基于ANSYS的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿有限元分析,基于,ansys,汽車發(fā)動(dòng)機(jī),連桿,有限元分析 目錄 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 題 目：基于ANSYS的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿有限元分析 　　　　　　　　 學(xué)生姓 二級(jí)學(xué) 班　　 提交日 目錄 目 錄 摘 要 Ⅲ Abstract Ⅳ 1.緒 論 1 1.1 課題研究概述 1 1.1.1課題研究背景和實(shí)際意義 1 1.1.2課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 1 1.1.3課題研究的方法與技術(shù)手段 2 1.2連桿的基本概述 2 1.2.1連桿的工作條件和基本要求 2 1.2.2對(duì)連桿分析現(xiàn)狀 2 1.3有限元法理論基礎(chǔ)和相關(guān)軟件簡(jiǎn)介 3 1.3.1有限元基本理論概述 3 1.3.2有限元分析方法 3 1.3.3有限元分析軟件ANSYS簡(jiǎn)介 4 1.4 課題主要內(nèi)容 4 2.CATIA軟件的介紹及連桿建模過(guò)程 6 2.1 CATIA軟件的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)介 6 2.2使用CATIA軟件建立連桿模型 6 3.連桿的靜態(tài)分析 10 3.1模型的建立與設(shè)置 10 3.2求解生成云圖 16 3.3結(jié)論分析 18 4.連桿的模態(tài)分析 19 4.1求解生成階型圖 19 4.2結(jié)論分析 22 5.結(jié)論與展望 23 參考文獻(xiàn) 24 I 致 謝 25 IV 摘要 基于ANSYS的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿有限元分析 摘 要 連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)件，其作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并把作用在活塞上的力傳遞給曲軸以輸出功率。本課題主要是用ANSYS軟件對(duì)連桿進(jìn)行有限元分析。首先利用CATIA建模軟件對(duì)連桿進(jìn)行三維實(shí)體建模與裝配，再將建好的三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析。通過(guò)靜態(tài)分析得出連桿的受載情況與變形情況，即連桿應(yīng)力、應(yīng)變的大小和分布。利用模態(tài)分析來(lái)對(duì)連桿做有限元分析可確定其振動(dòng)特性，分析其變化規(guī)律。 關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；連桿；ANSYS；有限元；CATIA Abstract Finite element analysis of automobile engine connecting rod based on ANSYS Abstract The?connecting?rod?is?the?main?movement?part?of?the?automobile?engine,?which?can?change?the?reciprocating?movement?to?the?piston?into?the?rotation?of?the?crank?movement,?as?long?as?to?transmit?the?force?acting?on?the?piston?to?the?crankshaft?for?the?output?power.?The?main?topic?of?the?paper?is?to?study?on?the?Finite?Element?analysis(FEM)?of?the?connecting?rod?using?the?ANSYS?software.?First,?the?connecting?rod?is?modeled?and?assembled?by?CATIA,?a?modeling?software?,?and?then?the?3D?model?is?imported?into?ANSYS?for?static?and?model?analysis.?The?loading?and?the?deformation?condition?of?the?connecting?rod?are?obtained?according?to?the?static?analysis,?from?which?we?can?study?the?size?and?distribution?of?stress?and?strain.?The?modal?analysis?is?used?to?analyze?the?vibration?characteristics?of?the?connecting?rod?by?finite?element?method,?and?the?variation?law?of?the?connecting?rod?is?analyzed.?At?the?same?time,?the?model?analysis?of?the?connecting?rod?can?provide?the?information?of?vibration?characteristics,?and?help?us?to?analyze?its?variation.? Key