使用有限元法对四冲程连杆进行了设计和优化
摘要：
每一辆使用内燃机的汽车都需要连杆，连杆的数量取决于发动机的气缸数。它在一个循环中经历108-109个载荷，从燃烧引起的高压缩载荷到惯性引起的高拉伸载荷。因此，连杆的耐久性至关重要。由于这些因素的存在，连杆在生产、材料、性能仿真等方面一直是研究的热点。本研究的主要目的是探索生产锻钢的轻量化，以及铝和钛连杆。这需要进行详细的负载分析。因此，本研究涉及两大课题，一是三种材料的连杆静载荷应力分析，二是锻钢连杆轻量化。在本研究中，首先利用CATIA建立了合适的三维几何模型。然后将该模型导入hypermesh有限元预处理器，该预处理器为分析产品设计性能提供了一个高度交互性和可视化的环境，并建立了有限元模型。利用ANSYS 11.0有限元分析软件，在给定的加载条件下，对现有连杆进行了应力分析。采用拓扑优化技术来实现连杆的减重优化目标。
关键词:连杆;轻量化;应力分析;
1.介绍
连杆是内燃机承受静、动态载荷的关键部件之一。连杆的优化早在几年前就已经开始了。然而，每天消费者都在从最好的产品中寻找最好的。这就是为什么优化对汽车工业特别重要。零件的优化是为了缩短生产时间，生产出更强、更轻、总成本更低的产品。考虑到连杆的设计和重量对汽车性能的影响。因此，它影响到汽车制造的质量。优化过程中考虑的减重结构因素包括屈曲荷载因子、荷载作用下的应力、抗弯刚度和轴向刚度。如果该组件可以提供更高的强度，有效的设计使材料更轻，将创造一个重大的成功，在汽车和制造业。连杆优化的好处最终会回到消费者本身。其中的主要目标是提高发动机性能，并加强产品，以确保人类的安全。防止连杆因承载能力不足而失效。通过最大限度地提高连杆的强度，延长连杆的使用寿命。在这个过程中会应用和产生大量的研究成果。
命名：
t：腹板和法兰的厚度
：直流直径与曲柄销的
：活塞销的直径
2. 文献综述
K.Sudersha，N.Kumar等人描述了连杆的建模和分析。在他的项目中，碳钢连杆被铝碳化硼连杆所取代。研究发现，碳化硼铝的安全生产工厂与理论安全生产工厂比较接近，刚度提高48.55%，应力降低10.35%。Vivek. Pathade等人,他处理连杆的应力分析有限元法软件使用pro-e 4.0和ANSYS workbench11.0得出的应力说明在连杆小端产生的应力大于连杆大头一端产生的应力,因此连杆的失效的几率可能由于两端的应力分布情况。PushpeNdra Kumar Sharma等使用该软件对连杆进行静态有限元分析，并表示优化是为了减轻重量。将锻钢连杆的材料改为可开裂锻钢(C70)，可以减轻其重量。该软件给出了整个连杆的应力分布情况，给出了在制造过程中哪些零件需要硬化或注意的信息。Ram bansal[4]等人用有限元法对铝合金连杆进行了动态仿真。在此分析中，对连杆进行静载荷下的应力分析和优化。采用静载荷分析方法，确定了连杆的内应力：冯-米塞斯应力。
3连杆设计
连杆的重要任务是把活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。它由上下叉节组成，上叉节安装在十字头轴承上，下叉节安装在曲柄销轴承上。在对内燃机连杆进行分析时，考虑了关键区域，并据此建立了连杆模型。发动机和连杆的不同尺寸如下:
3.1发动机配置
连杆长度=140mm
活塞直径=88mm
曲柄半径=48.5mm
行程长度=97mm
发动机转速=1800转/分
3.2自选参数的标准比例
截面宽度B=4t
截面深度，H=5t最大气体压力=3.6MPa
大端轴承压力=7MPa
小端轴承压力=14MPa
螺栓的许用应力=60MPa
螺栓帽内许用应力=80MPa
截面面积A=11tsup2;
大端附近剖面深度=1.1H ~ 1.25H
小端附近剖面深度=0.75 ~ 0.9H
关于x轴的转动惯量Ixx=34.91
y轴转动惯量Iyy=10.91
因此Ixx/Iyy=3.2
截面绕x轴的回转半径=1.78t
曲柄销长度=1.25dc ~ 1.5dc
活塞销长度=1.5dp ~ 2dp 3.3 I型腔尺寸
力作用在活塞由于气体压力,F==21895.64 N
考虑安全系数F=131373.864 N
截面绕x轴旋转半径Kxx=radic;(419*(1/12)times;11tsup2;)=1.78t
曲柄半径= 97/2= 48.5mm
兰金公式,(sigma;ctimes;A)/(1 (L/Kxx)2)=131373.864=
11tsup2;/(1 (6.076/t) sup2;)=gt;t=6.52mm
断面宽度，B=4t=4times;7=28mm断面高度，H=5t=5times;7=35mm dc=49.05设为49mm
lc=1.3dc=1.3times;49=63.7，设64毫米
因此，将活塞销或小端轴承上的载荷与最大气体力相等，
30(dp)sup2;=21895.644N dp =27.96设28 mm
