基于ANSYS的汽車發(fā)動機(jī)連桿有限元分析
基于ANSYS的汽車發(fā)動機(jī)連桿有限元分析,基于,ansys,汽車發(fā)動機(jī),連桿,有限元分析
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畢 業(yè) 設(shè) 計(論 文)
題 目:基于ANSYS的發(fā)動機(jī)連桿有限元分析
學(xué)生姓
二級學(xué)
班
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摘 要 Ⅲ
Abstract Ⅳ
1.緒 論 1
1.1 課題研究概述 1
1.1.1課題研究背景和實(shí)際意義 1
1.1.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 1
1.1.3課題研究的方法與技術(shù)手段 2
1.2連桿的基本概述 2
1.2.1連桿的工作條件和基本要求 2
1.2.2對連桿分析現(xiàn)狀 2
1.3有限元法理論基礎(chǔ)和相關(guān)軟件簡介 3
1.3.1有限元基本理論概述 3
1.3.2有限元分析方法 3
1.3.3有限元分析軟件ANSYS簡介 4
1.4 課題主要內(nèi)容 4
2.CATIA軟件的介紹及連桿建模過程 6
2.1 CATIA軟件的發(fā)展及應(yīng)用簡介 6
2.2使用CATIA軟件建立連桿模型 6
3.連桿的靜態(tài)分析 10
3.1模型的建立與設(shè)置 10
3.2求解生成云圖 16
3.3結(jié)論分析 18
4.連桿的模態(tài)分析 19
4.1求解生成階型圖 19
4.2結(jié)論分析 22
5.結(jié)論與展望 23
參考文獻(xiàn) 24
I
致 謝 25
IV
摘要
基于ANSYS的汽車發(fā)動機(jī)連桿有限元分析
摘 要
連桿是汽車發(fā)動機(jī)的主要運(yùn)動件,其作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,并把作用在活塞上的力傳遞給曲軸以輸出功率。本課題主要是用ANSYS軟件對連桿進(jìn)行有限元分析。首先利用CATIA建模軟件對連桿進(jìn)行三維實(shí)體建模與裝配,再將建好的三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析。通過靜態(tài)分析得出連桿的受載情況與變形情況,即連桿應(yīng)力、應(yīng)變的大小和分布。利用模態(tài)分析來對連桿做有限元分析可確定其振動特性,分析其變化規(guī)律。
關(guān)鍵詞:汽車發(fā)動機(jī);連桿;ANSYS;有限元;CATIA
Abstract
Finite element analysis of automobile engine connecting rod based on ANSYS
Abstract
The?connecting?rod?is?the?main?movement?part?of?the?automobile?engine,?which?can?change?the?reciprocating?movement?to?the?piston?into?the?rotation?of?the?crank?movement,?as?long?as?to?transmit?the?force?acting?on?the?piston?to?the?crankshaft?for?the?output?power.?The?main?topic?of?the?paper?is?to?study?on?the?Finite?Element?analysis(FEM)?of?the?connecting?rod?using?the?ANSYS?software.?First,?the?connecting?rod?is?modeled?and?assembled?by?CATIA,?a?modeling?software?,?and?then?the?3D?model?is?imported?into?ANSYS?for?static?and?model?analysis.?The?loading?and?the?deformation?condition?of?the?connecting?rod?are?obtained?according?to?the?static?analysis,?from?which?we?can?study?the?size?and?distribution?of?stress?and?strain.?The?modal?analysis?is?used?to?analyze?the?vibration?characteristics?of?the?connecting?rod?by?finite?element?method,?and?the?variation?law?of?the?connecting?rod?is?analyzed.?At?the?same?time,?the?model?analysis?of?the?connecting?rod?can?provide?the?information?of?vibration?characteristics,?and?help?us?to?analyze?its?variation.?
