连杆建模与强度分析.docx

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连杆建模与强度分析

连杆建模与强度分析

姓名：

蔡川东

学号：

20114541

班级：

工力一班

日期：

2014年12月16日

目录

连杆建模与强度分析1

摘要3

1模型的介绍4

1.1连杆模型的建立4

1.2模型材料参数及设置6

1.2.1材料参数6

1.2.2Workbench中添加材料以及设置相关属性6

1.3有限元模型的建立7

1.3.1有限元模型7

1.3.2Workbench中的接触设置8

1.4连杆受力状况10

1.4.1在最大惯性力引起的拉伸力工况10

1.4.1.1Workbencn中拉伸力工况的施加11

1.4.2螺钉预紧力的施加12

1.4.2.1典型螺栓预紧力的作用方式13

1.4.2.2本实例中螺栓预紧力的施加14

1.4.3轴瓦的过盈配合力16

1.4.3.1什么是过盈配合16

1.4.3.2Workbench中过盈设置16

1.4.3.3几何过盈16

1.4.3.4设置实际过盈量18

1.4.3.5过盈量的检查19

2结果分析20

2.1单独过盈配合作用结果20

2.2单独螺栓预紧力作用效果22

2.3全部加载后连杆的应力分布23

3总结25

摘要

连杆作为柴油机的关键重要的零部件之一，在工作中承受交变的拉压载荷的作用，受力比较复杂，而连杆的可靠性和寿命很大程度上决定柴油机的可靠性和寿命。

因此要求连杆具有足够的结构强度。

随着计算机软、硬件与有限元技术的不断发展，大型通用有限元技术已成为工程技术领域进行产品开发与结构设计优化的首选。

当前，对连杆的静态精细有限元分析技术已较为成熟，计算精度也越来越高。

本文以柴油机连杆为研究对象，首先在三维造型软件Pro/E中建立包括大端盖、连杆、连杆衬套、轴瓦在内的连杆组装配体三维实体模型，然后以step格式导入有限元分析软件Workben14.5中，考虑各部件之间的接触关系及装配预紧力，从传统静力学的角度对连杆的装配工况、受力工况，进行精细三维接触有限元分析。

得到各工况下连杆组的应力分布及变形情况，对连杆的可靠性进行验证。

对连杆分析之前查阅过诸多文献，关于模型的建立，模型的简化，螺栓预紧力的施加，过盈装配的实现，连杆运动过程的载荷施加等等。

由于资源有限，大多数文献中并无精细到操作过程的简介，而只能从Workben的其他实例中总结方法和经验来运用于本实验。

这个过程是繁琐而耗时的，但经过不断尝试，在Workbench的过盈接触分析以及螺栓预紧力施加上有深刻的认识。

本实验过程中，由2维CAD设计图建立3维实体，并划分有限元网格，考虑运动中的连杆的边界条件和力的施加方式，建立计算模型，进行一种工况的强度分析。

在这个过程，将详解分析软件Workbench中螺栓预紧力、过盈装配的设置问题。

课题的主要内容为:

1）读懂CAD图纸；

2）根据需要修改不必要的细节，建立模型，包括杆身,大端盖,连杆衬套,连杆螺栓和轴瓦；

3）根据计算机的计算能力，选取适当的单元网格，设置材料属性,在各部件之间设置接触对；

4）正确处理载荷和边界条件；

5）完成强度分析；

6）撰写计算报告；

1模型的介绍

1.1连杆模型的建立

连杆组件三维模型采用Pro/E来建立准确可靠的计算模型。

Pro/ENGINEER是当今最普及的三维CAD/CAM系统之一。

在进行有限元分析之前,应尽量按照构件真实的尺寸和外观来建立有限元分析模型,但对结构复杂的构件,完全按照实物结构来建立计算模型,进行有限元分析有时会变得非常困难,甚至是不可能的,因此需要在尽量不影响计算完整性的前提下可对构件进行适当的简化在本文中,连杆模型本身的设计图纸非常精细,完全精确的模型不适于甚至根本不能进行有限元网格划分,而计算模型简化的结果,只能近似地反映实际情况,或者说,计算模型的计算结果在不同程度上存在着误差一般说来,因模型带来的误差远比有限元计算方法本身带来的误差大得多,所以,结构的有限元计算的准确性在很大程度上取决于计算模型的准确性。

a连杆杆身b大端盖

图1连杆二维图纸

在Pro/E中完全可以实现模型的精确建模，建立装配图后保存为.STP格式文件，导入Workbench后如图2所示。

图2连杆三维精细模型

实现在精细模型中，存在诸多倒角和小面，这种表面的复杂形态尺寸较小,对连杆结构强度的影响细微,但是却很难于划分有限元网格,保留这些特征,会加大运算量时间,并且结果误差增大。

