为了便于载荷的施加，在连杆大头空中心A点与曲柄销（一部分）建立刚性连接，在连杆小头孔中心B点与活塞销（一部分）建立刚性连接，由于连杆是二力构件，将载荷施加在B点，固定A点，如图2所示。图2载荷施加位置（4）最大压缩载荷。连杆组所受的最大压缩力，出现在做功冲程开始的上止点附近，按下式计算（3