畢業(yè)論文--基于有限元連桿受力分析

1、<p>　　機械工程學院畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　題 目： 基于有限元連桿受力分析 </p><p>　　專 業(yè)： 車輛工程 </p><p><b>　　目錄</b></p>

2、;<p><b>　　1引言1</b></p><p>　　1.1.論文研究目的、現狀及意義2</p><p>　　1.1.1論文研究的目的和意義2</p><p>　　1.1.2 發(fā)動機連桿研究現狀2</p><p>　　1.1.3 論文研究的意義2</p><p>　　

3、1.2 論文研究主要內容2</p><p>　　1.3 發(fā)動機連桿運動分析3</p><p>　　1.4 發(fā)動機連桿的三維模型建立3</p><p>　　2基于ANSYS發(fā)動機連桿的有限元分析4</p><p>　　2.1 ANSYS的簡介5</p><p>　　2.2汽車連桿的三維實體建模6</p&

4、gt;<p>　　2.2.1 連桿桿身以及小頭結構的三維實體建模6</p><p>　　2.2.2 連桿大頭結構的三維實體建模6</p><p>　　2.2.3 機體組子結構的三維實體的建模7</p><p>　　3連桿ANSYS有限元分析8</p><p>　　3.1 啟動ANSYS8</p><

5、p>　　3.2 導入連桿組建到ANSYS8</p><p>　　3.3 進行網格的添加9</p><p>　　3.4載荷的施加11</p><p>　　3.5 求結果操作13</p><p>　　3.6 改進辦法18</p><p><b>　　小結18</b></p>

6、;<p><b>　　致謝19</b></p><p><b>　　參考文獻20</b></p><p>　　基于汽車連桿的有限元分析</p><p>　　摘要：目前連桿的計算強度都是采取有限元分析的方法進行的。本文將對捷達EA113汽油發(fā)動機連桿作為研究對象，模擬汽車發(fā)動機的工作情況，推算出連桿在汽車發(fā)

7、動機工作時，可能會出現的最大載荷，并模擬于Ansys有限元分析軟件，對其進行合理的力學分析。并借助Pro/Engineer軟件對其進行了繪圖。同時，通過對連桿進行有限元的分析，我們可以更清楚的了解到連桿在工作的過程中可能會出現的斷裂等危險情況。所以，為了提高連桿的強度和剛度，我們不能簡單的依靠增大尺寸。因為連桿的重量的增加也會導致其慣性力的增大，所以我們設計的總體要求就是在減輕結構的條件下提高足夠的剛度和強度！利用Ansys軟件的Mec

8、hanical APDL模塊進行有限元分析得出相關的力學數據。 </p><p>　　關鍵字：汽油機發(fā)動機連桿、運動學、有限元分析、Ansys Mechanism</p><p><b>　　1引言</b></p><p>　　近半個世紀來，隨著計算機技術的快速發(fā)展以及其廣泛的應用和有線元理論的不斷完善，出現了許多的有限元軟件。例如ANSYS,

9、ALGOR等等。</p><p>　　ANSYS作為一款大型的有限元分析軟件，在各個領域得到了充分的應用，能夠進行結構﹑熱﹑流體﹑電磁以及人體力學等方面有諸多的應用。而Pro/ENGINEER﹑CATIA等三維軟件則廣泛的應用在機械制造﹑汽車﹑船舶﹑土木工程﹑鐵路等領域。ANSYS是第一個通過IOS9001質量認證的大型有限元分析軟件，是美國機械工程師協會的標準分析軟件也是近20種專業(yè)技術協會認證的標準分析軟件。

10、 [1]</p><p>　　1.1.論文研究目的、現狀及意義</p><p>　　1.1.1論文研究的目的和意義</p><p>　　連桿機構作為發(fā)動機動力推進系統的重要組成部分，了解其運動學和動力學特性，有利于更深刻的認識發(fā)動機的工作過程、同時也可以在減輕連桿質量的同時提高其剛度和強度。設計合理的結構和尺寸，所以我們需要用其ANSYS有限元分析的軟件對其進行生產

