基于SolidWorks和ansys Workbench的连杆设计与有限元分析
Debayan Das 1, Saurav Rajgadia2, Anush Karki3, Ankit Basnet4,Pawan Jaiswal5, Rakesh Jaiswal6, Anupam Raj Jha7,Rabindra Nath Barman8
摘要：连杆是往复式内燃机（IC）的关键部件机。它是活塞和曲轴之间的中间连接。它的主要作用是将活塞的推力或拉力传递给曲轴，从而将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。连杆是内燃机的关键部件，具有重量轻，刚性好的特点。本文介绍了连杆的设计和关于它的有限元分析。这里连杆使用SolidWorks12.0建模和ANSYS 14.5进行分析，使用的V 250型号马氏体时效钢。本文的目的是用ANSYS有限元分析的方法来确定连杆的应力应变和变形。看应力和变形值在大端和小端相比起来哪个更大。
关键词：连杆，SolidWorks，ANSYS，有限元 ，元素分析（FEA）
1.介绍
连杆是连接活塞和曲轴的机械连接。它也被称为连杆。连杆的基本功能是将活塞来自于于气体的压力传递到曲轴上，使活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。通过将曲柄销的润滑油传递到活塞销上，来为活塞装配提供飞溅或喷射润滑油。连杆由一个用来容纳活塞销小端的孔和安装曲柄销的大端开口以及两端之间的长柄两部分组成。
由于连杆的小头连接在活塞销上，所以它经历的是纯粹的往复运动，因为连接曲柄销的大端经历纯旋转运动，并且只有连杆的柄经历了旋转和往复这两种运动。因此，往复运动部件的质量被认为是连杆总质量的三分之一。即往复质量的连杆质量= 33%的总质量。
图1.连杆的3D模型
连杆是一个在内燃机复杂载荷下应该被着重强调的部分。当发动机处于运转状态时，它受到轴向和弯曲应力。有各种力量和因素，比如由于气体活塞压力，由于往复运动件的惯性力，由于活塞环、活塞、活塞销轴承和曲柄销轴承之间的摩擦力、离心力和由于偏心率带来的反常影响[1]。
“抛杆”、连杆失效是造成发动机损坏的主要原因。已破碎的杆穿过曲轴箱侧将使发动机破坏并无法恢复。它可能是由于连杆附近的物理缺陷引起的疲劳损坏、轴承维修中的润滑故障或缺陷螺栓的损坏、不适当的拧紧或重复地用了已使用的螺栓引起的[2]。
1.1材料及其性能
连杆通常用模锻、铸造或粉末冶金制造。常用的材料为连杆碳钢、合金钢、铸铁、铝合金（t6-2024，t651-7075）和钛合金。由铝制成的连杆重量更轻，可以承受高的冲击，耐久性好，综合考虑轻和强度负担能力的组合而使用钛制成的连杆。
250级马氏体时效钢具有超高的强度、良好的韧性和非常好的的横向性能而被广泛应用于汽车工业。它的强度不是来自碳，而是来自金属间化合物的沉淀。把第二合金元素，如钴（co），锰（Mn）和钛（Ti）添加到镍，以产生金属间的沉淀物。铬的加入使不锈钢具有抗腐蚀的性能[3]。
由于低碳马氏体时效钢具有良好的可加工性，它可以冷轧至90%不开裂。钛提供了良好的可焊接性。高合金含量的马氏体时效钢具有较高的淬透性。
图2.曲柄滑块机构
来源：从互联网搜索
图3.连杆断裂
来源：互联网搜索
2.目的
问题的目的是使用SolidWorks 12完成v250级马氏体时效钢连杆的设计，并进行了有限元分析（FEA）在ANSYS 14.5制备的模型，并确定冯氏等效应力和应变值。
3.连杆设计
如果连杆是 这样设计的，那么它在任何一个平面上都有同样的抗屈曲能力，
图4连杆典型截面图
4Iyy=Ixx
I=横截面转动惯量
替代（I=AK2）,
4K2yy=K2xx
K2yy=K2xx
横截面的回转半径（mm）
图4.展示典型的比例为内燃机连杆的截面。对于这个横截面，
A=2(4ttimes;r) (5t-2t)times;t=8t2 3t2=11t2 (2)
A=横截面面积（mm）
Ixx=3-(4t-t)(5t-2t)3=（500t4-81t4）=()t4 (3)
同理
K2xx==(419/12)t4(1/11t 2 )=3.17t 2 K2xx =3.17t 2
Kxx=1.78t
重复
Iyy=() t 2 (4)
K2yy==0.992t2
K2yy=0.996t
因此从公式3和4可以得出:==3.2 (5)
3.2Iyy=Ixx
[注：i gt; 4iyy，屈曲发生y轴;i＜4iyy时，屈曲发生在X轴。在实践中，i保持小于4iyy。通常为3到3.5 ]
从方程（5）中可以看出，连杆的I型截面的比例是令人满意的。
3.1 压力计算