Key words: Automobile; Engine; Connecting Rod; Finite-Element;Catia
第1章 緒論
1 緒 論
1.1 課題研究概述
1.1.1 課題研究背景和實(shí)際意義
汽車發(fā)動機(jī)自從十九世紀(jì)后出現(xiàn)以來,經(jīng)過了很多年的不斷改進(jìn)與研究,現(xiàn)在發(fā)展得已經(jīng)比較完善,它的優(yōu)點(diǎn)有:熱效率高,功率與轉(zhuǎn)速的范圍非常廣,比重量較小,在動力機(jī)械中的地位非常高,很廣泛地應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)與軍事裝備的各領(lǐng)域上。因?yàn)榘l(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,所以在對發(fā)動機(jī)里的一些主要的部件比如:連桿,曲軸,活塞,氣缸蓋和機(jī)體等進(jìn)行強(qiáng)度剛度分析時,如果用傳統(tǒng)的力學(xué)方法,只能夠近似的反映它的受力狀況和其變形情況,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足進(jìn)一步分析的需要。目前,先進(jìn)的分析方法是利用基于理論平臺的有限元技術(shù)分析連桿的性能。
發(fā)動機(jī)中重要的傳動零件——連桿,它的作用是連接曲軸和活塞,把作用在活塞上的力傳給曲軸,將活塞的往復(fù)運(yùn)動變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,對外輸出做功。當(dāng)連桿的小端工作時,其作往復(fù)運(yùn)動,當(dāng)連桿的大端工作時,其作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,桿身作較復(fù)雜的平面運(yùn)動,所以連桿的受力情況十分復(fù)雜。發(fā)動機(jī)中所承受的最大的負(fù)荷零件就是連桿,運(yùn)動期間一起承受著從活塞上傳來的氣體的壓力、來回的慣性力還有它本身擺動時而產(chǎn)生的慣性力,這些力的大小和方向都是呈現(xiàn)出周期性變化的。當(dāng)然,連桿也會出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象和扭曲的現(xiàn)象,原因是當(dāng)使用很長時間后,連桿會由于活塞猛烈的推力和曲軸快速的運(yùn)轉(zhuǎn)而出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象。當(dāng)連桿出現(xiàn)了這樣的現(xiàn)象,不僅僅活塞會拉缸,其他的組件還會出現(xiàn)不正常的磨損,還易導(dǎo)致連桿發(fā)生疲勞破壞使其最終出現(xiàn)斷裂,使用人的安全不能得到保障。
1.1.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向
隨著時代的發(fā)展,在汽車工業(yè)制造技術(shù)越來越成熟的時代,對于發(fā)動機(jī)的要求越來越高,尤其是其性能和可靠性,連桿又在發(fā)動機(jī)中充當(dāng)重要的角色。所以,現(xiàn)在國內(nèi)外各大汽車公司對連桿的設(shè)計及制造等方面也越來越重視?!靶◇w積、大功率、低油耗”這是現(xiàn)在汽車對發(fā)動機(jī)的最基本要求,而在其高要求下,對連桿的設(shè)計要求也越來越高,尤其是在對連桿材料、制造技術(shù)的要求更高。其最基本的要求:
(1)為了防止連桿工作時發(fā)生彎曲變形,其桿身要有足夠的強(qiáng)度;
(2)連桿的大端和連桿蓋要有足夠的強(qiáng)度,防止螺栓承受附加應(yīng)力和大端失圓,造成軸承破壞。
所以連桿應(yīng)該具有足夠的疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性等要求。
連桿對于發(fā)動機(jī)的使用壽命和工作性能具有重要的影響。當(dāng)下,連桿設(shè)計都是靠經(jīng)驗(yàn)來
1
設(shè)計,這樣的設(shè)計方法缺乏嚴(yán)密的理論基礎(chǔ),并且對于連桿的計算也不準(zhǔn)確,連桿工作時,其動態(tài)特對它的影響也不考慮。雖然現(xiàn)在也有人用有限元對其進(jìn)行分析,但因?yàn)闂l件不允許,用軟件建立的立體圖不太合理,連桿在運(yùn)動壓力到達(dá)最大時,不僅有軸向壓力,還有彎矩作用。而且邊界條件的處理也存在著很大的問題,所以現(xiàn)在許多發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠都采用先進(jìn)的有限元工具與合理的計算,來對連桿進(jìn)行設(shè)計與分析。