11、前的分析，使我們設計的產品更加的合理可靠。</p><p>　　1.1.2 發(fā)動機連桿研究現狀</p><p>　　連桿在汽車的運動的過程中將活塞上所受到的力傳遞給曲軸變成轉矩，維持發(fā)動機不斷的工作。目前，我國的發(fā)動機連桿的制造技術與國外相差不大，但是我國在連桿的高強度，低重量的方面與國外還有較大的差距。</p><p>　　1.1.3 論文研究的意義</p&

12、gt;<p>　　伴隨近年來計算機技術的飛速發(fā)展，大內存、高處理速度計算機的普及， 計算機建模軟件功能也日益完善和強大，使得建立復雜三維實體模型、基于三維有限元模型進行有限元分析成為可能，為整個產品的制造縮短了其制造的時間和成本。通過有限元軟件的分析，使我們需要進行的數學分析大為簡化。</p><p>　　因此，在先進的計算機軟、硬件技術成熟的條件下，跟隨時代的發(fā)展，適時的將它們應用于發(fā)動機的研究，

13、既具有現實意義，且符合時代發(fā)展趨勢。</p><p>　　1.2 論文研究主要內容</p><p>　　本文以捷達EA113發(fā)動機連桿為研究對象，借助主流軟件Pro/ENGINEER對其進行了三維建模，并在建模之后利用ANSYS軟件對其進行了有限元分析。具體工作如下：</p><p>　　(1) 利用軟件Pro/ENGINEER建立連桿的三維模型，包括連桿的大頭，桿

14、身和連桿小頭結構等，全面深入地了解發(fā)動機連桿的結構特點并以此為基礎完成發(fā)動機連桿的有限元分析；</p><p>　　(2) 利用ANSYS軟件對發(fā)動機連桿進行力學分析，并錄制視頻動畫有效觀察，同時對有限元分析的結果進行自己的分析。</p><p>　　1.3 發(fā)動機連桿運動分析</p><p>　　發(fā)動機的連桿是發(fā)動機的重要機構，它包括連桿大頭、桿身、連桿小頭等組成

15、，與活塞和曲柄一起做往復運動。其具體的參數有：連桿桿長L，連桿小頭的孔徑d和寬度b,連桿大有孔徑D和寬度B。圖1-1所示即為其運動分析示意圖。[2]</p><p>　　圖1-1 發(fā)動機連桿運動分析示意圖</p><p>　　1.4 發(fā)動機連桿的三維模型建立</p><p>　　本論文以捷達EA113汽油發(fā)動機的連桿作為分析對象,其具體參數如表1-4-1所示（單位m

16、m）：</p><p>　　表1-4-1 發(fā)動機連桿參數表</p><p><b>　　圖1連桿結構式意圖</b></p><p>　　2基于ANSYS發(fā)動機連桿的有限元分析</p><p>　　對于汽車連桿的有限元分析我們是利用ANSYS軟件來分析的。其具體的分析過程有以下幾步：</p><p>

17、;<b>　　1、網格的劃分</b></p><p>　　ANSYS提供了使用便捷，高質量的對三維模型進行了網格劃分功能，包括延生劃分，映像劃分，自由劃分和自適應劃分4種網格劃分的方法。網格的劃分就相當于我們對模型的簡化和獨立的分析，利用數學的微元思想對劃分的網格進行受力分析。同時ANSYS提供了如下的分析類型：結構靜力分析，結構動力學分析，結構非線性分析，動力學分析，熱分析，電磁場分析，流

18、體動力學分析，聲場分析，壓電分析。這里我們使用的是結構靜力學分析。</p><p><b>　　2、加載</b></p><p>　　在ANSYS中的加載方式有兩種，一種是直接在有限元分析的模型上加載，另一種是在實體模型上加載。我們是在實體模型上加載的，因為實體加載操作更方便。有連桿的動力學分析可知，當連桿運動到上止點時，此時連桿受到的氣體作用力和慣性力達到最大值，故

19、我們只對此時連桿進行有限元分析，對于連桿的小頭的內圓的下半部分進行載荷的施加。</p><p><b>　　3、求解</b></p><p>　　我們用過前面的兩個步驟就可以對連桿進行受力的求解，得到我們需要的結果。</p><p><b>　　4、后處理</b></p><p>　　有限元方法分析