words: Automobile; Engine; Connecting Rod; Finite-Element;Catia 第1章 緒論 1 緒 論 1.1 課題研究概述 1.1.1 課題研究背景和實(shí)際意義 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)自從十九世紀(jì)后出現(xiàn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)了很多年的不斷改進(jìn)與研究，現(xiàn)在發(fā)展得已經(jīng)比較完善，它的優(yōu)點(diǎn)有：熱效率高，功率與轉(zhuǎn)速的范圍非常廣，比重量較小，在動(dòng)力機(jī)械中的地位非常高，很廣泛地應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)與軍事裝備的各領(lǐng)域上。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)里的一些主要的部件比如：連桿，曲軸，活塞，氣缸蓋和機(jī)體等進(jìn)行強(qiáng)度剛度分析時(shí)，如果用傳統(tǒng)的力學(xué)方法，只能夠近似的反映它的受力狀況和其變形情況，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足進(jìn)一步分析的需要。目前，先進(jìn)的分析方法是利用基于理論平臺(tái)的有限元技術(shù)分析連桿的性能。 發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的傳動(dòng)零件——連桿，它的作用是連接曲軸和活塞，把作用在活塞上的力傳給曲軸，將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)外輸出做功。當(dāng)連桿的小端工作時(shí)，其作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)連桿的大端工作時(shí)，其作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，桿身作較復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，所以連桿的受力情況十分復(fù)雜。發(fā)動(dòng)機(jī)中所承受的最大的負(fù)荷零件就是連桿，運(yùn)動(dòng)期間一起承受著從活塞上傳來(lái)的氣體的壓力、來(lái)回的慣性力還有它本身擺動(dòng)時(shí)而產(chǎn)生的慣性力，這些力的大小和方向都是呈現(xiàn)出周期性變化的。當(dāng)然，連桿也會(huì)出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象和扭曲的現(xiàn)象，原因是當(dāng)使用很長(zhǎng)時(shí)間后，連桿會(huì)由于活塞猛烈的推力和曲軸快速的運(yùn)轉(zhuǎn)而出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象。當(dāng)連桿出現(xiàn)了這樣的現(xiàn)象，不僅僅活塞會(huì)拉缸，其他的組件還會(huì)出現(xiàn)不正常的磨損，還易導(dǎo)致連桿發(fā)生疲勞破壞使其最終出現(xiàn)斷裂，使用人的安全不能得到保障。 1.1.2課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 隨著時(shí)代的發(fā)展，在汽車工業(yè)制造技術(shù)越來(lái)越成熟的時(shí)代，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的要求越來(lái)越高，尤其是其性能和可靠性，連桿又在發(fā)動(dòng)機(jī)中充當(dāng)重要的角色。所以，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外各大汽車公司對(duì)連桿的設(shè)計(jì)及制造等方面也越來(lái)越重視。“小體積、大功率、低油耗”這是現(xiàn)在汽車對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的最基本要求，而在其高要求下，對(duì)連桿的設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高，尤其是在對(duì)連桿材料、制造技術(shù)的要求更高。其最基本的要求： （1）為了防止連桿工作時(shí)發(fā)生彎曲變形，其桿身要有足夠的強(qiáng)度； （2）連桿的大端和連桿蓋要有足夠的強(qiáng)度，防止螺栓承受附加應(yīng)力和大端失圓，造成軸承破壞。 所以連桿應(yīng)該具有足夠的疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性等要求。 