基于有限元方法的發(fā)動機連桿分析

0 引言

柴油發(fā)動機已廣泛應用于載重汽車和客車等車輛中，其性能的好壞極大地影響車輛的整體性能，發(fā)動機是一個質量不平衡系統(tǒng)，且內部存在著燃爆，故而發(fā)動機的振動不可避免。其中發(fā)動機連桿是承受動態(tài)應力和沖擊力最高的動力學負荷部件。

連桿組在氣缸內工作條件十分惡劣，承受著以下幾方面方面的作用力：

(1)進壓爆排四個沖程產生的燃氣壓力；

(2)周期性運動產生的慣性力；

2.1.1 不同灌水量對啤酒大麥農藝性狀及經濟系數(shù)的影響 不同灌水量水平下甘啤6號的株高、穗長、千粒重、單株生物產量等性狀的考種結果如表2所示。灌水量對各農藝性狀影響顯著。隨著灌水量的提高，株高、穗長、穗粒數(shù)極顯著的增加，在1 500 m3/hm2灌溉水平以上，株高、穗長、穗粒數(shù)均較好，其中以3 000 m3/hm2灌溉處理取得最高值；各處理千粒重差異顯著，以1 500 m3/hm2和2 250 m3/hm2灌溉水平最高，3 000 m3/hm2灌溉水平次之。經濟系數(shù)最優(yōu)的是2 250 m3/hm2和1 500 m3/hm2灌溉水平處理分別高達53.4%，49.1%。

(3)連桿高頻擺動時產生的橫向慣性力。

這三種力的大小和方向隨著曲軸轉角的變化而不斷地變化。綜合起來的結果使連桿處于一種交變的復雜受力狀態(tài)

，因此對連桿剛度和強度有很高要求。連桿的工藝水平和尺寸不僅影響著發(fā)動機尺寸，也影響著發(fā)動機的可靠性和壽命，故而連桿的模態(tài)分析是發(fā)動機設計必不可少的重要組成部分。其中，連桿桿身是一個長桿件，在工作中受力也較大，為防止其彎曲變形，桿身必須要具有足夠的強度和剛度。汽車發(fā)動機連桿結構直接關系到發(fā)動機的使用壽命

。

在產品設計中引入現(xiàn)代設計方法，通過分析優(yōu)化提升產品的性能與質量，是傳統(tǒng)產品設計改進的重要方向。本文通過采用有限元法和模態(tài)分析方法，求出連桿的固有頻率和振型，同時在利用有限元法時探討了單元大小對模態(tài)頻率收斂性的影響，得出了適宜的單元尺寸，為連桿后續(xù)結構強度分析和進一步改進產品設計提供參考。

本文的工作可以分為三大部分。第一部分為運用CATIA對所設計的連桿進行三維建模。在此過程中合理地對連桿設計圖紙進行簡化。將連桿大頭和端蓋作為一體建模，對二者某些過渡部分做了簡化。工字梁橫截面的圓角和曲面簡化成無圓角和曲面的橫截面，對連桿小頭則將其簡化為圓筒狀。

第二部分為柴油機連桿的有限元分析和模態(tài)分析。通過定義單元大小和劃分網格，計算并導出分析報告，得出了連桿的自由模態(tài)頻率和振型，并重點比較了不同網格密度對有限元模態(tài)分析的結果的影響。通過定義四面體四節(jié)點和四面體十節(jié)點單元不同的單元大小，分析比較了其模態(tài)頻率的收斂性，得出應用10mm單元大小比較恰當?shù)慕Y論，為后續(xù)的整機模態(tài)求解提供依據(jù)。

1.2.1 繪制連桿大頭外輪廓并建立凸臺

1 運用CATIA軟件建立連桿模型

1.1.4 繪制連桿小頭輪廓

1.1 建立連桿小頭

1.1.1 建立新文件

定義三維單元屬性。點擊【3D Property】(三維屬性)按鈕，彈出對話框。選擇連桿，點擊對話框中的【確定】，模型樹上生成【3D Property.1】元素。

1.1.2 選擇平面

選擇xy平面上繪圖。繪制工字梁(無凹槽)輪廓，運用【直線】命令按照設計的尺寸繪制出輪廓曲線。

2.2.3 個體差異:不同人種對同一藥品的敏感性也不同,而同一人種的不同個體也會對同一藥物的反應也相異。

組蛋白賴氨酸甲基轉移酶DOT1L抑制劑分子水平高通量篩選模型的建立··············································徐 威 蘇明波 周宇波 (1,126)