所以本文去掉了这些特征,或者将其改为基本形态相似但形态更为简单的特征。

精细模型的网格如图3所示，图中轮廓较黑处显示，在小面处网格十分密集。

不利于我们关心部位的计算。

因此，在建模时候应对模型进行适当的简化保留所关心的部位。

简化过程中，删除不必要的倒角，周围的凹槽，以及考虑到Workbench中活塞销实体上不便于施加约束，这里只建立活塞销衬套,（Workbench中通过merge功能将不必要的小面合并在大面中，活塞销衬套的建立可以先通过SurfacesFromFace选择小端内部的面，然后通过Thin/Surface加厚面得到活塞销衬套）简化后的模型和有限元模型如图4所示。

由此得到的模型网格在轮廓处不会出现加密现象，而且便于对整体网格的控制。

图3精细模型的网格

图4简化后模型以及有限元模型

1.2模型材料参数及设置

1.2.1材料参数

连杆使用42CrMo钢，其材料参数列于下表

表1材料参数表

Ø计算中将轴瓦、活塞销和曲柄销也取相同的材料性能

Ø 对连杆的强度考核以屈服应力为准，安全系数应在1.5以上，即许用应力为424MPa

Ø疲劳校核以疲劳极限为准，由于形状系数难于确定，且一般大于1。

因此，为安全起见，疲劳评估时安全系数要求大于2。

1.2.2Workbench中添加材料以及设置相关属性

打开流程图的EngineeringData添加新材料并设置相关属性值如图所示。

图5材料参数设置

1.3有限元模型的建立

1.3.1有限元模型

图6网格划分属性设置

本实例中采用自上而下建模，对三维模型进行网格划分即可得到有限元模型。

有限元网格划分是将整体结构离散化,是数值分析的前提。

在分析三维实际问题时需采用三维有限单元,三维问题的基本单元是4-结点四面体单元,是最简单结构,十分方便复杂模型网格模型的划分，建立的方程组数量最少,能收敛于精确应力数值,减少计算时间，

本文选用的是4-结点四面体单元作为连杆网格划分的基本单元。

网格划分方式为自由化分，划分精度为Fine。

三维连杆模型形为装配图，存在多个部件，各个部件之间必然存在接触关系，因此根据实际情况，为各个部件之间设置合理的接触关系十分必要。

在设置接触关系之前首先要了解实际情况中各个部件之间的接触关系是什么，以及了解Workbench中有哪些接触关系，并且在Workbench选取哪种接触对来描述实际问题。

1.3.2Workbench中的接触设置

将连杆作为整体进行的有限元分析所得出的结果不能全面的反应连杆的各部分的具体的受力情况，而在有限元技术与商业软件的发展日趋成熟的今天,这种结果不再能令人满足。

精细有限元分析是连杆应力分析的发展趋势,许多研究人员己经开始使用接触有限元法进行连杆的应力分析并取得了很多可贵的成果，基于前文的内容成果,本文对连杆的接触应力分析做了一定尝试和研究。

接触问题是一种高度非线性行为,需要较大的计算机资源，为了进行切实有效的计算,理解问题的物理特性和建立合理的模型是很重要的，接触问题存在两个较大的难点:

其一，在用户求解问题之前,用户不知道接触区域，其二，大多的接触问题需要考虑计算摩擦,有几种摩擦定律和模型可供挑选,它们都是非线性的，摩擦效应可能是混乱的,所以摩擦使问题的收敛性变得困难。

workbench中有5中接触类型分别是:

•Bonded无相对位移。

就像共用节点一样。

•Noseperation法向不分离，切向可以有小位移。

•Frictionless法向可分离，但不渗透，切向自由滑动

•Rough法向可分离，不渗透，切向不滑动

•Frictional法向可分离，但不渗透，切滑动，有摩擦力。

（1）在连杆分析中需要根据实际情况选择合适的接触类型。

为了便于显示各个部件之间的接触关系，首先对各个部件进行命名如图所示。

各个部件之间的接触关系如图所示（点击右键选择RenameBasedOnDefinition）

图7零构件名称

（2）需要注意的是，在导入模型后，系统会根据设定的接触容差来决定是否设定为接触关系，因此在导入模型时候会出现多余的接触对或者多余的接触面、目标面，一定要根据需要保留和修改正确的接触对，删除不必要的接触对。