1.1.3 課題研究的方法與技術(shù)手段
有限元分析是利用力學(xué)模型上近似的數(shù)值來分析的方法,具體說,就是將連續(xù)體或結(jié)構(gòu)劃分為許多單元,然后利用一些節(jié)點(diǎn)把有限個單元集合起來變成集合體當(dāng)作本來的連續(xù)體或結(jié)構(gòu),就是把連續(xù)體轉(zhuǎn)化為離散模型來進(jìn)行力學(xué)分析的。有限元方法在汽車的產(chǎn)品設(shè)計方面應(yīng)用很廣泛。
目前,對連桿進(jìn)行有限元分析的項(xiàng)目包括:
(1)在靜力作用下,得出連桿的扭轉(zhuǎn)變形和應(yīng)力分布,從而了解是否能夠承受載荷,或者形變是否在允許范圍內(nèi)。
(2)對不同材料的連桿承載進(jìn)行靜態(tài)分析,從而確定連桿輕量化設(shè)計方案,同時從材料成本的角度分析輕量化方案的優(yōu)劣性。
(3)對連桿受壓縮、拉伸、彎曲強(qiáng)度進(jìn)行分析,對連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
1.2 連桿的基本概述
連桿的設(shè)計必須要經(jīng)過強(qiáng)度校核這個過程。當(dāng)下,一般對于連桿的強(qiáng)度計算有兩種方法。一是使用傳統(tǒng)計算方法,傳統(tǒng)計算方法精度不高,與實(shí)際情況不是很貼切。二是使用有限元計算方法,此方法不僅計算精度高,而且與實(shí)際模擬情況更接近。
1.2.1 連桿的工作條件和基本要求
連桿的作用是連接活塞與曲軸,將活塞的直線往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,并且在中間傳遞動力。發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時,連桿作復(fù)雜的平面運(yùn)動,并承受載荷:
(1)由于連桿力而引起的交變載荷;
(2)由于在擺動平面內(nèi)連桿會因擺動慣性力而產(chǎn)生彎曲載荷,但是這樣發(fā)生的應(yīng)力比較小,一般都會忽略不計;
(3)因加工和裝配時所發(fā)生的誤差而引起的附加載荷。
連桿的應(yīng)力一般都很高,原因是因?yàn)榭臻g位置所限制,設(shè)計連桿時要把連桿質(zhì)量盡量設(shè)計得小些,所以對連桿設(shè)計要求較高。
對連桿的基本要求有:
(1)連桿的尺寸重量盡可能小些,為了減小其慣性力,前提是要能保證足夠的強(qiáng)度和剛度;
2
(2)連桿的大端和小端軸承要耐磨性好且工作性能可靠;
(3)成本要低,方便制造,方便安裝。
1.2.2 對連桿分析現(xiàn)狀
目前,大部分工程實(shí)際問題解決起來非常困難,甚至無法用傳統(tǒng)的計算方法來計算其結(jié)果。而有限元方法徹底解決了這一難題,利用有限元方法可以解決復(fù)雜的形狀、結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的邊界條件的工程問題,它與多數(shù)計算機(jī)作圖軟件如CAD系統(tǒng)所結(jié)合,讓設(shè)計者能在計算機(jī)中就可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)、剛度、強(qiáng)度等不同的分析,取代了傳統(tǒng)的設(shè)計方法,不需要按照傳統(tǒng)的方法設(shè)計——驗(yàn)證——設(shè)計這樣循環(huán)的方式,整個的設(shè)計只要在最后進(jìn)行驗(yàn)證式試驗(yàn)。這樣的設(shè)計方法大大地降低了成本,設(shè)計時間也縮短了,工作效率大幅度的提高。
二十世紀(jì)中期,在電腦誕生后,利用有限元方法計算在許多科學(xué)領(lǐng)域中變成了最重要最有效的計算方法,尤其是在計算數(shù)學(xué)、力學(xué)、工程學(xué)中。多年發(fā)展以來,有限元方法計算已經(jīng)變得越來越成熟,形態(tài)也越來越豐富,其軟件系統(tǒng)也越來越完善,已經(jīng)發(fā)明了一系列的軟件。在許多比較大的工程項(xiàng)目中有限元分析發(fā)揮了重要的作用,克服了許多困難。有限元分析推進(jìn)了社會的發(fā)展,在現(xiàn)代科學(xué)中起到了不可缺失的作用。
