连杆的设计和有限元分析Word下载.docx

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Abstract

Thelinkgroupcomprisesaconnectingrod,theconnectingrodcover,connectingrodbushing,connectingrodbearingandrodbolts（orscrews）.Theconnectingrodgroupundergasforcepistonpincameanditsswingandpistonreciprocatinginertiaforces,themagnitudeanddirectionoftheseforcesarecyclicalchanges.Theconnectingrodbycompression,stretchingandalternatingload.Theconnectingrodmusthaveenoughfatiguestrengthandstructuralstiffness.Thefatiguestrengthisinsufficient,oftencausedbyfractureofconnectingrodortheconnectingrodbolt,resultingindestructionofthemajoraccident.Ifthelackofrigidity,itwillcausedeformationofroundrodbendingdeformationandtheconnectingrod,piston,cylinder,causepartialgrindingbearingandcrankpin.

KeyWords:

ricethresherthreshing;

improveddesign;

目录

摘要III

AbstractIV

目录V

第1章绪论1

第2章连杆设计方案2

2.1连杆工作原理2

2.2连杆总体设计3

2.2.1连杆的类型定位5

2.2.2连杆的整机结构及选择7

2.2.3连杆连杆的工作流程9

第3章连杆结构设计11

3.1连杆设计13

3.2连杆配件设计14

第4章有限元分析16

4.1有限元简介16

4.1.1有限元强度分析简介16

4.1.2有限元模态分析简介16

4.2前处理17

4.3网格划分19

4.4边界条件设定21

4.5强度分析22

4.6模态分析23

第5章分析结果24

5.1强度分析结论25

5.2模态分析结论25

结论26

参考文献27

致谢28

第1章绪论

连杆体由三部分构成，与活塞销连接的部分称连杆小头；

与曲轴连接的部分称连杆大头，连接小头与大头的杆部称连杆杆身。

连杆小头多为薄壁圆环形结构，为减少与活塞销之间的磨损，在小头孔内压入薄壁青铜衬套。

在小头和衬套上钻孔或铣槽，以使飞溅的油沫进入润滑衬套与活塞销的配合表面。

连杆杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆身必须要具有足够的刚度。

为此，车用发动机的连杆杆身大都采用Ⅰ形断面，Ⅰ形断面可以在刚度与强度都足够的情况下使质量最小，高强化发动机有采用H形断面的。

有的发动机采用连杆小头喷射机油冷却活塞，须在杆身纵向钻通孔。

为避免应力集中，连杆杆身与小头、大头连接处均采用大圆弧光滑过渡。

为降低发动机的振动，必须把各缸连杆的质量差限制在最小范围内，在工厂装配发动机时，一般都以克为计量单位按连杆的大、小头质量分组，同一台发动机选用同一组连杆。

V型发动机上，其左、右两列的相应气缸共用一个曲柄销，连杆有并列连杆、叉形连杆及主副连杆三种型式。

第2章连杆设计方案

2.1连杆工作原理

连杆机构中的构件有杆状、块状、偏心轮、偏心轴和曲轴等型式。

当构件上两转动副轴线间距较大时，一般做成杆状。

带两个转动副的双副杆结构：

带三个转动副的三副杆结构：

杆状结构的构件应尽量做成直杆。

有时为了避免构件之间的运动干涉，也可将杆状构件做成其他结构。

带三个转动副的三副杆的结构设计较为灵活，与三个转动副的相对位置和构件加工工艺有关，下图为8种典型结构形式：

2.2连杆连杆总体设计

连杆集团连杆身体，连杆大头盖骨，连杆小头布什、连杆大脑袋衬套和杆螺栓（或螺栓）等。