退出草圖繪制器工作臺，選擇【凸臺】命令。選擇上一步建立的輪廓，沿Z軸正負方向各拉伸10mm。

在航空和汽車設計領域，CATIA已經成為必選的設計輔助工具

。CATIA在汽車工業(yè)應用已經十分廣泛，是歐美和亞洲等一流汽車制造廠家所用的核心系統(tǒng)。CATIA 在車身造型、發(fā)動機設計等方面具有獨到之處，為各種汽車的設計和制造提供了絕佳的解決方案。CATIA 涉及產品、加工和人三大領域，其可伸縮性和并行工程能力非常卓越，在賽車、轎車、卡車、商用車、地鐵等車輛上都可以進行數(shù)字化設計。CATIA具有強大的修改能力，尤其是后期修改性很好，對實體建模和曲面造型，CATIA提供了智能化的樹結構，用戶可方便快捷地進行多次修改。以下為三維模型建立的具體步驟。

BALB/c小鼠60只，SPF級，雌性，體質量18～22 g，由湖北省醫(yī)學科學院動物中心提供，動物生產許可證號：SCXK（鄂）2015-0019。所有小鼠均在20～25℃室溫、12 h/12 h晝夜交替的條件下飼養(yǎng)，每天早晚各喂料1次，同時清洗飲水瓶并更換飲用水。

運用圓命令繪制連桿小頭的外圓，同理用【凸臺】命令沿Z軸正負方向各拉伸16mm。再繪制連桿小頭的內圓，退出工作臺后選擇【凹槽】命令，沿Z軸正負方向各拉伸16mm。如圖1。

1.2 建立連桿大頭及其他細節(jié)

第三部分為成果與結論。

(3)經過球粒隕石標準化的稀土配分曲線表明，各巖(礦)石的δEu為0.600～0.950，顯示輕微的Eu負異常。各巖(礦)石的δCe為0.879～0.890，顯示輕微的Ce負異常。

單擊左邊樹形圖中的xy平面，單擊【草圖】，退回至草圖工作臺。利用【圓】、【直線】、【打斷】、【鏡像】等命令繪制草圖，然后單擊【約束】，完成必要的尺寸標注，單擊【在對話框中定義的約束】，完成約束定義。以圖紙中的尺寸繪制連桿大頭外輪廓。退出草圖工作臺，并繪制凸臺。

繪制連桿大頭其他主要輪廓，建立相應的凸臺和凹槽如圖2。

1.1.3 建立凸臺

對工字梁與連桿小頭的外表面做面與面圓角處理，半徑為65mm。對連桿大頭各處做相應的圓角和倒角處理。

繪制連桿大頭螺栓處的輪廓，并建立凸臺。

繪制工字梁凹槽輪廓。運用【凹槽】命令，繪制出凹槽，運用鏡像命令，鏡像元素選為xy平面，要鏡像的對象選擇特征樹中剛才繪制的凹槽，點擊【確定】后，可得關于xy平面對稱的凹槽。

繪制螺栓頭部輪廓，并建立凸臺，運用鏡像命令，鏡像元素選為該面的對稱線，要鏡像的對象選擇特征樹中剛才繪制的凸臺，點擊【確定】后，可得該面的對稱線對稱的凸臺。并對工字梁與連桿大頭連接處各棱線做圓角處理，對其他必要部分做圓角和倒角處理，如圖3，至此建模結束。

有人說：“光有學問而沒有德行，這樣的學問就跟狗尾巴一樣沒有用，它既不能遮住屁股眼，也不能用來趕走蚊子和馬蠅。”因為良好的德行源于德育，德育之重要性可見一斑。

2.連桿模態(tài)分析

2.1 對連桿模型的有限元分析步驟

2.1.1 對零件賦予材料屬性并設置有限元計算模型

在正常工況下，連桿必須有足夠的強度、剛度和較好的動力學特性，并且要求連桿的質量盡可能小。因此連桿通常采用中碳鋼、合金鋼或鑄鐵等材料制造而成

。在左邊的模型樹中單擊選中【零部件幾何體】，點擊應用材料按鈕，彈出【庫(只讀)】對話框，點擊【Metal】金屬選項卡，在列表中選擇【Steel(鋼)】材料，點擊對話框中的【確定】按鈕，將鋼材料賦予零件。點擊【保存】按鈕，將零件保存。

