基于ANSYS的柴油機(jī)連桿有限元模態(tài)分析

魏玉娜，陳仲海，王連宏

（1.中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，山西 太原 030051；2.北方通用動(dòng)力集團(tuán)公司，山西 大同 037036）

0 引言

連桿是連接發(fā)動(dòng)機(jī)活塞與曲軸的一個(gè)重要零件，在實(shí)際工況下，它是在壓縮、拉伸和橫向彎曲等交變應(yīng)力下工作的，工作條件相當(dāng)惡劣。因此，為了減小振動(dòng)，對(duì)連桿動(dòng)態(tài)特性的研究已經(jīng)成為連桿設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)［1］。

本文利用ANSYS軟件直接建立連桿的三維模型并進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算分析連桿的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)分析結(jié)果，從應(yīng)力云圖獲取連桿在危險(xiǎn)工況下應(yīng)力的分布情況，為連桿的結(jié)構(gòu)分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 建立連桿有限元模型

在建立連桿的三維實(shí)體模型之前，可以對(duì)連桿模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，忽略小圓角、倒角和細(xì)油孔等特性，并且把連桿蓋與連桿體簡(jiǎn)化成一個(gè)整體。這樣處理后可以縮短計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，并且與實(shí)際情況相差不大。

1.1 建立連桿實(shí)體模型

根據(jù)連桿的實(shí)際尺寸及上述簡(jiǎn)化方法在ANSYS中建立的連桿模型如圖1所示。

圖1 連桿幾何模型

1.2 定義單元類型及材料特性

由于ANSYS軟件中的四面體單元可以用于自由網(wǎng)格劃分，因此選Solid92三維四面體單元能較好模擬物體形狀。圖2是Solid92單元的幾何示意圖［2］。

圖2 Solid92單元的幾何示意圖

此處定義連桿的材料為各向同性的線彈性材料40Cr，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 800kg／m3。材料的彈性模量和泊松比都不隨溫度的變化而變化。

1.3 網(wǎng)格的劃分

建立有限元模型時(shí)，有限元網(wǎng)格的劃分相當(dāng)重要，網(wǎng)格質(zhì)量直接關(guān)系到有限元模型計(jì)算的精度和速度。由于該連桿模型形狀不規(guī)則，所選單元形狀也不規(guī)則，因此對(duì)其進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分［3］。

本文使用自由網(wǎng)格劃分中的SmartSize工具，并選取分網(wǎng)水平值為6，對(duì)所建立的連桿實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到30 565個(gè)單元和56 928個(gè)節(jié)點(diǎn)。按照上述網(wǎng)格劃分方法得到的連桿有限元模型見圖3。

2 施加載荷和邊界條件

本文對(duì)柴油機(jī)連桿進(jìn)行自由狀態(tài)下的振型模態(tài)分析，沒有其他載荷影響，只考慮自重影響，并根據(jù)實(shí)際情況施加連桿位移約束。在實(shí)際工況中，連桿的小端隨著活塞的平動(dòng)在缸體內(nèi)做平動(dòng)和一定幅度的擺動(dòng)，連桿的大頭繞著曲柄做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此連桿在實(shí)際工況下所受主要載荷的位置為連桿大頭與曲柄銷接觸的內(nèi)表面和連桿小端與活塞銷接觸的內(nèi)表面，所以本文對(duì)連桿小端的軸向和切向（也就是ANSYS坐標(biāo)系中的Z 向和X 方向）施加了平動(dòng)約束，使連桿小頭只能沿著缸體內(nèi)平動(dòng)和繞活塞銷轉(zhuǎn)動(dòng)，并且對(duì)連桿大頭的軸向施加平動(dòng)約束使連桿不能在軸向平動(dòng)。

圖3 連桿的有限元模型

按照上述加載條件，得出施加載荷和約束條件后的連桿有限元模型，如圖4所示。

圖4 施加載荷和約束條件后的連桿有限元模型

3 連桿模型模態(tài)分析

根據(jù)建立的有限元模型和加載約束條件，對(duì)連桿進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，采用Lanczos法對(duì)該連桿進(jìn)行了自由模態(tài)分析，得到其固有頻率值和振型。表1為連桿前8階模態(tài)的固有頻率。

表1 連桿固有頻率計(jì)算結(jié)果

當(dāng)連桿機(jī)構(gòu)的某階固有頻率與柴油機(jī)的激勵(lì)力頻率接近或相等時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)產(chǎn)生較大的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。由于柴油機(jī)在實(shí)際工況中的工作頻率一般在3 000Hz以下，根據(jù)柴油機(jī)的實(shí)際工況和表1中連桿各階固有頻率，發(fā)現(xiàn)第3、4階模態(tài)的頻率值與工作頻率較為接近。通過ANSYS軟件的后處理器觀察連桿的各階模態(tài)振型，圖5和圖6分別為第3、4階模態(tài)的振型云圖。

圖5 連桿的第3階模態(tài)振型

圖6 連桿的第4階模態(tài)振型

4 仿真結(jié)果分析

觀察圖5中連桿第3階模態(tài)振型發(fā)現(xiàn)連桿發(fā)生很大的變形，而圖6連桿第4階模態(tài)振型中則沒有發(fā)生過大的變形。這是由于連桿第3 階固有頻率為1 976.5Hz，當(dāng)柴油機(jī)激振力頻率在2 000 Hz附近的時(shí)候有可能會(huì)與第3階模態(tài)頻率相等或接近，就會(huì)引發(fā)共振，導(dǎo)致連桿的動(dòng)應(yīng)力過大，以至于出現(xiàn)疲勞和裂紋等損壞現(xiàn)象。從圖5也可以看出連桿的薄弱環(huán)節(jié)在連桿大頭和連桿柄的過渡處，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)或改進(jìn)材料對(duì)其加以改進(jìn)。

［1］ 鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)院.內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981.

［2］ 李顯明.有限元法在柴油機(jī)連桿分析中的應(yīng)用［M］.上海：上海鐵道科技出版社，2005.

［3］ 李鵬，張保成，李星，等.基于Hyperworks的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿有限元模態(tài)分析［J］.唐山學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，24（3）：31－33.