连杆组忍受活塞销的天然气的作用力本身隔活塞组往返惯性力的作用下，这些能力的大小和方向是周期性变化。

所以链接压缩，拉伸等变动荷载作用。

链接必须有足够的疲劳强度和结构刚性。

疲劳强度不足，往往连杆身体和杆螺栓断裂，并且机械全部破坏的重大事故发生。

如果刚性不足，杆身体弯曲变形与连杆大脑袋的失败圆变形，活塞，汽缸，轴承和曲轴销等偏磨。

2.2.1连杆的类型定位

2.2.2连杆的整机结构及选择

连杆组件由连杆轴，连杆盖，小轴套，大轴瓦，螺丝等组成，如上图所示

2.2.3连杆连杆的工作流程

链接的主要损伤的形式是疲劳断裂和过剩变形。

通常疲劳断裂部位连接上的3个区域的高应力。

链接的工作条件链接的高强度和抗疲劳性能；

另外要求很充分的钢性和韧性。

传统的链接的加工过程中其材料通常45钢，40Cr和40MnB等调质钢、硬度高，所以德国汽车企业的新型连杆材料，例如C70S6高碳微合金非调质钢，SPLITASCO系列锻造钢，FRACTIM锻造钢锻钢等S53CV-FS（以上都是德国din标准）。

合金钢非常高强度，对应力集中敏感的。

所以，连杆外形，过度的公亩等必要严格要求，应该注意的表面加工提高质量疲劳强度，否则高强度合金钢的应用预期效果不能达到。

第3章连杆设计

3.1连杆原理

3.2连杆配件设计

连杆盖设计如上图所示

连杆轴套设计如上图所示

第4章有限元分析

4.1有限元简介

4.1.1有限元强度分析简介

数学，有限要素法（FEM，FiniteElement）是一种求解微分方程边值问题近似解的数值技术。

解的时候全体的问题区域分解，各地区简单的部分，这个简单的部分就和有限的。

这是，变分法，误差函数最小值生成稳定解。

类比连接多级微小直线近似日元的思想，有限要素法在内的所有可能的方法很多，这些方法称为有限元的小领域上的简单方程相连，其更大的地域，推定上的复杂的方程式。

那是解域和许多被称为有限元的小的相互连接子区组成，每单元的假设一个合适的（比较简单的）近似解解，然后推导这个地区的总的条件（如结构的平衡条件），其结果问题解。

这是正确理解解，而是近似解，实际问题是比较简单的问题。

大部分的实际问题，正确理解难以得到有限元，计算精度高，它不仅能适应各种复杂形状，有效的手段工程分析。

位移模式选择

有限单元法，选择节点移位作为基本的未知量被称为位移法；

选择节点力作为基本未知量称为力法；

部分节点力和一部分的节点移位作为基本的未知量被称为混合法。

位移法容易实现计算自动化，所以，有限单元法最宽的应用范围位移法。

位移法录用的时候，物体或构造物离散化后，单位总的物理量等的位移，应变应力等节点位的一部分表示。

这个时候单位位移分布收割迫近原函数的近似函数说明。

通常，有限要素法我们位移坐标变量的简单的函数。

这个函数被称为位移模式和位移函数。

分析单元的力学的性质

单元的材料的性质不同，形状，尺寸、节点的数量，位置和意义等标题，单元节点力和节点移位的关系式，组合分析的关键的一步。

这个时候应用弹性力学的几何学的方程式和物理的方程式建立力和位移方程式引导，从而单元刚性矩阵，这是有限要素法的基本步骤之一。

4.1.2有限元模态分析简介

模态分析研究结构动力特性的一种现代方法，系统的辨别方法是工程的振动的领域的应用。

模态机械结构的固有振动特性，每一个模式是特定的固有频率，阻尼比模态振型。

这些模态参数计算和考试从分析，取得的计算和考试分析过程被称为模态分析。

如果这个分析过程有限元计算方法取了，计算模态分析称；

如果考试通过采集系统输入和输出信号参数获得识别模态参数，称为考试模态分析。

通常，模态分析，考试模态分析。

振动模式的弹性的结构的固有的，全体的特性。

模态分析的方法，通过清醒的构造物的容易被影响的频率范围内的各主要模式的特性，那个对应预言结构内外部或内部各种：

的作用下发生的实际的振动响应。

所以，模态分析结构设计及设备故障诊断动态的重要方法。

机械、建筑、航天飞机，船舶、汽车等实际的振动模式各自不同。

模态分析提供了各类振动特性研究的有效途径。

首先，构造物静止状态人为加振，通过测定加振力和响应双通道快速傅立叶变换（FFT）的分析，任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。

