李春風(fēng)，董慶華，侯和龍

(承德石油高等?？茖W(xué)校工業(yè)技術(shù)中心，河北承德067000)

ANSYS軟件在連桿有限元分析中的應(yīng)用

李春風(fēng)，董慶華，侯和龍

(承德石油高等?？茖W(xué)校工業(yè)技術(shù)中心，河北承德067000)

連桿是連接發(fā)動機(jī)活塞與曲軸的重要組件，是內(nèi)燃機(jī)的主要運(yùn)動受力部件之一。通過數(shù)值模擬的方法對汽車發(fā)動機(jī)連桿進(jìn)行有限元分析。通過ANSYS軟件建立了連桿模型，并沿著兩個(gè)不同路徑對其應(yīng)力進(jìn)行映射，得到連桿的最大最小應(yīng)力邊界，為后續(xù)疲勞分析以及動力仿真提供參考。

發(fā)動機(jī)連桿;ANSYS;布爾運(yùn)算;路徑操作

連桿是連接發(fā)動機(jī)活塞與曲軸的重要組件，是內(nèi)燃機(jī)的主要運(yùn)動受力部件之一，其作用是將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并在活塞和曲軸之間傳遞作用力。工作中經(jīng)受拉伸、壓縮、彎曲等的交變載荷的作用，機(jī)械負(fù)荷嚴(yán)重，工作條件惡劣［1］。因此，在進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)研究時(shí)，連桿的可靠性成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

1　ANSYS軟件在汽車連桿有限元分析中的應(yīng)用

1．1前處理

1．1．1幾何建模

ANSYS提供兩種可交叉使用的實(shí)體建模方法:自頂向下及自底向上?，F(xiàn)在參照連桿尺寸圖(見圖1)，采用由底向上建模技術(shù)建立汽車連桿幾何模型。

1)指定工作目錄，用“c-rod”作為文件名，進(jìn)入ANSYS。

2)創(chuàng)建兩個(gè)圓形面，創(chuàng)建兩個(gè)矩形面，平移工作面位置(X=6．5)，設(shè)置工作平面所在的坐標(biāo)系為激活坐標(biāo)系，再創(chuàng)建兩個(gè)圓形面，得到基本圖像組元如圖2所示。

1．1．2布爾運(yùn)算

1)在每一組面上分別進(jìn)行布爾操作，如圖3所示。

2)激活總體笛卡爾坐標(biāo)系，定義四個(gè)新的關(guān)鍵點(diǎn)，激活總體柱坐標(biāo)系，創(chuàng)建一條線得到由一系列關(guān)鍵點(diǎn)擬合成的一條樣條曲線，如圖4所示。

3)通過關(guān)鍵點(diǎn)1和18創(chuàng)建一條直線，如圖5所示。

4)打開線號，顯示線，以預(yù)先定義的線6、1、7、25為邊界創(chuàng)建一個(gè)新面，如圖6所示。

5)創(chuàng)建三個(gè)線與線的倒角，先定義的圓角為邊界，創(chuàng)建一新的面，如圖7所示。

6)以X-Z平面(在Y方向)為對稱面，對面進(jìn)行鏡面反射，并把所有的面加起來，初步得到模型如圖8所示。

1．1．3實(shí)體建模

對模型進(jìn)行輸入、修正，從而簡化模型。

1)創(chuàng)建第一個(gè)孔洞。在孔洞中心創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)，平移工作平面到新的關(guān)鍵點(diǎn)，創(chuàng)建一個(gè)圓柱體，為生成孔洞作準(zhǔn)備，然后從連桿中減去圓柱體，得到第一個(gè)孔洞，如圖9所示。