20、問題得到的是數值結果，要想從這些數值中總結出各種場量的變化規(guī)律，并不容易，工作量非常大。則有限元分析軟件的突出優(yōu)勢就是后處理部分，將分析有效快捷的呈遞給用戶。但是ANSYS的后處理僅是用于檢查分析結果工具。仍然需要工程能力來分析處理的結果。</p><p>　　2.1 ANSYS的簡介</p><p>　　ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍

21、內增長最快的計算機輔助工程（CAE）軟件，能與多數計算機輔助設計（CAD，computer Aided design）軟件接口，實現數據的共享和交換，如Creo, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等。是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元軟件。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日

22、用家電等領域有著廣泛的應用。ANSYS功能強大，操作簡單方便，現在已成為國際最流行的有限元分析軟件，在歷年的FEA評比中都名列第一。目前，中國100多所理工院校采用ANSYS軟件進行有限元分析或者作為標準教學軟件。</p><p>　　1．ANSYS的基本模塊功能：</p><p>　　@ANSYS MultiphysicsTM產品功能 </p><

23、p>　　@結構分析功能 </p><p><b>　　@線性</b></p><p><b>　　@非線性</b></p><p><b>　　@一幾何非線性</b></p><p>&l

24、t;b>　　@一材料非線性</b></p><p><b>　　@一單元非線性</b></p><p><b>　　@一接觸非線性</b></p><p><b>　　@靜力分析</b></p><p><b>　　@動力分析</b>&l

25、t;/p><p><b>　　@一瞬態(tài)動力</b></p><p>　　2.2汽車連桿的三維實體建模</p><p>　　本文采用三維軟件Pro/E，對發(fā)動機的連桿部件進行三維實體建模，并進行裝配，最終進行有限元分析。</p><p>　　2.2.1 連桿桿身以及小頭結構的三維實體建模</p><p>

26、;　　我們利用三維軟件Pro/E對發(fā)動機的連桿桿身以及連桿小頭進行三維建模，由于連桿小頭與活塞相連，直接受到活塞壓力的作用，所以其強度和剛度必須能滿足使用條件。其具體模型如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1連桿桿身以及大頭結構</p><p>　　利用Pro/E對連桿桿身以及連桿大頭的建模我們需要注意其圓倒角和曲面的處理，利于美觀。</p><p>　　2

27、.2.2 連桿大頭結構的三維實體建模</p><p>　　連桿軸承安裝在連桿的大頭孔中，與曲柄上的連桿軸頸裝合在一起，是發(fā)動機中最重要的配合副之一。為了在較小的重量下得到較大的剛度，高速內燃機的截面都是由小到大逐漸增大的。連桿大頭一般是與桿身軸線相垂直的。斜的切口也有利于減小螺釘承受的拉伸負荷。[6]</p><p>　　其具體模型如圖2-2所示。</p><p>

28、　　圖2-2 連桿大頭結構</p><p>　　2.2.3 機體結構的三維實體的建模</p><p>　　機體結構有連桿大頭、桿身、小頭組成。并將我們組建好的模型保存成IGES格式。我們利用軟件建模簡化后的結構如下圖2-3-1和圖2-3-2所示：</p><p>　　圖2-3-2連桿結構</p><p>　　3連桿ANSYS有限元分析<

29、/p><p>　　3.1 啟動ANSYS</p><p>　　點擊桌面按鈕，啟動ANSYS12.0，進入ANSYS主界面。如圖3-1-1所示：</p><p>　　圖3-1-1 ANSYS主頁面</p><p>　　3.2 導入連桿組建到ANSYS</p><p>　　單擊ANSYS主頁面菜單，再點擊子菜單的import按

30、鈕，點擊IGES添加我們做好的組建，其效果組件如圖3-2-1所示。</p><p>　　圖3-2-1 導入ANSYS效果圖</p><p>　　3.3 進行網格的添加</p><p>　　單擊主菜單的按鈕，再點擊子菜單下的按鈕，之后點擊就會出現如下的對話框</p><p>　　然后點擊Add按鈕，并在彈出的對話框中選擇Solid，找到Bri

31、ck 8node 45進行網格劃分的添加。如圖3-3-1的選擇：</p><p><b>　　圖3-3-1 </b></p><p>　　之后我們進行材料的密度.楊氏模量和泊松比的設置，我們連桿的材料為中碳結構鋼45鍛模，密度為7800，楊氏模量為30e6,泊松比0.3.(彈性模量和泊松比都是材料的固有彈性常數) [3]</p><p>　　設