模态分析理论考试导纳函数拟合的曲线，认识构造物模态参数，建立从而构造物模态模型。

模态叠加原理，已知的各种载荷时间过程的场合，预言结构物的实际的振动的反应过程和反应谱。

这十几年，计算机技术FFT分析仪，高速数据采集系统和振动传感器，驱动程序等的技术的发展，得到考试模态分析的迅速的发展的影响，机械、电气、建筑、水利、航空、航天等众多产业部门的重视。

已经多种等级，各种原理的模态分析硬件和软件登场。

4.2前处理

打开ansys软件，界面如图所示

点击Geometry功能选项，将其拖入Projectschematic界面，如上图所示

在AnalysisSystems中点击StaticStructural功能选项，将其拖入到Geometry旋向框上面，如图所示，自动生成分析选项界面。

导入模型以后，需要对模型赋予材质。

本结构中，零部件材质设定为结构钢

杨氏模量为2.1e13pa泊松比为0.3

如下图所示，分别对每个零部件进行材料设定

4.3网格划分

区分网格前，用户首先需要对模型中将使用单位设定。

单元的属性主要是：

单元类型，实常数，材料常数。

典型的实常数，厚度，截面，高度，梁的惯性等。

材料的属性包括：

弹性模量、泊松分布，密度，热膨胀系数等。

ANSYS为用户提供了两种网格分割类型：

自由与映射

所谓的“自由”的体现，不特定的标准，单元形状无限制，生成机体不规律，基本上适用于所有的模型。

自由网格生成的内部节点位置比较随意，用户无法控制。

操作方法是打开MeshTool工具栏的自由选择。

用单元形状于是对面是身体依赖网格区分。

对面的自由，只有网格是四角形的组合也尽量三角形单元组成，或两者混合。

身体有自由、网格单元限制四面体。

映射网格区分要求方面和身体的形状，一定规则，且映射面网格只包括三角形的单位和四角形的单位，映射身体网格只包括六面体单元，这就是规则生成单元形状形状，适用规则的脸和身体。

网格映射分，生成单元尺寸依靠，当前DSIZEESIZE，KESIZE，LESIZE和ASIZE设置。

Smartsize不能用于映射网格区分。

使用时硬时，不支持映射网格的区分。

这方面是3或4条线围起来，腋下相等的单元的分割数必须。

如果这方面3条线围成三条方面的单元的分割数等于是偶数，必须要。

对边格数的差别，平等，或网格边数相等，另外的格数的差是偶数，网格区分映射。

如果一个方面比4条线围成，那是直接采用映射网格被分为了，但是，总的线数量的减少4，其中的一些线配合（add）和连接（concatenated，一种区分网格时的操作）。