按名命名后，方便修改。

另外，在Workbench中接触面和目标面之间没有差别，可以相互替换。

但最好默认为系统选择。

图8接触设置明细面面板

（3）导入模型后圆柱面都被剖分为二，Merge操作后会合并为一个面。

所以所有接触对中接触面和目标面都是一个面（除了大端盖和连杆连接触）。

此外过盈设置也在接触关系中设定，这在后面部分将详解。

接触部分是我们关心的部分，其应力分布云图使我们需要的结果。

因此对接触部分的网格细分是必要的。

对所有接触位置的网格细分设置网格尺寸为8mm，如图所示。

图9细分接触面的网格面板设置

网格划分完毕后，模型如图所示。

得到节点数80173，单元数40916.

图10连杆有限元模型

1.4连杆受力状况

Ø在最大惯性力引起的拉伸力工况：

连杆大、小头孔内作用的拉伸载荷PY=187.66KN

Ø连杆长螺钉预紧力PC=182.92KN

Ø连杆短螺钉预紧力Pd=178.59KN

Ø来自轴瓦的过盈配合力

1.4.1在最大惯性力引起的拉伸力工况

以往在分析连杆受拉伸载荷时,多认为作用力作用在活塞销上,通过接触作用将力传递给连杆，本文中将连杆的受力处理为拟静态问题，活塞销衬套内部加以全约束,将力简化为余弦函数载荷处理,加载于大端盖处的轴瓦上。

沿边界按余弦规律分布,作用包角为120度。

图11轴瓦上余弦加载示意图

图12活塞销衬套内部的约束

1.4.1.1Workbencn中拉伸力工况的施加

在受力方向上剖分一个120度的圆柱面，该圆柱面将承受拉伸载荷作用，剖分出来施加载荷的120度圆柱面如图中绿色部分所示。

连杆轴瓦的有限元模型中,在大端的中心建立局部坐标系,z方向沿活塞销轴线,X方向为受力方向，施加载荷坐标系如图所示。

图13剖分的120度加载面

在Details面板中输入施加的载荷值，负号表示方向相反

图13载荷值得输入

1.4.2螺钉预紧力的施加

螺栓连接在机械结构中是一种常用的连接方式，螺栓连接的设计要求:

