利用ANSYS 軟件對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿進(jìn)行靜力學(xué)分析

顏愛平 余以道

（1.湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411104；2.湖南科技大學(xué)，湖南 湘潭 411104）

連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要構(gòu)件和主要運(yùn)動(dòng)件［1］，其承受交變工作載荷，受載情況比較復(fù)雜。 本文只對(duì)連桿進(jìn)行靜力學(xué)分析。

1 ANSYS 有限元分析法簡介及其分析過程

ANSYS 是由美國ANSYS 公司開發(fā)， 具有結(jié)構(gòu)， 流體，電場，磁場，聲場分析的大型有限元分析軟件[2]。 ANSYS 有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等工業(yè)領(lǐng)域。

ANSYS 軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大的有限元計(jì)算分析軟件包，主要包括三個(gè)部分[2]：前處理模塊、求解模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；求解模塊包括結(jié)構(gòu)分析(結(jié)構(gòu)線性分析、結(jié)構(gòu)非線性分析和結(jié)構(gòu)高度非線性分析)、熱分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。ANSYS 軟件提供了100 種以上的單元類型[2]，用來模擬實(shí)際工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。

ANSYS 分析過程如下：

(1)創(chuàng)建有限元模型：包括創(chuàng)建或讀入幾何模型、定義單元類型、定義單元實(shí)常數(shù)、定義材料屬性、定義幾何參數(shù)及有限元網(wǎng)格劃分。

(2)施加載荷進(jìn)行求解：包括施加載荷、邊界條件和進(jìn)行求解計(jì)算。

(3)查看求解結(jié)果：包括結(jié)果的觀察、分析和檢驗(yàn)。

ANSYS 軟件中的結(jié)構(gòu)靜力分析是用來計(jì)算在固定不變的載荷下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，即由于穩(wěn)態(tài)外載荷引起的系統(tǒng)或部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。 同時(shí)結(jié)構(gòu)靜力分析還可以計(jì)算那些固定不變的慣性載荷以及那些可以近似等價(jià)為靜力作用的隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

在結(jié)構(gòu)靜力分析過程中， 一般都假定載荷和響應(yīng)固定不變，或假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時(shí)間的變化非常緩慢。

2 利用ANSYS 有限元法對(duì)汽車連桿進(jìn)行靜力學(xué)分析

2.1 汽車連桿的主要參數(shù)

材料為40Cr，彈性模量為206Gpa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。

2.2 定義單元類型［2］

定義單元類型是指定分析對(duì)象的特征， 主要包括三個(gè)基本類型的常數(shù)定義。 連桿單元類型選擇為Structural Solid，Brink 8node185。

2.3 創(chuàng)建幾何模型［3］

采用自底向上的建模方法建立連桿的幾何模型， 建立的幾何模型如下圖1。

圖1 汽車連桿幾何模型

2.4 網(wǎng)格劃分

利用ANSYS 軟件中的Mesh 命令對(duì)連桿模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分按等級(jí)6 劃分，劃分后的模型如下圖2 所示。

圖2 連桿模型網(wǎng)格劃分

2.5 加載求解［4］

在連桿工作過程中， 一般是在活塞經(jīng)過上止點(diǎn)后約10°～20°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，氣體壓力達(dá)到最大。 由發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖可知，在曲軸轉(zhuǎn)角15°時(shí)氣體壓力最大，由公式sinβ=(R/l)sinα(其中，β為連桿的擺角，α 曲軸的轉(zhuǎn)角；R 為曲軸半徑，l 為連桿長度)，經(jīng)過計(jì)算得到連桿的擺角為4.6°。 由于此時(shí)連桿受到活塞銷給予的壓力以及慣性力的合力已經(jīng)不完全與連桿長度方向上的軸線平行，而且在實(shí)際工作時(shí)，連桿位移的受限是由大小頭接觸處節(jié)點(diǎn)自由度被限制所造成的。 因此，應(yīng)該約束此處節(jié)點(diǎn)的部分自由度。

具體約束是在小頭接觸區(qū)， 保留沿氣缸長度方向上的移動(dòng)和繞小頭孔中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其他自由度給予約束。 在大頭與曲軸銷的接觸區(qū)保留繞大頭孔中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其他自由度予以約束。

靜態(tài)計(jì)算中載荷的處理。 連桿在工作過程中受到氣缸內(nèi)氣體壓力、連桿的往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力、活塞往復(fù)慣性力等作用。 氣缸內(nèi)氣體的壓力和慣性載荷是周期載荷，它隨著時(shí)間的變化而變化。 載荷的施加方式對(duì)連桿的局部應(yīng)力有著重要的影響。本文僅對(duì)連桿進(jìn)行靜力學(xué)分析，為了方便，ANSYS 軟件中采用Solution 命令對(duì)連桿進(jìn)行加載， 采用沿著連桿小頭內(nèi)孔朝內(nèi)的一半處均勻分布載荷1000Pa，在連桿大頭處內(nèi)孔所有節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z 方向約束。

2.6 求解并查看結(jié)果

(1)變形位移圖，如圖3。 由圖3 得出，最大位移為DMX=0.178E-05，發(fā)生在連桿小頭圓孔處。

圖3 變形位移圖

(2)節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力分析圖，如圖4。 由于在連桿小頭內(nèi)孔朝內(nèi)的一半處分布的是均勻載荷， 得到的是節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力分析圖。 由圖得出，節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力最小值為0.046401MPa，節(jié)點(diǎn)的等效最大應(yīng)力為2194Mpa，在連桿小頭圓孔處。

圖4 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力分析

2.7 結(jié)論

連桿小頭在施加均布載荷后， 其最大位移與最大應(yīng)力通過ANSYS 有限元法分析得出如下結(jié)論：

(1)最大位移出現(xiàn)在連桿小頭圓孔處，值為0.178E-05mm,然后逐漸向內(nèi)遞減，到連桿大頭圓孔處為最小位移。

(2) 最大應(yīng)力出現(xiàn)在活塞與小頭圓孔接觸處， 值為2194MPa，是整個(gè)連桿最危險(xiǎn)的部位，應(yīng)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行表面處理，以提高連桿的抗拉壓強(qiáng)度。 措施如下：1)提高調(diào)質(zhì)熱處理質(zhì)量；2)連桿采用鑄鐵材料時(shí)一般經(jīng)過表面噴丸等技術(shù)處理；3)采用高強(qiáng)度冶金粉末鍛造連桿，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000MPa 以上。

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005

[2] 張朝暉主編.ANSYS11.0 結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.01

[3]程選生，張少波主編.彈性力學(xué)與有限元法教程.北京:中國計(jì)量出版社，2008.03

[4]岳東鵬，苗德華，張伯俊主編.車用發(fā)動(dòng)機(jī)連桿有限元分析［J］.學(xué)院學(xué)報(bào).2007.06，17(2)