通常,因?yàn)榘l(fā)動機(jī)連桿結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,用普通的方法很難模擬它的結(jié)構(gòu)。所以,在有限元分析下,先建立一個實(shí)體的三維圖,再進(jìn)行分析,這是常用的連桿的有限元分析方法。
連桿的立體圖有限元分析法一般有兩種:
(1)1/4或1/2連桿模型。利用此方法能正確地得到危險情況下的應(yīng)力分布。
(2)整體連桿模型。利用連桿的實(shí)際數(shù)據(jù)在計算機(jī)中建立三維實(shí)體圖,根據(jù)接觸有限元分析法,分別對連桿的零件進(jìn)行最大載荷的分析。采用此方法對連桿作模態(tài)分析,能夠準(zhǔn)確地找出連桿的薄弱環(huán)節(jié)。
1.3 有限元法理論基礎(chǔ)和相關(guān)軟件簡介
1.3.1 有限元基本理論概述
隨著時代的飛速發(fā)展,對現(xiàn)代工業(yè)、生產(chǎn)技術(shù)的要求越來越高,對于高精密的生產(chǎn)越來越重視。
有限元分析的基本概念就是先簡化復(fù)雜問題然后得到答案。它把求解域當(dāng)作很多小的有限元域組合而成,逐個對小的單元求解,得到一個簡單的近似結(jié)果,根據(jù)這個結(jié)果需要滿足的條件,再推導(dǎo)出來,最終得出問題的答案。這個答案并不是準(zhǔn)確答案,因?yàn)樵趯?shí)際問題中也很難算出準(zhǔn)確的答案,只能得到一個近似的答案。
1.3.2 有限元分析方法
隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,現(xiàn)在,計算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering,簡稱CAE)已經(jīng)普遍用于各種工程領(lǐng)域。CAE的作用:
(1)計算的精度高,跟試驗(yàn)所得出的結(jié)果差別不大;
(2)效率高,產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)時短;
(3)在人工很難完成其計算時它能輕松得出結(jié)果;
(4)低成本,不需做實(shí)體試驗(yàn);
(5)方便設(shè)計,在產(chǎn)品還未設(shè)計出時便可進(jìn)行分析;
(6)分析面廣,且能保存充足的數(shù)據(jù)。
有限元分析方法在所有的分析方法中,其運(yùn)用最成功也是最有效的數(shù)值計算方法。它的基本思想就是把實(shí)物分解成有限個組合,然后將這些單元的集合來模擬原來的實(shí)物。有限元分析軟件中,ANSYS最為經(jīng)典,其在國內(nèi)外應(yīng)用廣,自身成熟度高,在高校科研領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛。
用有限元方法對物體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,其步驟為:
(1) 對其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研究分析。用三維繪圖軟件CATIA、Pro/E、UG等繪制物理力學(xué)模型,根據(jù)物體所需分析的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對其進(jìn)行分析,如支承的簡化、材料的簡化、載荷的分析等,為下一步做準(zhǔn)備。
(2) 形成網(wǎng)格圖。用有限元分析軟件HY2PERMESH或ANSYS等,根據(jù)其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),確定單元類型,選取節(jié)點(diǎn),形成網(wǎng)格圖。
(3) 根據(jù)所要分析的類型,進(jìn)行選項(xiàng)設(shè)置,再對其進(jìn)行求解計算。
(4) 后處理。先進(jìn)入后處理器,將文件讀入。在處理器內(nèi),可以觀察其結(jié)構(gòu)的變形情況與受力情況等。
經(jīng)研究認(rèn)定CAE分析因?yàn)槭悄M實(shí)際工況,與實(shí)際工況有偏差,最終的結(jié)果還應(yīng)以試驗(yàn)驗(yàn)證為準(zhǔn),二者相輔相成,缺一不可。
1.3.3 有限元分析軟件ANSYS簡介
ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型(FEA)軟件,是世界范圍內(nèi)增長最快的計算機(jī)輔助工程軟件,能與多數(shù)計算機(jī)輔助設(shè)計軟件接口,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。是融合結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。該軟件在多個領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大,操作簡單,現(xiàn)在已經(jīng)成為國際最流行的有限元分析軟件。
