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發(fā)動(dòng)機連桿的強度分析與結構優(yōu)化

時(shí)間:2017-12-16 16:00 所屬行業(yè):發(fā)動(dòng)機、連桿、結構優(yōu)化、有限元分析

結構優(yōu)化
    連桿是內燃機中重要的傳動(dòng)零件之一,在工作中承受各種復雜的和周期性變化載荷,若其強度不夠,很容易引起疲勞破壞而斷裂,導致發(fā)動(dòng)機故障,造成極嚴重的后果。作為一種有效的分析方法,有限元分析在連桿的設計過(guò)程中己經(jīng)得到了廣泛應用。
    隨著(zhù)我國農業(yè)機械化的迅速發(fā)展,農業(yè)機械的應用越來(lái)越廣泛,而單缸發(fā)動(dòng)機是我國農業(yè)機械的主要機型,其中1100型單缸柴油機是主要機型之一。本文運用ANSYS軟件對1100型柴油機的連桿進(jìn)行了有限元分析,得到連桿的應力分布、安全系數和疲勞壽命的情況,并根據分析結果進(jìn)行了優(yōu)化設計,為此連桿的可靠性設計提供了依據。
1、建立模型
    連桿材料為45號優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼,建立準確和可靠的計算模型是應用有限元法進(jìn)行分析的重要步驟之一。對連桿的大頭端做了簡(jiǎn)化處理,不考慮連桿軸瓦、襯套和螺栓的預緊力,把連桿體和連桿蓋作為一個(gè)整體造型。對一些影響連桿強度極微的小倒角和小圓角做了簡(jiǎn)化處理。
2、載荷施加
    連桿在工作時(shí)所承受的周期性變化的外力主要由兩部分組成:一是經(jīng)活塞頂部傳來(lái)的燃氣爆發(fā)壓力,對連桿起壓縮作用;二是活塞連桿組高速運動(dòng)產(chǎn)生的慣性力,對連桿起拉伸作用。故在分析時(shí),主要考慮連桿的最大燃氣壓力、活塞組件的慣性力和連桿組件的慣性力。
2.1、氣體作用力
    氣體作用力是由于燃氣爆發(fā)產(chǎn)生的氣體壓力直接作用在活塞上,活塞通過(guò)活塞銷(xiāo)把作用力傳遞到連桿小頭。
2.2、活塞組件的往復慣性力
    活塞組件的所有零件包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷(xiāo)和活塞銷(xiāo)片環(huán);钊M件的質(zhì)量m}即為所有組件的質(zhì)量之和;钊M件的往復慣性力作用在活塞銷(xiāo)上,并通過(guò)活塞銷(xiāo)作用在連桿上。
2.3、連桿的慣性力
    連桿組包括連桿體、大頭蓋、連桿軸瓦、連桿螺栓和連桿襯套。連桿組的質(zhì)量由這些部分組成。為了簡(jiǎn)化計算,通常把作復雜平面運動(dòng)的連桿質(zhì)量分為兩部分:一部分集中在連桿小頭質(zhì)量為m,把其看作只與活塞一起做往復運動(dòng);另一部分集中在連桿大頭質(zhì)量為mz,把其看作只與曲柄一起做旋轉運動(dòng)。因此,連桿的慣性力包括小頭部分的往復慣性力和大頭部分的旋轉慣性力。
    對連桿的分析包括兩種工況,即最大拉伸工況和最大壓縮工況。載荷的作用力方向通過(guò)大小頭孔中心的連線(xiàn),并且作用在連桿大小頭孔的內表面,沿軸線(xiàn)方向按二次拋物線(xiàn)分布,沿徑向呈余弦分布。在最大拉伸工況下,連桿小頭孔載荷沿小頭孔圓周方向在120°范圍內按余弦分布,連桿大頭孔載荷沿大頭孔圓周方向在180°范圍內按余弦分布;在最大壓縮工況下,連桿大小頭孔的載荷均沿孔的圓周方向在180°范圍內按余弦分布。
3、連桿的結構優(yōu)化
    由于整個(gè)連桿的安全系數為1.24,數值較設計值富裕量較少,為了提高連桿的整體性能,對連桿進(jìn)行了優(yōu)化設計。由前面的分析結果可知,連桿的小頭與桿身的過(guò)渡位置及靠近連桿大頭的工字型截面內為主要應力的集中部位,需要對這兩個(gè)位置進(jìn)行結構尺寸改進(jìn),主要改進(jìn)位置有3處,即連桿小頭與桿身的過(guò)渡圓角D、靠近連桿大頭工字型截面內的倒角Dz以及邊倒角D3。結構優(yōu)化方案與優(yōu)化后的分析計算可知:方案1的結構相對于優(yōu)化前的最大拉應力減小了很多,但最大壓應力幾乎保持不變,疲勞壽命有很大的增加;在方案2中,隨著(zhù)3個(gè)倒圓角尺寸的增大,最大壓應力迅速降低,疲勞壽命有所增加,在第3種方案中,當圓角尺寸繼續增加的時(shí)候,最大拉應力及最大壓應力相對于方案2已基本不變,且其安全系數與第2種方案相同,都為1.350。
    根據優(yōu)化分析的目標(即通過(guò)連桿的最優(yōu)化設計),遵守質(zhì)量最輕、應力應變最小和疲勞壽命最大的原則,對3種方案綜合考慮,認為方案2為最優(yōu)化方案。其原因是方案2中的應力值相對于優(yōu)化前的應力值己經(jīng)減少很大,而疲勞壽命值也有顯著(zhù)增加。在方案3中,雖然疲勞壽命有所增加,但其修改的結構尺寸與原尺寸己有很大出入,結構形狀已發(fā)生了很大的改變。因此,認為方案2是最優(yōu)方案。

                                                                                 專(zhuān)業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
                                                                                                                                                        杭州那泰科技有限公司
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