連桿對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命和工作性能具有重要的影響。當(dāng)下，連桿設(shè)計(jì)都是靠經(jīng)驗(yàn)來(lái) 1 設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)方法缺乏嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)，并且對(duì)于連桿的計(jì)算也不準(zhǔn)確，連桿工作時(shí)，其動(dòng)態(tài)特對(duì)它的影響也不考慮。雖然現(xiàn)在也有人用有限元對(duì)其進(jìn)行分析，但因?yàn)闂l件不允許，用軟件建立的立體圖不太合理，連桿在運(yùn)動(dòng)壓力到達(dá)最大時(shí)，不僅有軸向壓力，還有彎矩作用。而且邊界條件的處理也存在著很大的問(wèn)題，所以現(xiàn)在許多發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠都采用先進(jìn)的有限元工具與合理的計(jì)算，來(lái)對(duì)連桿進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。 1.1.3 課題研究的方法與技術(shù)手段 有限元分析是利用力學(xué)模型上近似的數(shù)值來(lái)分析的方法，具體說(shuō)，就是將連續(xù)體或結(jié)構(gòu)劃分為許多單元，然后利用一些節(jié)點(diǎn)把有限個(gè)單元集合起來(lái)變成集合體當(dāng)作本來(lái)的連續(xù)體或結(jié)構(gòu)，就是把連續(xù)體轉(zhuǎn)化為離散模型來(lái)進(jìn)行力學(xué)分析的。有限元方法在汽車的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面應(yīng)用很廣泛。 目前，對(duì)連桿進(jìn)行有限元分析的項(xiàng)目包括： （1）在靜力作用下，得出連桿的扭轉(zhuǎn)變形和應(yīng)力分布，從而了解是否能夠承受載荷，或者形變是否在允許范圍內(nèi)。 （2）對(duì)不同材料的連桿承載進(jìn)行靜態(tài)分析，從而確定連桿輕量化設(shè)計(jì)方案，同時(shí)從材料成本的角度分析輕量化方案的優(yōu)劣性。 （3）對(duì)連桿受壓縮、拉伸、彎曲強(qiáng)度進(jìn)行分析，對(duì)連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。 1.2 連桿的基本概述 連桿的設(shè)計(jì)必須要經(jīng)過(guò)強(qiáng)度校核這個(gè)過(guò)程。當(dāng)下，一般對(duì)于連桿的強(qiáng)度計(jì)算有兩種方法。一是使用傳統(tǒng)計(jì)算方法，傳統(tǒng)計(jì)算方法精度不高，與實(shí)際情況不是很貼切。二是使用有限元計(jì)算方法，此方法不僅計(jì)算精度高，而且與實(shí)際模擬情況更接近。 1.2.1 連桿的工作條件和基本要求 連桿的作用是連接活塞與曲軸，將活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且在中間傳遞動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，連桿作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，并承受載荷： （1）由于連桿力而引起的交變載荷； （2）由于在擺動(dòng)平面內(nèi)連桿會(huì)因擺動(dòng)慣性力而產(chǎn)生彎曲載荷，但是這樣發(fā)生的應(yīng)力比較小，一般都會(huì)忽略不計(jì)； （3）因加工和裝配時(shí)所發(fā)生的誤差而引起的附加載荷。 連桿的應(yīng)力一般都很高，原因是因?yàn)榭臻g位置所限制，設(shè)計(jì)連桿時(shí)要把連桿質(zhì)量盡量設(shè)計(jì)得小些，所以對(duì)連桿設(shè)計(jì)要求較高。 對(duì)連桿的基本要求有： （1）連桿的尺寸重量盡可能小些，為了減小其慣性力，前提是要能保證足夠的強(qiáng)度和剛度； 2 （2）連桿的大端和小端軸承要耐磨性好且工作性能可靠； （3）成本要低，方便制造，方便安裝。 1.2.2 對(duì)連桿分析現(xiàn)狀 目前，大部分工程實(shí)際問(wèn)題解決起來(lái)非常困難，甚至無(wú)法用傳統(tǒng)的計(jì)算方法來(lái)計(jì)算其結(jié)果。而有限元方法徹底解決了這一難題，利用有限元方法可以解決復(fù)雜的形狀、結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的邊界條件的工程問(wèn)題，它與多數(shù)計(jì)算機(jī)作圖軟件如CAD系統(tǒng)所結(jié)合，讓設(shè)計(jì)者能在計(jì)算機(jī)中就可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)、剛度、強(qiáng)度等不同的分析，取代了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，不需要按照傳統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)——驗(yàn)證——設(shè)計(jì)這樣循環(huán)的方式，整個(gè)的設(shè)計(jì)只要在最后進(jìn)行驗(yàn)證式試驗(yàn)。