ANSYS軟件主要包括前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊三部分:
此外,它有統(tǒng)一和集中的數(shù)據(jù)庫,保證了系統(tǒng)各模塊之間的可靠和靈活的集成;其DDA模塊實(shí)現(xiàn)了它與多個CAD軟件產(chǎn)品的有效連接。
1.4 課題主要內(nèi)容
本論文對汽車發(fā)動機(jī)連桿進(jìn)行研究,對連桿進(jìn)行有限元分析,由此得到連桿的動態(tài)特性和靜態(tài)特性。
用ANSYS軟件對該連桿進(jìn)行靜態(tài)分析。先利用CATIA軟件建立幾何模型,然后導(dǎo)入到ANSYS軟件中,劃分網(wǎng)格、定義單元屬性、定義材料等,進(jìn)行計算,考查在固定大端受載荷情況下,桿身、大端和小端的應(yīng)力分布以及變形情況。
應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行該連桿動態(tài)分析,主要是模態(tài)分析。通過建立模態(tài)有限元模型、定義模態(tài)求解、分析擴(kuò)展模態(tài)等對該連桿的模態(tài)特性進(jìn)行分析。得出了該連桿的各階模態(tài),分析并比較了它們的固有頻率和振型。
26
第2章 CATIA軟件的介紹及連桿建模過程
2 CATIA軟件的介紹及連桿建模過程
2.1 CATIA軟件的發(fā)展及應(yīng)用簡介
CATIA是法國達(dá)索公司的產(chǎn)品開發(fā)CAD/CAE/CAM一體化軟件,是英文Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application(計算機(jī)輔助三維應(yīng)用程序接口)的縮寫。它的內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、三維建模、分析計算、動態(tài)模擬與仿真、各種磨具設(shè)計和分析、人機(jī)交換等使用模塊。
CATIA比較廣泛的用于汽車、航空航天、輪船、軍工、儀器儀表、建筑工程、電器管道、通信等方方面面。最大的客戶有:通用,波音麥道,空客,福特,大眾,戴克,寶馬,沃爾沃,標(biāo)志雪鐵龍,豐田,本田,雷諾,達(dá)索飛機(jī),菲亞特,三菱汽車,西門子,博世,現(xiàn)代,起亞,中國的上汽,一汽,東風(fēng)等大公司。
CATIA在汽車行業(yè)中,應(yīng)用的最為廣泛,為許多世界頂級汽車制造廠商所用,并成為這些廠商的核心系統(tǒng)之一。軟件在對汽車的造型、車身以及動力裝置等方面的設(shè)計有著獨(dú)特的長處,其可伸縮性和并行工程能力大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)時間,效率高,降低了成本。所以,CATIA在汽車領(lǐng)域中的地位是無可代替的,國內(nèi)很多汽車公司都選用CATIA作為核心軟件,如上海大眾,一汽集團(tuán)、奇瑞汽車等。
2.2 使用CATIA軟件建立連桿模型
1.打開CATIA軟件,單擊“開始”找到并單擊“機(jī)械設(shè)計”模塊,再在伸出項(xiàng)中找到“零件設(shè)計”并單擊,進(jìn)入零件設(shè)計界面。根據(jù)數(shù)據(jù),繪制連桿桿身,如圖2.1所示。
圖2.1 連桿桿身
2.打開CATIA軟件,單擊“開始”找到并單擊“機(jī)械設(shè)計”模塊,再在伸出項(xiàng)中找到“零件設(shè)計”并單擊,進(jìn)入零件設(shè)計界面。根據(jù)數(shù)據(jù),繪制連桿襯套,如圖2.2所示。
圖2.2 連桿襯套
3.打開CATIA軟件,單擊“開始”找到并單擊“機(jī)械設(shè)計”模塊,再在伸出項(xiàng)中找到“零件設(shè)計”并單擊,進(jìn)入零件設(shè)計界面。根據(jù)數(shù)據(jù),繪制連桿蓋,如圖2.3所示。
圖2.3 連桿蓋
4.打開CATIA軟件,單擊“開始”找到并單擊“機(jī)械設(shè)計”模塊,再在伸出項(xiàng)中找到“零件設(shè)計”并單擊,進(jìn)入零件設(shè)計界面。根據(jù)數(shù)據(jù),繪制螺栓,如圖2.4所示。
圖2.4 螺栓