lp=2dp=2times;29=58 mm
3.4最大拉力
连杆质量m =体积times;长度times;密度=0.435kg
最大弯矩=mtimes;omega;sup2;rtimes;(l/9radic;3)=6732.216N*mm
截面模量=Ixx/(5t/2)=419times;64times;2/(12times;5times;7)= 2585.8mmsup3;
由惯性力引起的最大弯曲应力= Mmax/Zxx=2.6N/mmsup2;
最大拉伸力=mRtimes;omega;sup2;times;Rtimes;(1 r/l)=2177.85 N
4. 有限元分析
有限元分析的目的是研究连杆所承受的应力和问题区域。从应力等值线可以得到应力状态和应力集中因子，从而用于寿命预测。有限元分析选择锻造钢连杆，因为该连杆也用于优化。采用线性弹性分析方法，设计了以弹性参数为主的长寿命连杆。因此材料性能如表1所示:
Table1: 材料属性
|
材料属性 |
种类 |
|||
|
锻钢 |
铝合金 |
钛合金 |
||
|
1. |
杨氏模量(E) |
200GPa |
70GPa |
116GPa |
|
2. |
密度 |
7850Kg/m3 |
2700Kg/m3 |
4506Kg/m3 |
|
3. |
泊松比 |
0.3 |
0.33 |
0.34 |
根据连杆的尺寸，在CATIA中创建连杆模型，如图1所示
图1：连杆的CATIA模型
4.1采用Hypermesh进行网格化建模
图2为连杆在超网格中的网格模型。实体网格采用四面体单元。生成的元素总数为43367，节点总数为67038。
图2:连杆在超网格中的网格模型
4.2利用ANSYS对连杆进行分析
静力分析用于确定结构或构件在不包含显著惯性和阻尼效应的荷载作用下的位移应力、应变和力。假定在响应条件下加载稳定。在静力分析中可施加的载荷包括外力和压力、稳态惯性力，如重力或施加的有理性速度(非零)位移。静态分析可以是线性的，也可以是非线性的。在我们目前的工作中，我们考虑线性静力分析。
图3:连杆的加载条件
图3为小端施加14MPa模型载荷，大端施加7MPa模型载荷。在连杆的小端施加2177.8N的拉力。
4.3锻造钢的ANSYS分析结果
图4为给定加载条件下锻钢连杆的冯-米塞斯应力分布。最大值为63.55 MPa，最小值为0.016456 MPa。
图4:锻钢的冯米塞斯应力
图5为给定加载条件下锻造钢连杆的最大剪应力分布。最大值为36.378 MPa，最小值为0.009479 MPa。
图5:锻造钢的剪应力
5. 锻钢结构分析结果
下表2为给定加载条件下锻钢连杆结构分析结果的最大值和最小值。
Table2: 锻钢连杆结构分析结果
|
S.NO. |
参数 |
最大值 |
最小值 |
|
1 |
米塞斯 压力 (MPa) |
63.55 |
0.016456 |
|
2 |
最大主应力 (MPa) |
80.755 |
-5.7004 |
|
3 |
最大剪切应力(MPa) |
36.378 |
0.009479 |
5.1铝的结构分析结果
对于给定的铝连杆加载条件，结构分析结果的最大值和最小值见下表3
Table3: 铝连杆结构分析结果
|
S.NO. |
参数 |
最大值 |
最小值 |
|
1 |
米塞斯 压力 (MPa) |
64.393 |
0.016354 |
|
2 |
最大主应力(MPa) |
83.753 |
-6.6041 |
|
3 |
最大剪切应力(MPa) |
36.963 |
0.0090943 |
5.2钛的结构分析结果
下表4为给定加载条件下钛连杆结构分析结果的最大值和最小值。
Table4: 钛连杆结构分析结果
|
S.NO. |
参数 |
最大值 |
最小值 |
|
1 |
米塞斯压力 (MPa) |
64.701 |
0.03184 |
|
2 |
最大主应力(MPa) |
84.821 |
-6.9241 |
|
3 |
最大剪切应力(MPa) |
37.17 |
0.017834 |
6.不同材料的比较
比较了不同材料制作的连杆在给定加载条件下的结构分析结果。图6为钢、铝和钛在一定加载条件下的冯-米塞斯应力行为对比，发现钢中冯-米塞斯应力较小，铝中冯-米塞斯应力适中，钛中冯-米塞斯应力较高。
图6:冯-米塞斯应力相对材料的变化
7. 有限元模型优化
优化任务的目标是在最大、最小、等效应力幅值均在许用应力范围内的峰值压缩气体载荷两种极端载荷作用下，使连杆的质量达到最小。气体峰值载荷下的屈曲载荷因子必须是允许的。从数学上讲，优化语句如下:
目的:最小化质量和成本x压缩负荷=峰值压缩气体负荷。x最大应力lt;许用应力。x侧约束(组件尺寸)。
从图7可以看出，优化后的结构钢连杆初始质量为539克，优化后的结构钢连杆初始质量为482克，如图8所示。
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