電氣故障包括控制回路斷線、跳閘回路的各元件，例如：控制斷路器的觸頭和斷路器的操動機構對觸頭進行輔助，防止繼電器與繼電保護發(fā)生跳閘或者回路接觸不良。當跳閘的回路發(fā)生斷線或者跳閘的線圈被燒壞時，繼電的保護整定值也會不正確，而直流電壓太低，低于額定的電壓80%以下[2]。

從上述分析可見，國內外名物化研究的重點既有相似之處，又有很大差異。相似點在于熱點都涉及語法隱喻、翻譯、認知、語言類型等，差異較大的有兩點，一是國內比較關注名物化現(xiàn)象的詞法研究，而國外更關注句法；二是國內的名物化研究還是以理論研究為重，而國外已經出現(xiàn)明顯的實證研究轉向。

點擊【開始】→【分析與模擬】→【Generative Structure Analysis】。進入【通用結構分析】工作臺。

點擊【Compute】，彈出【Compute】對話框，在第一個下拉多選框內選擇【All】，點擊【確定】。系統(tǒng)會先后彈出三個對話框，在最后一個對話框中點擊【確定】。開始計算。點擊【應力圖】按鈕，可查看應力分布。

定義單元參數(shù)。連桿體上出現(xiàn)四面體單元體圖標。點擊【Octree Tetrahedron Mesh】，彈出【Octree Tetrahedron Mesh】對話框。在【Global】(全局)選項卡內，在【Size】(單元大小)數(shù)值欄內輸入5，點擊選中【Absolute sag】(絕對垂度)數(shù)值欄內輸入0.5，在【Element type】(單元類型)選擇第二個選項，單元即設置為二次單元。點擊對話框中的【確定】，模型樹上生成【3D Mesh.1】元素。

選擇菜單中的【文件】→【新建】命令，出現(xiàn)【新建】對話框，在【類型列表】欄中選擇“part”，單擊【確定】。出現(xiàn)【新建零部件】對話框，輸入“l(fā)iangan01”，單擊【確定】。單擊【開始】→【機械設計】→【草圖繪制器】。

2.1.2 求解問題和導出報告分析

山西省春播中晚熟玉米雜交種評價…………………………………………… 閻曉光，李 洪，董紅芬，李愛軍，王國梁，杜艷偉（7）

進入【通用結構分析】工作臺后，彈出【New Analysis Case】對話框，選擇【FreeFrequency Analysis】(自由模態(tài)分析)選項，點擊【確定】按鈕，關閉對話框，同時在模型樹上生成【Finite Element Model.1】元素。

掌握本企業(yè)上市藥品的臨床使用情況是對藥品實現(xiàn)全生命周期管理的關鍵，但企業(yè)從臨床收集藥品的使用信息非常有限，在795份報告中，僅有8份是企業(yè)自主上報。近3年不良反應報告數(shù)量逐年減少（發(fā)生率1.30%），表明不良反應在可接受的范圍內?？陀^上活血止痛膠價格便宜，利于在基層推廣使用，但基層單位數(shù)量多、每家單位藥品用量小，無論是依靠本企業(yè)人員聯(lián)系使用終端、或是委托代理商收集信息都會產生較大的成本。面對目前藥品降價呼聲和改進措施不斷推出，而人工、原輔料、包裝材料及管理成本日益上漲，對于在成本壓力下生存和發(fā)展的企業(yè)，履行好藥品安全主體責任是一個嚴峻挑戰(zhàn)。

點擊【Generate Report】按鈕，自動生成報告文件。文件中顯示材料屬性為STEEL(鋼)，同時生成模態(tài)頻率表格。因為本文進行的是自由模態(tài)分析，不對連桿進行加載，所以前六階模態(tài)分別對應其六個自由度，其頻率為零或基本為零。所以在后續(xù)分析計算中，本文不再對前六階的結果進行討論。并且在后文將CATIA分析報告中的第七至十階分析結果作為第一至四階分析結果。