5.打開CATIA軟件,單擊“開始”找到并單擊“機(jī)械設(shè)計”模塊,再在伸出項(xiàng)中找到“零件設(shè)計”并單擊,進(jìn)入零件設(shè)計界面。根據(jù)數(shù)據(jù),繪制連桿軸瓦,如圖2.5所示。
圖2.5 連桿軸瓦
6.連桿的裝配
(1)打開CATIA軟件,單擊“開始”找到并單擊“機(jī)械設(shè)計”模塊,再在伸出項(xiàng)中找到“裝配設(shè)計”并單擊,默認(rèn)文件名為“裝配體”,進(jìn)入裝配設(shè)計界面。
(2)單擊添加現(xiàn)有部件,首先添加連桿,并為其添加固定約束。
(3)單擊添加第二個部件。
(4)裝配添加的部件。
(5)單擊繼續(xù)添加部件,并添加約束進(jìn)行裝配。
(6)發(fā)動機(jī)連桿裝配體,如圖所示。
圖2.6 連桿裝配體
第3章 連桿的靜態(tài)分析
3 連桿的靜態(tài)分析
3.1 模型的建立與設(shè)置
1.啟動ANSYS Workbench并建立分析項(xiàng)目
如圖,在項(xiàng)目管理區(qū)創(chuàng)建分析項(xiàng)目。
圖3.1 項(xiàng)目管理區(qū)分析項(xiàng)目
2.添加材料庫
進(jìn)入主項(xiàng)目下的engineering data,添加材料。由于考慮慣性力的靜力分析中,必須要定于材料的屬性。所以,從材料庫調(diào)用材料,本次設(shè)計選用材料為45鋼,彈性模量為200Gpa,泊松比為0.3,密度為7850kg/m3。
圖3.2 定義材料屬性
3.導(dǎo)入三維模型
返回主界面,雙擊geometry模塊,設(shè)置單位為mm。
圖3.3 單位設(shè)定
點(diǎn)擊file菜單下的import external geometry file,導(dǎo)入catia建立的幾何模型。
圖3.4 導(dǎo)入模型
圖3.5 從文檔中找出并打開連桿裝配體
點(diǎn)擊generate,生成幾何模型。
圖3.6 有限元中的幾何模型
4.添加材料模型屬性
返回主項(xiàng)目,點(diǎn)擊model模塊。
點(diǎn)擊geometry下的Part,在details of part中分別給每一個零部件賦予材料屬性。
圖3.7 每一個零件賦予材料屬性
5.定義接觸
在相互接觸部位定義接觸對。
圖3.8 定義接觸對
6.網(wǎng)格劃分
由于網(wǎng)格劃分的好壞決定了求解的精度,所以在結(jié)構(gòu)比較小,接觸比較復(fù)雜的地方網(wǎng)格應(yīng)該畫的密一些。所以螺栓部位劃分網(wǎng)格尺寸為3mm,其他地方網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm。
圖3.9 連桿的網(wǎng)格劃分(不含螺栓)
圖3.10 螺栓的網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分完后的有限元模型如圖3.11所示。
圖3.11 連桿總體模型網(wǎng)格劃分
統(tǒng)計計算出節(jié)點(diǎn)數(shù)為90905,單元數(shù)為52565。
圖3.12 節(jié)點(diǎn)數(shù)與單元數(shù)
7.添加約束
給連桿的小端添加約束,約束其徑向和軸向的自由度,轉(zhuǎn)動自由度不約束。
圖3.13 對連桿小端添加約束
8.添加載荷
給連桿的大端添加載荷。根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計,對連桿大端軸瓦施加力的大小一般為2000N,且對其施加集中載荷,如圖3.14。
圖3.14 對連桿大端軸瓦施加載荷
3.2 求解生成云圖
設(shè)置求解選項(xiàng),選擇直接求解方式,點(diǎn)擊求解生成應(yīng)力應(yīng)變云圖。
1.變形位移云圖
點(diǎn)擊生成變形位移云圖,如圖3.15可以看出,在對連桿施加載荷時,其最大總體變形位移約為0.059mm。
圖3.15 連桿的變形位移云圖
2.等效應(yīng)力云圖
點(diǎn)擊生成等效應(yīng)力云圖,如圖3.16可以看出,在對連桿施加載荷時,其最大等效應(yīng)力為76.8Mpa。
3.16 連桿的等效應(yīng)力云圖
3.連桿剪切應(yīng)變云圖
點(diǎn)擊生成剪切應(yīng)變云圖,如圖3.17可以看出,在對連桿施加載荷時,其最大剪切應(yīng)變?yōu)?.00057mm。
3.17 連桿的剪切應(yīng)變云圖
4.連桿剪切應(yīng)力云圖
點(diǎn)擊生成剪切應(yīng)力云圖,如圖3.18可以看出,在對連桿施加載荷時,其最大切應(yīng)力為45.26Mpa。
3.18 連桿的剪切應(yīng)力云圖
3.3 結(jié)論分析