這樣的設(shè)計(jì)方法大大地降低了成本，設(shè)計(jì)時(shí)間也縮短了，工作效率大幅度的提高。 二十世紀(jì)中期，在電腦誕生后，利用有限元方法計(jì)算在許多科學(xué)領(lǐng)域中變成了最重要最有效的計(jì)算方法，尤其是在計(jì)算數(shù)學(xué)、力學(xué)、工程學(xué)中。多年發(fā)展以來(lái)，有限元方法計(jì)算已經(jīng)變得越來(lái)越成熟，形態(tài)也越來(lái)越豐富，其軟件系統(tǒng)也越來(lái)越完善，已經(jīng)發(fā)明了一系列的軟件。在許多比較大的工程項(xiàng)目中有限元分析發(fā)揮了重要的作用，克服了許多困難。有限元分析推進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展，在現(xiàn)代科學(xué)中起到了不可缺失的作用。 通常，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)連桿結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，用普通的方法很難模擬它的結(jié)構(gòu)。所以，在有限元分析下，先建立一個(gè)實(shí)體的三維圖，再進(jìn)行分析，這是常用的連桿的有限元分析方法。 連桿的立體圖有限元分析法一般有兩種： （1）1/4或1/2連桿模型。利用此方法能正確地得到危險(xiǎn)情況下的應(yīng)力分布。 （2）整體連桿模型。利用連桿的實(shí)際數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中建立三維實(shí)體圖，根據(jù)接觸有限元分析法，分別對(duì)連桿的零件進(jìn)行最大載荷的分析。采用此方法對(duì)連桿作模態(tài)分析，能夠準(zhǔn)確地找出連桿的薄弱環(huán)節(jié)。 1.3 有限元法理論基礎(chǔ)和相關(guān)軟件簡(jiǎn)介 1.3.1 有限元基本理論概述 隨著時(shí)代的飛速發(fā)展，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)、生產(chǎn)技術(shù)的要求越來(lái)越高，對(duì)于高精密的生產(chǎn)越來(lái)越重視。 有限元分析的基本概念就是先簡(jiǎn)化復(fù)雜問(wèn)題然后得到答案。它把求解域當(dāng)作很多小的有限元域組合而成，逐個(gè)對(duì)小的單元求解，得到一個(gè)簡(jiǎn)單的近似結(jié)果，根據(jù)這個(gè)結(jié)果需要滿足的條件，再推導(dǎo)出來(lái)，最終得出問(wèn)題的答案。這個(gè)答案并不是準(zhǔn)確答案，因?yàn)樵趯?shí)際問(wèn)題中也很難算出準(zhǔn)確的答案，只能得到一個(gè)近似的答案。 1.3.2 有限元分析方法 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，簡(jiǎn)稱CAE）已經(jīng)普遍用于各種工程領(lǐng)域。CAE的作用： (1)計(jì)算的精度高，跟試驗(yàn)所得出的結(jié)果差別不大； (2)效率高，產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)時(shí)短； (3)在人工很難完成其計(jì)算時(shí)它能輕松得出結(jié)果； (4)低成本，不需做實(shí)體試驗(yàn)； (5)方便設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品還未設(shè)計(jì)出時(shí)便可進(jìn)行分析； (6)分析面廣，且能保存充足的數(shù)據(jù)。 有限元分析方法在所有的分析方法中，其運(yùn)用最成功也是最有效的數(shù)值計(jì)算方法。它的基本思想就是把實(shí)物分解成有限個(gè)組合，然后將這些單元的集合來(lái)模擬原來(lái)的實(shí)物。有限元分析軟件中，ANSYS最為經(jīng)典，其在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣，自身成熟度高，在高?？蒲蓄I(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛。 用有限元方法對(duì)物體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其步驟為： (1) 對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研究分析。用三維繪圖軟件CATIA、Pro/E、UG等繪制物理力學(xué)模型，根據(jù)物體所需分析的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行分析，如支承的簡(jiǎn)化、材料的簡(jiǎn)化、載荷的分析等，為下一步做準(zhǔn)備。 (2) 形成網(wǎng)格圖。用有限元分析軟件HY2PERMESH或ANSYS等，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，確定單元類型，選取節(jié)點(diǎn)，形成網(wǎng)格圖。 (3) 根據(jù)所要分析的類型，進(jìn)行選項(xiàng)設(shè)置，再對(duì)其進(jìn)行求解計(jì)算。 (4) 后處理。先進(jìn)入后處理器，將文件讀入。在處理器內(nèi)，可以觀察其結(jié)構(gòu)的變形情況與受力情況等。 經(jīng)研究認(rèn)定CAE分析因?yàn)槭悄M實(shí)際工況，與實(shí)際工況有偏差，最終的結(jié)果還應(yīng)以試驗(yàn)驗(yàn)證為準(zhǔn)，二者相輔相成，缺一不可。 1.3.3 有限元分析軟件ANSYS簡(jiǎn)介 ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型（FEA）軟件，是世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。是融合結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。該軟件在多個(gè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)在已經(jīng)成為國(guó)際最流行的有限元分析軟件。 ANSYS軟件主要包括前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊三部分： 此外，它有統(tǒng)一和集中的數(shù)據(jù)庫(kù)，保證了系統(tǒng)各模塊之間的可靠和靈活的集成；其DDA模塊實(shí)現(xiàn)了它與多個(gè)CAD軟件產(chǎn)品的有效連接。 1.4 課題主要內(nèi)容 本論文對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿進(jìn)行研究，對(duì)連桿進(jìn)行有限元分析，由此得到連桿的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。 用ANSYS軟件對(duì)該連桿進(jìn)行靜態(tài)分析。先利用CATIA軟件建立幾何模型，然后導(dǎo)入到ANSYS軟件中，劃分網(wǎng)格、定義單元屬性、定義材料等，進(jìn)行計(jì)算，考查在固定大端受載荷情況下，桿身、大端和小端的應(yīng)力分布以及變形情況。 應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行該連桿動(dòng)態(tài)分析，主要是模態(tài)分析。通過(guò)建立模態(tài)有限元模型、定義模態(tài)求解、分析擴(kuò)展模態(tài)等對(duì)該連桿的模態(tài)特性進(jìn)行分析。得出了該連桿的各階模態(tài)，分析并比較了它們的固有頻率和振型。 26 第2章 CATIA軟件的介紹及連桿建模過(guò)程 2 CATIA軟件的介紹及連桿建模過(guò)程 2.1 CATIA軟件的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)介 CATIA是法國(guó)達(dá)索公司的產(chǎn)品開發(fā)CAD/CAE/CAM一體化軟件，是英文Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application(計(jì)算機(jī)輔助三維應(yīng)用程序接口）的縮寫。它的內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、三維建模、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬與仿真、各種磨具設(shè)計(jì)和分析、人機(jī)交換等使用模塊。 CATIA比較廣泛的用于汽車、航空航天、輪船、軍工、儀器儀表、建筑工程、電器管道、通信等方方面面。最大的客戶有：通用，波音麥道，空客，福特，大眾，戴克，寶馬，沃爾沃，標(biāo)志雪鐵龍，豐田，本田，雷諾，達(dá)索飛機(jī)，菲亞特，三菱汽車，西門子，博世，現(xiàn)代，起亞，中國(guó)的上汽，一汽，東風(fēng)等大公司。 CATIA在汽車行業(yè)中，應(yīng)用的最為廣泛，為許多世界頂級(jí)汽車制造廠商所用，并成為這些廠商的核心系統(tǒng)之一。軟件在對(duì)汽車的造型、車身以及動(dòng)力裝置等方面的設(shè)計(jì)有著獨(dú)特的長(zhǎng)處，其可伸縮性和并行工程能力大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間，效率高，降低了成本。所以，CATIA在汽車領(lǐng)域中的地位是無(wú)可代替的，國(guó)內(nèi)很多汽車公司都選用CATIA作為核心軟件，如上海大眾，一汽集團(tuán)、奇瑞汽車等。 2.2 使用CATIA軟件建立連桿模型 1．打開CATIA軟件，單擊“開始”找到并單擊“機(jī)械設(shè)計(jì)”模塊，再在伸出項(xiàng)中找到“零件設(shè)計(jì)”并單擊，進(jìn)入零件設(shè)計(jì)界面。