Ø保持一定的预紧力

Ø稳定一定的伸长量

对螺栓的计算仿真需要知道这些值，一般给定预紧力更简单。

a）已知螺栓安装伸长量可有下式计算螺栓预紧力：

P─螺栓预紧力

─螺栓伸长量

ET─螺栓的杨氏弹性模量

AT─螺栓有效横截面积

lT─螺栓有效长度

b）多数情况下设计者只提供了螺栓的安装扭矩，这时螺栓预紧力的计算公式很复杂，可由下面的经验公式确定：

式中T为拧紧扭矩，d1为螺栓的螺纹中径。

在Workbench中进行分析时需要正确的定义各个零件之间的关系，施加预紧力，结合外来约束和载荷对连接进行分析。

预紧力的作用原理是什么，以及如何施加，是本实验的难点，本文结合连杆的实际螺栓作用的情况，把典型的预紧力作用方式，较准确应用在本实例。

图14螺栓结构

1.4.2.1典型螺栓预紧力的作用方式

在Workbench中螺栓预紧力，一般而言施加在圆柱面上。

其作用原理通过螺栓和螺母绑定，并在螺栓杆上施加预紧力或收缩量，使螺栓杆向中间收缩，来紧固和其连接的构件。

如图所示，显示了两种施加螺栓预紧力的方式。

图15螺栓预紧力作用原理

需要注意的是，螺栓和螺母之间是绑定接触，其他接触如螺母和构件的接触，螺栓头和构件的接触可以设置为NoSeparation或者Rough。

其中定义预紧力的明细属性，螺栓预紧力应施加载到螺栓的中间段上，此段上不应该痛任何零部件有接触关系，否者会影响到预紧力的效果。

图16螺栓预紧力作用效果图

1.4.2.2本实例中螺栓预紧力的施加

与典型螺栓预紧力作用方式不同，在本实例中螺栓为嵌入式螺栓，无螺母，则不能通过螺栓和螺母向中间压缩来紧固零件。

本实例中通过在螺栓杆面上，剖分出一小段面来与连杆绑定，从而取代螺母的作用。

（1）在Workbench中剖分建立接触的小面如图所。

图17嵌入式螺栓图18剖分出的小面

（2）建立螺栓剖分小面和连杆的接触关系

图19螺栓和连杆的绑定

（3）建立螺栓帽底面和大端盖的接触关系

图20螺栓和大端盖的Rough接触

（4）施加螺栓预紧力

注意：

预紧力施加在中间的圆柱面上此上不应有接触关系的设置，否者或影响预紧力的施加效果。

细面板中输入需要施加的预紧力大小或者安装伸长量。

图21施加预紧力效果图

1.4.3轴瓦的过盈配合力

1.4.3.1什么是过盈配合

过盈配合是机械工业中一种常见的零部件组装方式,齿轮、轴承以及火车轮等与其装配轴之间的配合大多采用过盈配合。

在工作外载荷作用下,能产生足的摩擦力,以保证配合件之间不发生任何相对的滑动,同时接触应力又不过大,装件能正常工作。

因此,研究配合面之间的接触应力分布规律是十分重要的。

过盈配合属于紧配合中的一种，也就是说相配对的轴径（键宽）要大於孔径（键槽），必须采用特殊工具挤压进去，或利用热胀冷缩的特性，将孔（键槽）加热，趁孔径扩大，迅速套到轴上，待冷却收缩后二个零件就紧紧配合成一体了。

过盈多少，在加工图纸上都有详细说明。

1.4.3.2Workbench中过盈设置

Wokbench中过盈量的设置。

建模的时候不考虑过盈量，过盈量的设置通过明细面板下面的interfacetreatment输入值来确定，如右图所示，蓝色框内为过盈量值。

图22过盈量设置面板

1.4.3.3几何过盈

如下图所示这两个圆柱体，在几何上是刚好相切的，即处于几何上刚好接触的初始状态。

划分网格后，由于在圆周上用小段直线代替了弧线，两个圆柱体之间产生了一定的间隙，两个圆柱体的有限元的初始状态不再是有接触的，此时，如果接触参数设置不当，就会因为初始约束不足，圆柱体出现刚体位移，得到错误的结果。

在经典版中，可以通过关键选项设置来忽略初始的便宜量，从而重新设置给定的便宜量值。

设置KEOPT（9）=4，程序在计算初始接触状态的时候就只考虑CNOF的设置值，不考虑接触部件的几何位置造成的侵入或间隙。

图23几何接触的圆柱体

有的人把两个接触部件的几何位置设定一定的过盈量，想用这个过盈量来模拟过盈配合，这种做法是错误的，几何上的过盈量不等于划分网格后有限元模型的实际过盈量。

图24几何上的过盈量不等于划分网格后的过盈量

如图，在几何上，图中有一定的过盈配合量（建模时设定），其大小等于两个圆的半径之差，用这个几何位置上的过盈量来模拟过盈配合。

不幸的是，两个部件划分网格之后，实际的过盈量应该为单元之间的距离，即图上中靠得比较近的两条线段之间的距离，显然，这个距离不再等于我们预先设置的过盈量了。

更何况，上面这个图还是两个部件的网格对对得比较整齐的情况，如果网格对的不整齐，过盈量就和我们预设的差的更远了。

对于过盈配合来讲，过盈量的数值变化对于过盈产生的应力的影响是很大的。

1.4.3.4设置实际过盈量

本文采用offset偏移设置来偏移量，并且忽略初始的几何过盈（所谓几何过盈即建模时候包括的过盈量），在Workbench中通过interfacetreatment的过盈量来设置，只有接触类型为Frictionless,RoughorFrictional（非线性接触）才能设置过盈量。

interfacetreatment属性面板如图所示：

图25过盈量设置选项

这里着重讲解AdjusttoTouch和AddOffset,RampedEffects

AdjusttoTouch:

忽略所有初始接触无论是渗透还是存在间隙，相互渗透量为0，在设置一般非线性接触（无过盈量）时使用。

图26存在间隙的接触对图27添加AdjusttoTouch属性后

AddOffset,RampedEffects：

应用次选项的时候可以输入过盈量的值，并且是阶梯状加载的，本文中设置过盈量需要选择该选项，轴瓦和连杆、大端盖过盈量为0.08mm，活塞销衬套和连杆的过盈量为0.05mm。