32、置具體方法為：點擊按鈕，在點擊按鈕，之后會出現如圖3-3-2和圖3-3-3對話框：</p><p><b>　　圖3-3-2對話框</b></p><p><b>　　圖3-3-3對話框</b></p><p>　　最后我們進行網格劃分的最后一步，在進行上述兩個關鍵的步驟之后我們，點擊按鈕，在點擊子菜單的按鈕，之后會出現對

33、話框。我們繼續(xù)選擇Mesh按鈕。在選擇我們導入的實體會出現如圖3-3-4的效果圖：</p><p><b>　　圖3-3-4對話框</b></p><p>　　其網格劃分效果圖3-3-5和圖3-3-6所示：</p><p><b>　　圖3-3-5網格圖</b></p><p>　　圖3-3-6網格

34、效果圖</p><p><b>　　3.4載荷的施加</b></p><p>　　載荷的施加非常重要，載荷的施加正確與否，將會影響我們后面的求解過程，在之前我們我們已經求出當活塞處于上止點時，連桿所受到的力最大，所以我們只需要施加此時的載荷即可。由于在此時，連桿小頭受力的主要是其內圓的下半部分，所以我們在此半圓面上施加載荷。具體操作如下：</p><

35、;p>　　我們點擊主菜單的 按鈕，再選擇，之后選擇鍵，在點擊Structural,點擊Pressure后選擇On Areas。會出現圖3-4-1的效果圖。</p><p>　　圖3-4-1網格效果圖</p><p>　　這個表明我們施加的載荷以及具體施加的位置。紅色的網格使我們之前劃分的結果。</p><p>　　在進行載荷施加之后我們還需要進行位移的區(qū)域的確

36、定，我們選擇了連桿大頭的內圓作為選擇區(qū)域。我們選擇菜單Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Sturctural→Displacement→On Areas。選中大孔內圓，在彈出的對話框點擊All Dof,選則OK。會出現如圖3-4-2和圖3-4-3效果圖：</p><p>　　圖3-4-2網格效果圖</p><p>　　圖3-4-3網格效果圖<

37、;/p><p><b>　　3.5 求結果操作</b></p><p>　　單擊特征操作按鈕區(qū)，選中鍵，選擇之后會彈出對話框。</p><p>　　我們選擇OK，會出現如下對話框，我們選擇Close,這一步則表明我們的求解是沒有問題的：</p><p>　　如果我們在求解時沒有出現此對話框，有可能出現了以下幾個問題：<

38、/p><p>　　求解輸入的模型不完整或者存在錯誤</p><p>　　約束不夠這也是最長見的問題</p><p>　　當模塊中有非線性原件（如縫隙gaps﹑滑塊sliders﹑鉸hinges等）</p><p>　　未約束鉸結構，如兩個水平運動的梁單元在豎直方向沒有約束。</p><p>　　遇到求解不能出結果的情況我們

39、需要進行復查，排除以上的情況再一步進行求解。[4]</p><p>　　在進行上述步驟之后，我們需要進行結果的處理。點擊菜單在點擊按鈕，之后點擊出現下面對話框：</p><p>　　我們選擇Def+undeformed,點擊OK會出現變形位移效果圖如圖3-5-1所示：</p><p>　　圖3-5-1網格效果圖</p><p>　　此時點擊G

40、eneral Postproc 下拉菜單List Results，再點Nodal Solution,</p><p>　　在彈出的對話框中，點DOF Solution</p><p>　　點General Postproc下拉菜單Plot Result，再點Contour Plot,點Nodal Solu，在彈出的對話框中點Stress，再點von Mises stress，然后再繼續(xù)點擊

41、</p><p>　　OK.應力分析如圖（此時我們調的應力為最大值）其效果如3-5-2和圖3-5-3：</p><p>　　圖3-5-2求解分析圖</p><p>　　圖3-5-3求解分析圖</p><p><b>　　3.6 改進辦法</b></p><p>　　在ANSYS的分析之后，我們可以