代替连接操作（concatenation），拾音器方面的3个或四角点面映射网格，分为它简化的方法的两个分映射网格点之间的内部连接线。

为了得到映射网格，必须在一旁指定相等的线的分割数（或定义线的分割数对应的接力方式）。

不需要所有的线指定分割数，只要采用映射网格，分程序线的分割数1根边，一边传达传达给所有的旁边的网格方面）区分

身体映射网格：

为了一个人分割六面体单位，必须满足・了块形状（六面体）、5面体和四方面的体形•对面和定义的单元的分割数必须等于

・如果身体棱柱形和四面的尺寸，三角形方面的单元的分割数是偶数·

相对缘区分的学分，必须等于

导入模型以后如上图所示，打开主界面,对模型进行网格划分，点击mesh功能旋向，右击插入mesh方法，选择sizing，即设定网格大小。

设定整体网格大小为1mm。

点击mesh，软件对模型进行网格划分，划分结果如下图所示：

可以看到最终网格划分效果，以及网格数量，如下图：

如图所示，网格总数量为487658，节点数量为170523

网格质量100

4.4边界条件设定

网格划分完毕需要对整体装置进行边界条件设定，如下图所示，为模型固定条件，即模型中某些零部件进行固定设定。

设定轴承外圈上与小棍接触部分为固定。

即fixedsupport

另外设定约束条件，即受力载荷或者位移载荷

设定与轴承外圈接触的冷碾辊部分以及外部受力打小为2000N

如上图所示

4.5强度分析

点solve，软件对模型进行计算，最终计算结果如下图

图上分别为主应力，位移，应变值。

4.6模态分析

在应力分析的基础上继续对模型进行模态分析，分析结果如下图所示

分别得到模型的六阶振型

连杆轴的一阶振型

连杆轴的二阶振型

连杆轴的三阶振型

连杆轴的四阶振型

连杆轴的五阶振型

连杆轴的六阶振型

结论

一、总结

第一部分，文献资料的搜集与整理。

通过专利网、文献库和老师给的资料，了解了当前主流的几种机车转向架助推器类型。

然后根据文献资料，综合分析每种助推器的优劣，综合比较借鉴，初步确定采用撬棍杠杆式助推方式。

第二部分，确定局部和整体方案。

进一步分析撬棍式助推器的助推方式，及需要哪些相配合的机构，将助推器分为执行系统、系统和驱动系统三部分。

然后先对执行机构进行理论受力分析，分析其位移量。

借此计算出部分齿轮减速的比和需要的电机的转矩，从而确定电机选型，至此部分和驱动部分也同时确定下来。

第四部分，各部件具体机构设计和校核。

根据前面三章的内容，确定执行系统、系统各部件的具体结构尺寸，确定轴上零件的定位和装配方式，最后选择合适的轴承并对各部件进行校核。

二、设计的不足之处

这次的设计还只是阶段性的，助推器的结构还可以进行局部优化，中间的系统也有很多不同的方案可以选择，比如选择齿轮代替链传，

三、个人体会

毕业设计是大学四年期间最后一次正式的机构设计了，可以说是跨出大学校园的最后一步。

需要考察自己大学期间学习的各项专业技能和课程知识，并且要综合运用，对自己也是一次全面的提高。

因为考研的关系，很多时间被占用了，所以毕业设计的时间比较紧，中间过程略显仓促。

刚开始做课题使并没有什么头绪，不知道从哪里下手。

就像无头的苍蝇，这里做一些，那里做一些，其中受力分析就做了很多遍，事实证明这些都是无用功。

后来跟指导老师沟通了很多次，确定下来步骤。

先综合分析助推器的总体结构，分成几部分，比如驱动、、执行部分，这样就有了一个大的方向。

因此，我体会到初步设计必须确定每一部分的工作，由大到小，先分析结构，再对结构的运动和动力性能综合分析，不断的修正、不断的改进，这样才能做出完整的设计。

参考文献

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[2]苍松.动车组转向架虚拟装配技术的研究与应用[D].辽宁：

大连交通大学，2009

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//www.easymover.it/en/pusher.php,5-20/2013-5-20

[4]GregoryJamesNewell.Materialshandlingdeviceandsystem.[P].U.S.PatentNo.7168514B2,Jan.30,2007

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[7]濮良贵，纪名刚，陈国定等.机械设计[M].第八版.北京：

高等教育出版社,2006,5

[8]王昆，何小柏，汪信远.机械设计、机械设计基础课程设计[M].北京：

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[9].黄志新，刘成柱．ANSYSWorkbench14.0超级学习手册

[10].刘鸿文．材料力学

[11].胡小华；

摩托车发动机连杆疲劳可靠性分析及寿命预测,重庆大学硕士论文,2014

[12].王立峰,发动机曲轴连杆机构动力学仿真及疲劳分析,长安大学硕士论文,2010

[13].龚立新，发动机连杆静态与动态特性的有限元分析研究，哈尔滨工程大学硕士论文,2007

致谢

毕业设计也接近尾声了，也意味我在大学的生活就要划上一个句号。

回过头来看看自己做设计的过程，也有很多体会。

助推器的助推方案不断推倒，不断重建。

也让我对专业技能有了更深的了解。

首先，诚挚感谢我的指导老师。

每当我有不懂的问题的时候，老师总是耐心为我解答，而且解答地很详细，让我对下一步的工作有了清晰的认识。

在我没有头绪的时候，老师总是适时地提出自己的建议，循循善诱，给我思考的空间，锻炼了我的专业思维。

老师总是抽出自己的时间来督促我论文的进度，这是很无私的。

在此，向老师表示崇高的谢意！

感谢四年来同学、老师的陪伴，感谢他们为我提出的有益的和宝贵的建议，有了他们的支持和鼓励，才让我度过了四年充实的大学生活。