根據(jù)數(shù)據(jù)，繪制連桿桿身，如圖2.1所示。 圖2.1 連桿桿身 2．打開CATIA軟件，單擊“開始”找到并單擊“機(jī)械設(shè)計(jì)”模塊，再在伸出項(xiàng)中找到“零件設(shè)計(jì)”并單擊，進(jìn)入零件設(shè)計(jì)界面。根據(jù)數(shù)據(jù)，繪制連桿襯套，如圖2.2所示。 圖2.2 連桿襯套 3．打開CATIA軟件，單擊“開始”找到并單擊“機(jī)械設(shè)計(jì)”模塊，再在伸出項(xiàng)中找到“零件設(shè)計(jì)”并單擊，進(jìn)入零件設(shè)計(jì)界面。根據(jù)數(shù)據(jù)，繪制連桿蓋，如圖2.3所示。 圖2.3 連桿蓋 4．打開CATIA軟件，單擊“開始”找到并單擊“機(jī)械設(shè)計(jì)”模塊，再在伸出項(xiàng)中找到“零件設(shè)計(jì)”并單擊，進(jìn)入零件設(shè)計(jì)界面。根據(jù)數(shù)據(jù)，繪制螺栓，如圖2.4所示。 圖2.4 螺栓 5．打開CATIA軟件，單擊“開始”找到并單擊“機(jī)械設(shè)計(jì)”模塊，再在伸出項(xiàng)中找到“零件設(shè)計(jì)”并單擊，進(jìn)入零件設(shè)計(jì)界面。根據(jù)數(shù)據(jù)，繪制連桿軸瓦，如圖2.5所示。 圖2.5 連桿軸瓦 6．連桿的裝配 （1）打開CATIA軟件，單擊“開始”找到并單擊“機(jī)械設(shè)計(jì)”模塊，再在伸出項(xiàng)中找到“裝配設(shè)計(jì)”并單擊，默認(rèn)文件名為“裝配體”，進(jìn)入裝配設(shè)計(jì)界面。 （2）單擊添加現(xiàn)有部件，首先添加連桿，并為其添加固定約束。 （3）單擊添加第二個(gè)部件。 （4）裝配添加的部件。 （5）單擊繼續(xù)添加部件，并添加約束進(jìn)行裝配。 （6）發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裝配體，如圖所示。 圖2.6 連桿裝配體 第3章 連桿的靜態(tài)分析 3 連桿的靜態(tài)分析 3.1 模型的建立與設(shè)置 1．啟動(dòng)ANSYS Workbench并建立分析項(xiàng)目 如圖，在項(xiàng)目管理區(qū)創(chuàng)建分析項(xiàng)目。 圖3.1 項(xiàng)目管理區(qū)分析項(xiàng)目 2．添加材料庫(kù) 進(jìn)入主項(xiàng)目下的engineering data，添加材料。由于考慮慣性力的靜力分析中，必須要定于材料的屬性。所以，從材料庫(kù)調(diào)用材料，本次設(shè)計(jì)選用材料為45鋼，彈性模量為200Gpa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。 圖3.2 定義材料屬性 3．導(dǎo)入三維模型 返回主界面，雙擊geometry模塊，設(shè)置單位為mm。 圖3.3 單位設(shè)定 點(diǎn)擊file菜單下的import external geometry file，導(dǎo)入catia建立的幾何模型。 圖3.4 導(dǎo)入模型 圖3.5 從文檔中找出并打開連桿裝配體 點(diǎn)擊generate，生成幾何模型。 圖3.6 有限元中的幾何模型 4．添加材料模型屬性 返回主項(xiàng)目，點(diǎn)擊model模塊。 點(diǎn)擊geometry下的Part，在details of part中分別給每一個(gè)零部件賦予材料屬性。 圖3.7 每一個(gè)零件賦予材料屬性 5．定義接觸 在相互接觸部位定義接觸對(duì)。 圖3.8 定義接觸對(duì) 6．網(wǎng)格劃分 由于網(wǎng)格劃分的好壞決定了求解的精度，所以在結(jié)構(gòu)比較小，接觸比較復(fù)雜的地方網(wǎng)格應(yīng)該畫的密一些。所以螺栓部位劃分網(wǎng)格尺寸為3mm，其他地方網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm。 圖3.9 連桿的網(wǎng)格劃分（不含螺栓） 圖3.10 螺栓的網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分完后的有限元模型如圖3.11所示。 圖3.11 連桿總體模型網(wǎng)格劃分 統(tǒng)計(jì)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)數(shù)為90905，單元數(shù)為52565。 圖3.12 節(jié)點(diǎn)數(shù)與單元數(shù) 7．添加約束 給連桿的小端添加約束，約束其徑向和軸向的自由度，轉(zhuǎn)動(dòng)自由度不約束。 圖3.13 對(duì)連桿小端添加約束 8．添加載荷 給連桿的大端添加載荷。根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)連桿大端軸瓦施加力的大小一般為2000N，且對(duì)其施加集中載荷，如圖3.14。 圖3.14 對(duì)連桿大端軸瓦施加載荷 3.2 求解生成云圖 設(shè)置求解選項(xiàng)，選擇直接求解方式，點(diǎn)擊求解生成應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D。 