2.2 單元大小的選擇與模態(tài)收斂性分析

網格密度直接影響計算結果的精度和計算規(guī)模的大小

。當網格密度增大，計算精度相應提高，計算規(guī)模相應增加。但網格密度不能無限增加，因為超過一定密度后，計算精度幾乎不再提高，計算規(guī)模卻大幅增加，所以確定單元大小時需要結合起來考慮。柴油機連桿可以選擇四面體單元或六面體單元。連桿結構較為復雜，如若選擇形狀規(guī)則的六面體單元，恐怕難于適應，因此選擇四面體單元。四面體單元又分為四面體四節(jié)點單元和四面體十節(jié)點單元，選取不同單元尺寸進行模態(tài)收斂性分析，以求得合適的尺寸，同時計算規(guī)模適中的結果。圖4和圖5是模態(tài)頻率圖，體現(xiàn)的是在不同單元尺寸下選用四面體四節(jié)點和四面體十節(jié)點時進行模態(tài)收斂性分析的結果。

從模態(tài)頻率收斂圖可得出，同樣的四面體單元，網格密度對模態(tài)分析的精度有影響。對四面體十節(jié)點單元，單元尺寸由10mm、9mm一直到3mm發(fā)生變化時，得出的模態(tài)頻率相差極小，其收斂性很好，對精度影響較小。這說明，四面體十節(jié)點單元隨著網格劃分變細小，頻率收斂性很好，精度提高不明顯。對于四面體四節(jié)點單元，可看出隨著網格劃分變細小，各階頻率基本呈下降趨勢，模態(tài)頻率相差較大，精度較低。

表1為四面體四節(jié)點與四面體十節(jié)點的固有頻率相對誤差表(單元尺寸10mm)，可見，四面體四節(jié)點和四面體十節(jié)點相對誤差較大。綜合分析，取單元尺寸10mm(四面體十節(jié)點)時計算精度要求已經可滿足工程需要。因此在后續(xù)分析時，選用10mm大小的四面體十節(jié)點網格。

溫控面板目前主要有自動模式、無人模式、手動模式以及聯(lián)網遠程控制等多種控制模式。產品選型時，需結合具體項目需求，選擇合適功能的面板，避免過度選擇或漏選。通過面板的現(xiàn)場調節(jié)，選擇相應的控制模式，如自動模式僅能在本地設定溫度上下，不能調節(jié)風速大小，無人模式的溫度及風速均不能調節(jié)，手動模式的溫度及風速均能調節(jié)。

2.3 模態(tài)分析

圖6為采用10mm四面體十節(jié)點單元計算所得的連桿前四階自由模態(tài)頻率和振型。

圖7為10mm四面體十節(jié)點單元計算所得的連桿等效應力分布云圖。由等效應力分布云圖可知，最大應力出現(xiàn)在桿身處,是整個連桿最危險的部位,設計時應注意。應采取相應的處理手段進行強化,如加大桿身的尺寸，改善材料的特性或改進加工工藝。

3 本文主要成果和結論

3.1 利用CATIA軟件進行連桿的前處理過程，包括實體建模、定義材料屬性、定義單元類型和網格劃分；求解選擇自由模態(tài)；后處理過程，包括結果的觀察和分析。

3.2 利用CATIA軟件進行有限元分析，網格數(shù)量不能一味求多，由不同大小的網格模態(tài)分析可得出選取四面體十節(jié)點時收斂性好。采用10mm大小的四面體十節(jié)點對柴油機進行連桿模態(tài)計算，不僅有限元求解精度較高，而且可以滿足工程需要的計算要求。

3.3 由等效應力分布云圖可知，最大應力出現(xiàn)在桿身處,是整個連桿最危險的部位,設計時應注意。應采取相應的處理手段進行強化,如加大桿身的尺寸，改善材料的特性或改進加工工藝。通過使用有限元的方式對連桿進行分析, 能夠快速的對連桿結構進行評估和迭代, 大大的縮短了設計周期和成本

。

[1]李世濤.12V180ZJC柴油機連桿結構設計特點分析與大小孔加工工藝[J].農業(yè)裝備與車輛工程，2007(08).

[2]張志鵬.汽車發(fā)動機連桿結構有限元分析方法探索[J].內燃機與配件,2020(04).

[3]杜寶江，丁咸海，朱晨旗等.基于CATIA電氣元件庫的設計與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2013(19).

[4]甫圣焱,鄭彬,文超.不同材料屬性的發(fā)動機連桿有限元分析[J].機械設計,2021(11).

[5]閻文兵,姜紹忠,陳越.不同網格密度對柴油機前托架有限元模態(tài)分析的影響[J].機械與電子，2011(09).

[6]黃浩,劉明亮,龔明成,劉浩.基于有限元的某機型連桿結構分析[J].內燃機，2018(12).