2)創(chuàng)建第二個(gè)孔洞。其操作步驟同1。

3)將體分解為對稱的模型。如圖10所示。

4)添加第一個(gè)倒角。如圖11所示。

5)通過倒角面創(chuàng)建體。如圖12所示。

1．2后處理

1．2．1畫出應(yīng)力云圖

進(jìn)入后處理器，出畫von Mises應(yīng)力。并檢查von Mises應(yīng)力結(jié)果。

1．2．2路徑操作

ANSYS軟件也可以用圖示或列表方式來顯示用戶所定義截面上節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果的分布，稱為路徑操作。它能虛擬映射任何數(shù)據(jù)到模型的任何路徑上，然后就可以沿著路徑進(jìn)行許多數(shù)學(xué)運(yùn)算、微積分運(yùn)算，從而得到有意義的計(jì)算結(jié)果，例如開裂部位的應(yīng)力強(qiáng)度因子和J積分，通過該路徑的熱量、磁場力等，并且可以以圖形或者列表的方式觀察結(jié)果沿著路徑的變化情況［3］。

路徑操作包括定義路徑環(huán)境、定義路徑點(diǎn)、定義路徑屬性、沿路徑插值數(shù)據(jù)(可以在一個(gè)激活的結(jié)果坐標(biāo)系中沿著路徑插值結(jié)果數(shù)據(jù)，包括原始數(shù)據(jù)(DOF節(jié)點(diǎn)解)、派生數(shù)據(jù)(應(yīng)力、通量、梯度)、單元表數(shù)據(jù)、FLOTRAN節(jié)點(diǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)等)、映射路徑數(shù)據(jù)、觀察路徑項(xiàng)、在路徑中進(jìn)行算數(shù)運(yùn)算、刪除路徑以及將路徑數(shù)據(jù)從文件中存檔或恢復(fù)等。

1)映射von Mises應(yīng)力到某個(gè)路徑。

定義兩個(gè)路徑Path1和Path2。并分別映射von Mises，SX、SY和SZ應(yīng)力到Path2和Path1，分別如圖13、圖14所示。

2)通過路徑畫出模型，如圖15所示。

1．2．3畫出誤差評估值

在圖形窗口顯示全部模型，畫結(jié)構(gòu)單元能量誤差評估值(SERR)，如圖16所示。畫應(yīng)力離散誤差(SDSG)，如圖17所示。畫結(jié)構(gòu)百分比誤差(SEPC)，如圖18所示。對SEQV畫出最大最小應(yīng)力邊界，如圖19所示。

2　結(jié)論

本文討論了ANSYS軟件在連桿有限元分析中的應(yīng)用。ANSYS能虛擬映射任何數(shù)據(jù)到模型的任何路徑上，然后就可以沿著路徑進(jìn)行許多數(shù)學(xué)運(yùn)算、微積分運(yùn)算，從而得到有意義的計(jì)算結(jié)果。本文通過ANSYS軟件建立了連桿模型，并沿著兩個(gè)不同路徑對其應(yīng)力進(jìn)行映射，得到連桿的最大最小應(yīng)力邊界，為后續(xù)疲勞分析以及動力仿真提供參考。

［1］楊連生．內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)［M］北京:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1989．

［2］李春風(fēng)．基于Ansys的汽車門鎖機(jī)構(gòu)鎖緊工況的有限元分析［J］．現(xiàn)代機(jī)械，2012，8(4):29－31．

［3］張應(yīng)遷．Ansys有限元分析從入門到精通［M］．北京:人民郵電出版社，2010．

［4］李曉紅．基于ANSYS管道缺陷承載行為研究［J］．承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2009，9(3):30－32．

Application of ANSYS Software in Finite Element Analysis of Connecting Rod

LI Chun-feng，DONG Qing-hua，HOU He-long
(Industrial Technology Center，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Connecting rod is one of the important components to connect engine piston and the crankshaft，and it is one of the main under-stress parts of internal combustion engine during movements．This paper，by means of numerical simulation，analyzes the finite element of automobile engine connecting rod．ANSYS software is applied for modeling and mapping its stress along two different paths．The maximum and minimum stress boundary is obtained，which will provide a reference for subsequent fatigue analysis and dynamic simulation．

engine connecting rod;ANSYS;Booleans;path operation

TK4

B

1008-9446(2015)02-0020-04

2014-12-01

李春風(fēng)(1981－)，男，河北石家莊人，承德石油高等?？茖W(xué)校工業(yè)技術(shù)中心講師，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)、有限元分析等方面研究。