1．變形位移云圖 點(diǎn)擊生成變形位移云圖，如圖3.15可以看出，在對(duì)連桿施加載荷時(shí)，其最大總體變形位移約為0.059mm。 圖3.15 連桿的變形位移云圖 2．等效應(yīng)力云圖 點(diǎn)擊生成等效應(yīng)力云圖，如圖3.16可以看出，在對(duì)連桿施加載荷時(shí)，其最大等效應(yīng)力為76.8Mpa。 3.16 連桿的等效應(yīng)力云圖 3．連桿剪切應(yīng)變?cè)茍D 點(diǎn)擊生成剪切應(yīng)變?cè)茍D，如圖3.17可以看出，在對(duì)連桿施加載荷時(shí)，其最大剪切應(yīng)變?yōu)?.00057mm。 3.17 連桿的剪切應(yīng)變?cè)茍D 4．連桿剪切應(yīng)力云圖 點(diǎn)擊生成剪切應(yīng)力云圖，如圖3.18可以看出，在對(duì)連桿施加載荷時(shí)，其最大切應(yīng)力為45.26Mpa。 3.18 連桿的剪切應(yīng)力云圖 3.3 結(jié)論分析 通過(guò)上述靜力分析可知，在對(duì)連桿大頭處施加2000N集中載荷時(shí)，其變形一般會(huì)出現(xiàn)在大頭處，應(yīng)力集中點(diǎn)出現(xiàn)在其大頭與桿身的連接處。仿真結(jié)果如上圖所示，最大總體變形位移為0.059mm，最大等效應(yīng)力為76.8Mpa，最大剪切應(yīng)變?yōu)?.00057mm，最大剪切應(yīng)力為45.26Mpa， 根據(jù)所選用結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度特性，抗拉強(qiáng)度不小于600Mpa，屈服強(qiáng)度不小于355Mpa。 第4章 連桿的模態(tài)分析 4 連桿的模態(tài)分析 4.1 求解生成階型圖 連桿的靜態(tài)分析僅僅分析的給連桿施加固定的載荷，計(jì)算出在載荷下其結(jié)構(gòu)的效應(yīng)。而汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿又是一個(gè)在高頻率下運(yùn)動(dòng)的部件。所以，在對(duì)連桿做分析時(shí)，動(dòng)力分析必不可少。通常，對(duì)連桿進(jìn)行動(dòng)力分析的方法類型是模態(tài)分析，因?yàn)槟B(tài)分析主要用來(lái)確定部件的振動(dòng)特性。所以，下面就在靜力分析的基礎(chǔ)上繼續(xù)對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，分析其振動(dòng)特性。 由于在對(duì)連桿進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，其模型的建立與在進(jìn)行靜力分析時(shí)的步驟相同，所以下文省略不寫，下面直接介紹模態(tài)求解設(shè)置。 如圖4．1，設(shè)置提取模態(tài)的階數(shù)為12階，對(duì)其進(jìn)行無(wú)阻尼模態(tài)分析，求解方法采用迭代求解算法。 圖4.1 階數(shù)設(shè)置 在對(duì)其設(shè)置完成之后，進(jìn)行求解。提取不同模態(tài)階數(shù)的固有頻率和振型。 下圖4.2為1~12階模態(tài)的固有頻率。 圖4.2 1到12階模態(tài)固有頻率 模態(tài)分析就是求結(jié)構(gòu)固有頻率，模態(tài)振型，模態(tài)剛度，模態(tài)質(zhì)量，阻尼比等。一般對(duì)連桿只關(guān)心其固有頻率和模態(tài)振型。由于1~3階為剛體模態(tài)，對(duì)分析沒(méi)有實(shí)際意義，所以只提取4~12階模態(tài)振型。分別對(duì)應(yīng)下1~9階不同固有頻率的模態(tài)振型如下圖所示。 圖4.3 1階振型圖 由圖4.3可知，連桿在1階振型下。其固有頻率為63.98Hz，振型繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖4.4 2階振型圖 由圖4.4可知，連桿在2階振型下。其固有頻率為65.81Hz，振型繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖4.5 3階振型圖 由圖4.5可知，連桿在3階振型圖下。其固有頻率為125.34Hz，振型繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖4.6 4階振型圖 圖4.7 5階振型圖圖 4.8 6階振型圖 圖4.9 7階振型圖 圖4.10 8階振型圖 圖4.11 9階振型圖 振型描述： 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿進(jìn)行自由模態(tài)分析，由于提取的前3階自由模態(tài)為只有平移，頻率很低的剛體模態(tài)。因此，只對(duì)4至12階模態(tài)的振型和固有頻率作詳細(xì)的介紹和研究，并且階數(shù)重新按序排列1~9階。其自由模態(tài)的固有頻率及其振型描述見(jiàn)表1，1至9階模態(tài)振型圖如上圖所示。 