42、很明顯的看出來，當發(fā)動機活塞處于上止點時應力達到最大。從圖中我們看出在連桿桿身與連桿大頭接觸的外邊緣處應力最大，達到了76346N。此處應力集中較為明顯，也是我們后面分析改進的重點。我們具體改進的方法如下所示：</p><p>　　1、一般認為壓縮載荷是沿著半圓按照余弦的規(guī)律分布的，由于連桿小頭下部與桿身相連，所以剛度大。壓縮載荷的大部分都直接壓在桿身上，并不在小頭中引起應力，只有一小部分會使小頭變形。所以我們當

43、固定角（固定角Φ是指從連桿大小頭孔中心線到小頭與桿身的切點角度）增大時，應力的不均勻性會急劇的增大最大值也急劇增長，所以我們要適當的減小固定角度的大小，合理安排。</p><p>　　2、我們需要加大連桿桿身與連桿小頭的過度圓半徑，這樣可以減小應力的集中，從而達到提高工作穩(wěn)定性的目的</p><p>　　3、為了在較小的質量下得到較大的剛度我們需要對內燃機的桿身進行工字設計，長軸在擺動的平

44、面內，由于慣性力根據不同界面進行變化，從小頭到大頭的截面應該逐漸增加。</p><p>　　通過以上的分析和總結，我們提出了這些改變結構的方法，這樣來不斷的提高連桿的剛度和強度進而滿足我們的使用要求。</p><p><b>　　小結</b></p><p>　　本文通過深入了解發(fā)動機連桿的結構構成、工作原理，基于現代三維建模技術Pro/ENG

45、INEER、ANSYS有限元分析技術，對捷達EA113汽油機的連桿進行了較為系統的有限元分析研究。現對整個研究分析工作總結如下：</p><p>　　我們通過對EA113發(fā)動機連桿的三維建模，得到了其連桿的三維模型。這對我們后面的ANSYS有限元的分析做了良好的鋪墊。我們在建模的時候需要注意一點，由于ANSYS對導入的零件有格式的要求，所以我們必須要按照其要求的格式進行導入保存。并且我們在繪制三維圖的時候需要合理

46、的處理曲面和圓倒角。</p><p>　　在進行三維建模之后，我們需要將零件圖在處理之后進行導入至ANSYS有限元軟件。導入之后我們需要進行前期處理的準備工作，包括零件的網格劃分，加載荷，求解，后期處理等過程。</p><p>　　我們根據ANSYS分析的結果對連桿進行改進分析，針對應力值最大的地方進行剛度和強度的提高。避免連桿在使用的過程中出現彎曲，斷裂等危險情況。</p>

47、<p><b>　　致謝</b></p><p>　　對四年來教育我的老師和學校致以最崇高的敬意！對本次畢業(yè)設計指導我和給予我最多的陳皓云老師表示我最衷心的感謝!畢業(yè)設計自開始以來，我多次去找陳老師進行畢業(yè)設計的修改以及諸多問題的請教，陳老師總是不嫌麻煩，對我的論文進行耐心的指導。陳老師以他寬廣的知識、高瞻遠矚的學識和在實際生產中所積累的經驗引導著我，拓寬了我在學術上的視野，更為

48、重要的是陳老師以他對事業(yè)孜孜不倦的追求和待人接物謙遜的態(tài)度，時刻都在潛移默化地影響著我，這將使我終生受益。同時對安徽科技學院機械工程學院車輛112班的所有同學表示衷心的感謝，四年來的朝夕相伴，他們對我的關心和幫助，讓我在四年的大學生活上和學習上都有了質的提高。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王金龍,王清明,王偉章.有限元分

49、析與范例解析[M].北京：機械工業(yè)出版社,2010.</p><p>　　[2] 袁兆成.內燃機設計[M].北京：機械工業(yè)出版社,2011. </p><p>　　[3] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社,2010.</p><p>　　[4] 張國智.ANSYS分析應用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社.2007</p><p&

50、gt;　　[6] 臧杰，閻巖.汽車構造[M].北京：機械工業(yè)出版社,2012.</p><p>　　Stress analysis based on finite element link</p><p>　　Abstract At present, the connecting rod strength calculation of finite element analysis.

51、Jetta EA113 gasoline engine connecting rod as the research object, the simulation of automobile engine, calculate link when he worked in a car engine, there may be a maximum load and the simulation of finite element anal

52、ysis software ANSYS, the analysis of rational mechanics. And software. It is painting a picture with Pro/engineer. At the same time, through the analysis of the finite element analysis of con</p><p>　　Keywor