通過上述靜力分析可知,在對連桿大頭處施加2000N集中載荷時,其變形一般會出現(xiàn)在大頭處,應(yīng)力集中點(diǎn)出現(xiàn)在其大頭與桿身的連接處。仿真結(jié)果如上圖所示,最大總體變形位移為0.059mm,最大等效應(yīng)力為76.8Mpa,最大剪切應(yīng)變?yōu)?.00057mm,最大剪切應(yīng)力為45.26Mpa, 根據(jù)所選用結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度特性,抗拉強(qiáng)度不小于600Mpa,屈服強(qiáng)度不小于355Mpa。
第4章 連桿的模態(tài)分析
4 連桿的模態(tài)分析
4.1 求解生成階型圖
連桿的靜態(tài)分析僅僅分析的給連桿施加固定的載荷,計算出在載荷下其結(jié)構(gòu)的效應(yīng)。而汽車發(fā)動機(jī)連桿又是一個在高頻率下運(yùn)動的部件。所以,在對連桿做分析時,動力分析必不可少。通常,對連桿進(jìn)行動力分析的方法類型是模態(tài)分析,因?yàn)槟B(tài)分析主要用來確定部件的振動特性。所以,下面就在靜力分析的基礎(chǔ)上繼續(xù)對模型進(jìn)行模態(tài)分析,分析其振動特性。
由于在對連桿進(jìn)行模態(tài)分析時,其模型的建立與在進(jìn)行靜力分析時的步驟相同,所以下文省略不寫,下面直接介紹模態(tài)求解設(shè)置。
如圖4.1,設(shè)置提取模態(tài)的階數(shù)為12階,對其進(jìn)行無阻尼模態(tài)分析,求解方法采用迭代求解算法。
圖4.1 階數(shù)設(shè)置
在對其設(shè)置完成之后,進(jìn)行求解。提取不同模態(tài)階數(shù)的固有頻率和振型。
下圖4.2為1~12階模態(tài)的固有頻率。
圖4.2 1到12階模態(tài)固有頻率
模態(tài)分析就是求結(jié)構(gòu)固有頻率,模態(tài)振型,模態(tài)剛度,模態(tài)質(zhì)量,阻尼比等。一般對連桿只關(guān)心其固有頻率和模態(tài)振型。由于1~3階為剛體模態(tài),對分析沒有實(shí)際意義,所以只提取4~12階模態(tài)振型。分別對應(yīng)下1~9階不同固有頻率的模態(tài)振型如下圖所示。
圖4.3 1階振型圖
由圖4.3可知,連桿在1階振型下。其固有頻率為63.98Hz,振型繞Z軸轉(zhuǎn)動。
圖4.4 2階振型圖
由圖4.4可知,連桿在2階振型下。其固有頻率為65.81Hz,振型繞X軸轉(zhuǎn)動。
圖4.5 3階振型圖
由圖4.5可知,連桿在3階振型圖下。其固有頻率為125.34Hz,振型繞Y軸轉(zhuǎn)動。
圖4.6 4階振型圖 圖4.7 5階振型圖圖
4.8 6階振型圖 圖4.9 7階振型圖
圖4.10 8階振型圖 圖4.11 9階振型圖
振型描述:
對發(fā)動機(jī)連桿進(jìn)行自由模態(tài)分析,由于提取的前3階自由模態(tài)為只有平移,頻率很低的剛體模態(tài)。因此,只對4至12階模態(tài)的振型和固有頻率作詳細(xì)的介紹和研究,并且階數(shù)重新按序排列1~9階。其自由模態(tài)的固有頻率及其振型描述見表1,1至9階模態(tài)振型圖如上圖所示。
表1發(fā)動機(jī)連桿1至9階固有頻率及振型描述
階數(shù)
固有頻率(Hz)
振型描述
1
63.98
繞Z軸的轉(zhuǎn)動
2
65.58
繞X軸的轉(zhuǎn)動
3
125.34
繞Y軸的轉(zhuǎn)動
4
1298.6
繞X軸的二階彎曲
5
1373.5
繞Y軸的扭轉(zhuǎn)
6
1950.2
繞Z軸的二階彎曲
7
3797
繞X軸的三階彎曲
8
4690.1
Y方向的軸向拉伸
9
4851.1
XY平面的四階扭轉(zhuǎn)
4.2 結(jié)論分析
通過上述對連桿進(jìn)行模態(tài)分析可知,在不同的階數(shù)下,連桿的頻率也不同。階次越高,頻率也越高。且每個階次下,應(yīng)力集中部位也不同,比如在第9階,其應(yīng)力集中在桿身與小頭部位,而在第八階,應(yīng)力又集中在大頭處。當(dāng)然,不能僅僅考慮其小頭、桿身連接處與大頭的應(yīng)力集中問題,還要通過各階次下連桿縮變形的情況進(jìn)行比較。比如第九階的變形情況最嚴(yán)重,其頻率達(dá)到了4851.1Hz。連桿的模態(tài)頻率能預(yù)測發(fā)動機(jī)各個部件之間的干擾的可能性,這為發(fā)動機(jī)其他部件提供了有價值的理論依據(jù)。根據(jù)表中結(jié)果,分析的前9階中,頻率最低的是第1階,為63.98Hz。一般發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為3000轉(zhuǎn)到5000轉(zhuǎn)每分鐘,基本頻率為16.67到50Hz。所以很容易看出,該連桿的最低諧次頻率不再基頻范圍內(nèi),且高于基頻,不會產(chǎn)生共振頻率。
