基于abaqus的連桿有限元分析

1、基于基于ABAQUSABAQUS的連桿有限元分析的連桿有限元分析郭濤楊曉（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，廣西柳州545007）摘要：利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)一發(fā)動(dòng)機(jī)連桿進(jìn)行三維有限元分析，確定了連桿的最大應(yīng)力位置和疲勞安全系數(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的可靠性設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：連桿；有限元；ABAQUS；安全系數(shù)連桿是連接發(fā)動(dòng)機(jī)活塞與曲軸的一個(gè)重要組件，是內(nèi)燃機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)受力部件之一，工作中經(jīng)受拉伸﹑壓縮﹑彎曲等交變載荷

2、的作用，機(jī)械負(fù)荷嚴(yán)重，工作條件惡劣。因此，連桿的可靠性，是人們?cè)趦?nèi)燃機(jī)研究和改進(jìn)過(guò)程中關(guān)注的熱點(diǎn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，要保證連桿具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度和疲勞強(qiáng)度，盡可能地達(dá)到質(zhì)量小﹑體積小﹑形狀合理，并最大限度地減緩應(yīng)力集中。傳統(tǒng)的分析方法，有連桿二維變厚度有限元計(jì)算模型：由于連桿結(jié)構(gòu)及載荷基本是對(duì)稱(chēng)均勻分布的，可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力問(wèn)題來(lái)處理，而對(duì)于過(guò)渡圓弧，連桿大頭螺孔及連桿蓋加強(qiáng)筋等部位的單元，采取按截面面積等效的原則，確定該部位各單元的當(dāng)量

3、厚度。采用此方法，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)計(jì)算速度的限制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在多采用三維有限元分析技術(shù)，設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)定型或生產(chǎn)之前，就可以更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)成本，縮短產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間。1連桿有限元分析1.1有限元模型連桿組件包括連桿體、連桿蓋、連桿螺栓、上下軸瓦和襯套。為了便于施加載荷和約束，在分析模型中加入了活塞銷(xiāo)（一部分）和曲柄銷(xiāo)（一部分），這一做法的好處在于，可以省去以往連桿計(jì)算中對(duì)載荷分

4、布規(guī)律和分布包角的處理，減少由于邊界條件與載荷假設(shè)帶來(lái)的誤差。采用三維CAD軟件UG進(jìn)行了連桿的三維實(shí)體建模，導(dǎo)入hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，連桿體、連桿蓋和連桿螺栓采用C3D10M單元，其他采用C3D8I單元。為減少計(jì)算規(guī)模，由于對(duì)稱(chēng)性，采用了14模型。對(duì)連桿各組件間建立適當(dāng)?shù)慕佑|關(guān)系，接觸對(duì)共有10對(duì)：連桿體與連桿蓋，連桿小頭與襯套，活塞銷(xiāo)與襯套，連桿體與上軸瓦，連桿蓋與下軸瓦，連桿體與連桿螺栓，連桿蓋與螺栓，上軸瓦與下軸瓦，曲

5、柄銷(xiāo)與上軸瓦，曲柄銷(xiāo)與下軸瓦。有限元模型采用小滑移彈性接觸模型進(jìn)行分析，提高模型的收斂性。有限元模型如圖1圖1連桿有限元計(jì)算網(wǎng)格模型劃分的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)如表1所列。表1各零件的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)部件單元節(jié)點(diǎn)fact為安全系數(shù)，一般大于1.5。（3）最大拉伸載荷。連桿組所受的最大拉伸載荷，出現(xiàn)在進(jìn)氣沖程開(kāi)始的上止點(diǎn)附近，此時(shí)連桿小端和活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的加速度最大，也即慣性力最大，最大慣性力的計(jì)算公式（2）)()(212AArmmPshzT????

6、式中，為活塞組件質(zhì)量；hzm為連桿小頭質(zhì)量；sm；修改過(guò)lA?1；5321281541??????A為連桿比；lr??r為曲柄半徑；l為連桿長(zhǎng)；為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。?為了便于載荷的施加，在連桿大頭空中心A點(diǎn)與曲柄銷(xiāo)（一部分）建立剛性連接，在連桿小頭孔中心B點(diǎn)與活塞銷(xiāo)（一部分）建立剛性連接，由于連桿是二力構(gòu)件，將載荷施加在B點(diǎn)，固定A點(diǎn)，如圖2所示。圖2載荷施加位置（4）最大壓縮載荷。連桿組所受的最大壓縮力，出現(xiàn)在做功沖程開(kāi)始的上止點(diǎn)附近，按下