摩擦系数都设为0.1,如右图所示。

1.4.3.5过盈量的检查

特别注意的是在Workbench中没有关键选项来忽略初始的几何过盈量。

需要通过插入命令选项来设定忽略初始几何过盈量。

在设置接触处点击右键插入命令。

如图所示。

图28忽略初始几何过盈命令

右键点击Model插入contact，再右键插入penetration,选择需要检查过盈的接触对。

如图所示，图中显示最大的过盈量为设定的过盈量。

如果不插入命令，最大值偏大，计算结果存在严重误差。

图30轴瓦处的实际过盈量

2结果分析

本文的结果分析包括几部分，单独分析预紧力的作用，单独分析过盈配合作用，以及全部加载后的结果。

三部分分析流程图如图所示。

图31分析流程图

2.1单独过盈配合作用结果

前面部分已详细解释过盈配合设置过程，在装配工况下，连杆受力云图如图所示，从图中我们可以看出，在连杆衬套和轴瓦过盈配合装配预紧力的作用下，连杆上的应力主要集中在小头和大头。

活塞销衬套过盈在连杆小头内孔两侧产生的应力值较大，达到319.73MPa，油孔处出现了应力集中，复符合实际情况。

图32装配过盈整体应力云图

装配工况下，连杆衬套的应力云图如图所示，衬套轴向两侧边缘以及油孔处的应力较大，最大应力值为100.48MPa。

图33过盈装配活塞销衬套应力分布图34过盈装配轴瓦的应力分布

装配工况下上下轴瓦的应力应变分布云图如图34所示，轴瓦应力分布较均匀，只是在上连杆和大端盖结合处轴瓦的接触面上产生了158MPa的应力集中。

图35过盈装配连杆杆身最大应力处

过盈装配后连杆小端渗透量的检查。

由图中可以看到装配前过盈量为0.05mm，装配后由于相互挤压收缩，连杆的的最大渗透量变为0.00318。

图36过盈装配后连杆小端过盈量检查

图37过盈装配后轴瓦和大端盖过盈量图38过盈装配后轴瓦和连杆过盈量

2.2单独螺栓预紧力作用效果

螺栓预紧力的作用下，在与连杆螺栓螺帽接触面处产生了约458.76MPa的应力集中如图所示。

图39螺栓预紧力作用下大端盖的应力云图

装配工况下连杆组件齿形结合面的应力分布情况如下图所示，从图中我们可以看出，在轴瓦和螺栓预紧力的作用下，杆身齿形面靠近大头孔的第一个齿受力较大，其他齿形面应力主要集中在螺栓孔周围的齿根区域。

从图中我们可以看出连杆端盖齿形面的应力主要集中在靠近大头孔的前三个齿的齿根区域，应力值达到190.6MPa。

其他齿面受力较小。

图40螺栓预紧力加载后连杆齿轮处应力

下图为装配工况下连杆螺栓的应力分布云图，在螺栓预紧力的作用下，两个螺栓的应力分布相似，出现了458.76MPa的应力集中，位置出现在连杆螺帽与螺杆的过渡区域，光杆和导向环上的应力也较大且分布均匀，均值在256MPa左右，连杆螺栓螺纹面应力较小。

图41螺栓预紧力加载后螺栓的应力云图

2.3全部加载后连杆的应力分布

全部加载包括过盈装配力，螺栓预紧力以及拉伸力。

分析全部加载后连杆的应力响应。

图42全部加载后应力云图

如上图所示，全部加载后连杆的最大应力分布和单独施加螺栓预紧力效果相同，说明此处存在严重的应力集中现象。

但是轴瓦处应力分布改变，单独过盈装配时最大应力为158Mpa左右，施加拉伸工况后最大应力为225.64Mpa。

而且出现在受力方向。

图42全部加载后轴瓦应力云图

图43全部加载后连杆杆身应力分布

图44全部加载后活塞销衬套应力分布

图45全部加载后整体位移分布

3总结

通过采用Workbench有限元软件的分析,该构件的螺栓预紧力过程中产生的最大应力已经超出材料的许用应力（424MPa）,表明该设计使产品产生变形,将对产品的使用性能产生影响,在实际生产中会出现破坏材料的现象。

对比各个工况的单独加载和全部加载，可以得出，在拉伸工况作用下，主要影响轴瓦的应力分布，因此轴瓦的强度设计是整个构件中需要精心关注的部分，对轴瓦的强度要求要大于其他构件。

其次是螺栓帽的影响，尽量增加螺栓帽的和大端盖的接触面积，减小应力集中现象，当然在实际结构中，有螺栓垫片起到缓冲作用防止应力集中造成破坏。