第5章 結(jié)論與展望
5 結(jié)論與展望
(1)本文緒論中首先介紹了本課題研究的背景,課題國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展方向,課題研究方法與技術(shù)手段等;由于本文主要以連桿的有限元分析為主,不用設(shè)計其尺寸等,所以用已有尺寸數(shù)據(jù)的連桿作為分析對象。
(2)根據(jù)已有的連桿數(shù)據(jù),利用CATIA軟件將發(fā)動機(jī)連桿所有的零件進(jìn)行三維建模。在建模完成后,繪制主要零件的二維工程圖。在CATIA環(huán)境中,根據(jù)投影規(guī)律三維模型可以很方便地生成二維工程圖。最后,將所有零部件在CATIA環(huán)境中裝配起來。
(3)將在CATIA軟件中已建好的三維模型導(dǎo)入到ANSYS有限元分析軟件中,對其分別進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析。在靜態(tài)分析中,重點(diǎn)觀察連桿所受應(yīng)力分布的情況。在模態(tài)分析中,分析了模態(tài)的振型及固有頻率。
(4)連桿作為發(fā)動機(jī)中的重要部件,對其工作要求很高。由于在連桿的設(shè)計與生產(chǎn)過程中,對于連桿的有限元分析需要很全面,而筆者的水平有限,不可能面面俱到。
(5)利用有限元方法分析連桿的受力,大幅度地提高了工作效率、縮短設(shè)計周期、降低設(shè)計成本,未來將成為各汽車廠商中通用的分析方法。
總之,現(xiàn)代對汽車要求具有高的安全可靠性,發(fā)動機(jī)是汽車的“心臟”,若發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致事故后果將不堪設(shè)想。而連桿在發(fā)動機(jī)中又發(fā)揮著重要的作用,這就要求連桿具有足夠的剛度和強(qiáng)度。而有限元方法可以在發(fā)動機(jī)連桿設(shè)計過程中發(fā)揮重要作用,為連桿的設(shè)計和優(yōu)化提供參考,從而提高連桿的安全可靠性。有限元方法的廣泛使用,必將推進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)向著高強(qiáng)度、輕量化、更安全的方向發(fā)展,也為無紙化設(shè)計和快速產(chǎn)品開發(fā)做出巨大貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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致謝
致 謝
大學(xué)的四年即將畫上一個完美的句號,而在畫上這個句號之前,不得不做的畢業(yè)設(shè)計似乎給了我當(dāng)頭一棒。一開始本以為畢業(yè)設(shè)計比較簡單,查查資料寫寫就可以,可當(dāng)我真正的做起來,發(fā)現(xiàn)并不是我想的那樣。一開始的CATIA建模就卡住了我,由于對這個軟件的一竅不通,我特地上網(wǎng)看了很多關(guān)于CATIA的教程,花了一個寒假的時間來學(xué)習(xí)使用CATIA。從各個零件的建模起,到裝配,還要導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元分析,這期間花費(fèi)了我很多的時間和精力。期間,又正好在公司實(shí)習(xí),心里特別焦慮煩躁。雖然這樣,但還是在努力下完成了本篇論文。因此,在完成此次畢業(yè)設(shè)計的過程中除了考驗(yàn)對所學(xué)知識的掌握程度之外,也是對耐心和毅力的考驗(yàn),更是對獨(dú)立思考、獨(dú)立解決問題的能力的考驗(yàn)。
盡管歷時長、任務(wù)量大、難度較高;但是在自己的堅持和努力之下,在老師的幫助和指導(dǎo)之下,最終還是克服了種種困難,完成了任務(wù)書及大綱所要求的任務(wù)。尤其要感謝本畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師智淑亞老師的悉心教誨和幫助。從選題表到開題報告,到任務(wù)書、大綱,再到畢業(yè)設(shè)計正文,智淑亞老師仔細(xì)審查并提出修改意見。在此,對智淑亞老師的悉心指導(dǎo)和幫助表示誠摯的謝意!由于筆者水平有限,本設(shè)計中難免存在錯誤和疏漏,懇請老師批評指正!
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