表1發(fā)動(dòng)機(jī)連桿1至9階固有頻率及振型描述 階數(shù) 固有頻率（Hz） 振型描述 1 63.98 繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 2 65.58 繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 3 125.34 繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 4 1298.6 繞X軸的二階彎曲 5 1373.5 繞Y軸的扭轉(zhuǎn) 6 1950.2 繞Z軸的二階彎曲 7 3797 繞X軸的三階彎曲 8 4690.1 Y方向的軸向拉伸 9 4851.1 XY平面的四階扭轉(zhuǎn) 4.2 結(jié)論分析 通過(guò)上述對(duì)連桿進(jìn)行模態(tài)分析可知，在不同的階數(shù)下，連桿的頻率也不同。階次越高，頻率也越高。且每個(gè)階次下，應(yīng)力集中部位也不同，比如在第9階，其應(yīng)力集中在桿身與小頭部位，而在第八階，應(yīng)力又集中在大頭處。當(dāng)然，不能僅僅考慮其小頭、桿身連接處與大頭的應(yīng)力集中問(wèn)題，還要通過(guò)各階次下連桿縮變形的情況進(jìn)行比較。比如第九階的變形情況最嚴(yán)重，其頻率達(dá)到了4851.1Hz。連桿的模態(tài)頻率能預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件之間的干擾的可能性，這為發(fā)動(dòng)機(jī)其他部件提供了有價(jià)值的理論依據(jù)。根據(jù)表中結(jié)果，分析的前9階中，頻率最低的是第1階，為63.98Hz。一般發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為3000轉(zhuǎn)到5000轉(zhuǎn)每分鐘，基本頻率為16.67到50Hz。所以很容易看出，該連桿的最低諧次頻率不再基頻范圍內(nèi)，且高于基頻，不會(huì)產(chǎn)生共振頻率。 第5章 結(jié)論與展望 5 結(jié)論與展望 （1）本文緒論中首先介紹了本課題研究的背景，課題國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展方向，課題研究方法與技術(shù)手段等；由于本文主要以連桿的有限元分析為主，不用設(shè)計(jì)其尺寸等，所以用已有尺寸數(shù)據(jù)的連桿作為分析對(duì)象。 （2）根據(jù)已有的連桿數(shù)據(jù)，利用CATIA軟件將發(fā)動(dòng)機(jī)連桿所有的零件進(jìn)行三維建模。在建模完成后，繪制主要零件的二維工程圖。在CATIA環(huán)境中，根據(jù)投影規(guī)律三維模型可以很方便地生成二維工程圖。最后，將所有零部件在CATIA環(huán)境中裝配起來(lái)。 （3）將在CATIA軟件中已建好的三維模型導(dǎo)入到ANSYS有限元分析軟件中，對(duì)其分別進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析。在靜態(tài)分析中，重點(diǎn)觀察連桿所受應(yīng)力分布的情況。在模態(tài)分析中，分析了模態(tài)的振型及固有頻率。 （4）連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要部件，對(duì)其工作要求很高。由于在連桿的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于連桿的有限元分析需要很全面，而筆者的水平有限，不可能面面俱到。 （5）利用有限元方法分析連桿的受力，大幅度地提高了工作效率、縮短設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)成本，未來(lái)將成為各汽車廠商中通用的分析方法。 總之，現(xiàn)代對(duì)汽車要求具有高的安全可靠性，發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的“心臟”，若發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致事故后果將不堪設(shè)想。而連桿在發(fā)動(dòng)機(jī)中又發(fā)揮著重要的作用，這就要求連桿具有足夠的剛度和強(qiáng)度。而有限元方法可以在發(fā)動(dòng)機(jī)連桿設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)揮重要作用，為連桿的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考，從而提高連桿的安全可靠性。有限元方法的廣泛使用，必將推進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)向著高強(qiáng)度、輕量化、更安全的方向發(fā)展，也為無(wú)紙化設(shè)計(jì)和快速產(chǎn)品開發(fā)做出巨大貢獻(xiàn)。 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) [1] 王小飛，向國(guó)權(quán)，李靜，溫小隆. 基于ANSYS 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