雅马哈R15 150cc发动机型号规格： 水冷 四冲程
缸径 (mm) = 57 x 58.7
排量=149.8CC
最大功率 = 16.8 bhp - - 8500rpm
最大转矩 = 15 Nm - -7500rpm
压缩比 = 10.4/1
汽油密度 (C8H18) = 737.22 kg/m3 =737.33 kg/mm3
温度 = 60°F = 288.855° K
每注汽油质量(M) = 密度times;体积 =737.33 times; 149.8 =0.11 kg
汽油的分子量 (Mw) = 114.228 g/mol
气体方程，
Pgas*V =M*T* Rpetrol
Rpetrol=R/MW= 8.3143/ (114.228*10-3) =72.78
Pgas=0.11times;72.786times;288.85/149.8E3 =15.5MPa
3.2设计计算
截面的法兰和腹板厚度=t
宽度B的部分=4t
工字形的标准尺寸
截面高度，H = 5t
A部分面积=11t2
连杆长度（l）＝冲程的2倍=117.4mm
最大气体压力=pi;/4times;572times;15.5=39552.56N (6)
弯曲载荷 WB = 最大气体压力 times; F.O.S
Wb=ϭtimes;A/[1 (L/Kxx)2]=158209.04N (7)
sigma;c= 压缩屈服应力 = 1660 MPa Kxx = 1.78t
a=sigma; c/pi;2 E=0.0002
通过替换 sigma; c, Kxx, A, a, L, 在方程 (7), 我们能够得到
18260t4-158209.04t2-137644 = 0
t2 = 9.46 mm
t = 3.0798mm asymp;3.1mm
部分的宽度 B= 4t= 4times;3.1 = 12.4mm
部分的宽度, H = 5t= 5times;3.1 = 15.5mm
横截面面积, A=11t2= 11times;3.1times;3.1 =105.71mm2
大头的高度 (曲轴端), H2 = (1.1 to 1.25) H H2 = 17.05mm
小头的高度 (活塞端), H1= (0.75 to 0.9) H H1 = 11.625mm
冲程长度h (l) = 117.4mm 活塞直径 (D) = 57mm
Pgas = 15.5N/mm2
曲柄半径(r) = 行程长度 /2= 58.7/2 =29.35mm
活塞因压力而产生的最大力 F1=pi;/4times;D2 times;P= pi;/4times;572times;15.5=39553.26N
最大角速度
连杆长度与曲柄半径之比
N=l/r=117.4/29.35=3.8
往复运动部件的最大惯性力Fim = Mr (Wmax)2 r
或者
Fim =Mr (Wmax)2 r (1 1/n )
=0.11 times; (890.11)2 times; (0.0293) times; (1 1/4）
Fim =3191.96N
]^
小端内径_` a =39.77 mm
小端轴承压力设计Pb1=12.5 to 15.4 N/mm2
活塞销长度 L1= (1.5to 2) d1
小端外径= d1 2tb 2tm=39.77 (2times;2) (2times;5) =53.77 mm
衬套厚度 (tb) =2 to 5 mm
边缘厚度 (tm) =5 to 15 mm
]
大端内径d2 =50.11 mm
大端轴承压力设计Pb2=10.8-12.6N/mm2
曲柄销长度=（1.0到1.25）d2
螺栓根部的直径=5.98mm
大端外圆直径=d2 2tb 2db 2tm=50.11 2times;2 2times;5.98 2times;5=76.07
衬套厚度 (tb) =2 to 5 mm
边缘厚度 (tm) =5 to 15 mm
螺栓最小直径[db]=1.2times;螺栓根部最小直径=1.2times;5.98=8.97mm
图5.连杆的草图（1：2的比例）
3.3 连杆的规格
表格3.3.1
|
序号 |
参数(mm) |
|
1 |
连杆厚度（t）=3.1 |
|
2 |
截面宽度 (B=4t) =12.4 |
|
3 |
截面宽度 (H=5t) =15.5 |
|
4 |
大端高度 (H=1.11到125 ) H=17.05 lt;全文共9748字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[10866]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
