《毕业设计论文内燃机曲柄连杆机构设计及连杆有限元分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文内燃机曲柄连杆机构设计及连杆有限元分析（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、完整版说明书，CAD图纸等，联系153893706内燃机曲柄连杆机构设计及连杆有限元分析摘 要：本文简要介绍了有限元分析在工程中的应用，在对曲柄连杆机构进行运动（学）、动力学分析后，对连杆模型进行适当的必要简化，用PRO/E创建实体模型并导入ANSYS，并对连杆模型进行前处理；根据连杆的受载情况，对连杆进行载荷分析，施加以工作过程中产生的最大载荷，将求解连杆的动力问题化为相应的静力问题；根据分析的结果，对连杆的有限元模型加载并求解，对结果进行了简要的结构强度计算分析。关键词：连杆；有限元；ANSYS； Design and Analysis of Crank and Connecting Ro
2、ds Machanism Based on Finite Element Method (Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract：This paper briefly introduced the finite element analysis and application in engineering, the crank and connecting rod mechanism kinematics, dynamics analysis,
3、using PRO/E modeling of the ANSYS.According to the connecting rod by the situation ,for the connecting rod,how to load on the working process of the analysis on the biggest and load produced for external force,the solution of the problem to motivate connecting to corresponding static problem;Accordi
4、ng to the result of the analysis of finite element model,connecting load and solving,the result are the brief structure strength analysis.Key words：connection rod; finite element; ANSYS; 1 前言有限元法已成为工程技术领域中不可缺少的一个强有力的计算分析工具，是研究发动机连杆的应力、应变的应用中最常用的方法，该方法较用传统的材料力学公式计算的结果更为精确。ANSYS软件是一个以有限元分析为基础的大型通用CAE软
5、件，它具有强大而广泛的分析功能、一体化的处理技术。在内燃机领域使用有限元分析方法，可以很直接地分析内燃机零部件的机构问题。有限元的应用提高了内燃机零部件设计的可能性，缩短了设计周期，大大推动了内燃机工业的发展。连杆是内燃机的主要运动受力部件之一，它在工作中所受的各种外载荷复杂且呈周期性变化，机械负荷严重，工作条件恶劣。因此，连杆的可靠性一直是人们在内燃机研究和改进过程中关注的热点问题。在分析连杆的应力和应变时，考虑这些外力和复杂运动的因素，将得到更符合实际的结果，这样能为进行连杆可靠性的优化设计提供准确的理论依据。连杆是内燃机的重要构件和主要运动件，其结构形状和受载状况均很复杂。连杆的可靠性和
6、寿命在很大程度上影响着内燃机的可靠性和寿命。如果连杆设计得不合理，使用中会出现应力集中现象或者局部强度或刚度不足，使连杆杆身发生形变，导致连杆失效，轻则会影响曲柄连杆机构的正常工作，使机械效率下降；重则会破坏活塞的密封性能，使排放恶化，甚至造成活塞拉缸、拉瓦，使发动机无法正常工作。本设计主要对4v-105柴油机连杆进行设计以及有限元分析，目的是通过采用现代设计方法及有限元技术，具体是通过PRO/E绘出4V-105连杆的三维实体模型图，将其导入ANSYS软件，选用合适单元完成对模型的有限元网格划分，完成载荷施加及边界条件的处理，得出合理的有限元分析模型，后处理，完成有限元分析计算，输出计算得到的
7、应力、应变、位移云图。由于本人知识水平有限，设计中有很多不足之处，希望老师给予批评指正。2 曲柄连杆机构的物理分析 运用力学的基本理论进行内燃机曲柄连杆机构的运动学、动力学分析，为课题的研究奠定理论基础10。2.1 曲柄连杆机构的运动学分析4v-105内燃机的工作机构主要采用中心式曲柄连杆机构，其气缸中心线通过曲轴的旋转中心，结构简图如图l所示: 图1 曲柄连杆机构结构简图Fig. 1 Linkage mechanism motion diagram图中: l 连杆长度，指连杆大、小头孔中心的距离；r 曲柄半径，指曲柄销中心与曲轴旋转中心的距离； 曲轴转角，指曲轴偏离气缸中心线的角度； 连杆摆
8、角，指连杆中心线在其摆动平面内偏离气缸中心线的角度； 曲轴旋转角速度； 活塞位移，指活塞由上止点开始向下止点运动的距离，上、下止点分别指活塞在气缸中运动所达到的距离曲轴旋转中心最远、最近的位置。活塞在气体压力的作用下作往复运动，并通过连杆将往复运动转化为曲轴的旋转运动。对曲柄连杆机构进行运动学、动力学分析时，通常近似的认为曲轴作匀速旋转运动，并将机构的各种运动学和动力学参数表示为曲轴转角的函数。活塞位移 = (r+l)-(ra+l) (1)式中： = arc() (2) 其中为连杆比 。活塞速度v v = r (3)活塞加速度a a = r2+ (4) 式中cos可按牛顿二项式定理展开成如下形
9、式：cos = 1 -2sin2 -4sin4 -6sin6 - (5)在实际计算中，为方便起见一般取前两项： cos 1 -2sin2 (6) a a+ a式中： a = r2cos，称活塞的一级加速度； a = r2cos2，称活塞的二级加速度。连杆的角速度 1 1 = = (7)连杆的角加速度 1 1 = -2(1 2) = -2 (8)2.2 曲柄连杆机构的动力学分析曲柄连杆机构的动力学分析是内燃机结构设计的基础，它是分析曲柄连杆机构中力的作用情况，并从中找出影响内燃机曲轴的输出扭矩、曲轴旋转的均匀程度和动力不平衡的根本原因，从而确定改替内燃机动力性能的措施。动力学分析还为内燃机主要零
10、件的强度、刚度、磨损、振动和轴承负荷等计算提供必要的数据。运转着的内燃机，其曲柄连杆机构中作用着气体对活塞的压力、往复或旋转运动质量的自重和惯性力、外部负荷对内燃机的反作用力、运动副间的摩擦阻力等11。在动力学分析中，一般将各运动部件的自重和运动副之间的摩擦阻力忽略不计，主要分析气体压力和惯性力在曲柄连杆机构中的作用情况。曲柄连杆机构的惯性力有:活塞组作往复运动产生的惯性力、曲轴的不平衡质量作旋转运动产生的惯性力和连杆组作复合平面运动产生的惯性力。活塞组件往复惯性力P的方向沿气缸中心线且与活塞加速度方向相反。P= -ma (9)式中 m 活塞组的质量。连杆的运动为随活塞平移的牵连运动和绕活塞销
11、转动的相对运动的复合，这两种运动都是变速运动，因此连杆的惯性力有四种(如图2所示): 图2 连杆惯性力图Fig. 2 Inertial force of connecting1）连杆组随活塞作往复运动而产生的往复惯性力Pc1，其方向平行于气缸中心线，且与活塞加速度方向相反。 Pc1= -ma (10)式中 mc 连杆组的质量 2）连杆组绕活塞销中心转动的向心加速度而产生的离心惯性力Pc2，它通过连杆组质心C且总顺着由连杆小头中心A到质心C的离心方向。 Pc2 = -mcla12 = -mcla22 (11)式中 1a 连杆小头中心到连杆质心的距离。 3）连杆组绕活塞销中心转动的切相加速度产生的
12、惯性力Pc3，它作用于连杆质心且垂直于连杆轴线。 Pc3 = -mcla1= (12)4）连杆变速旋转的角加速度产生的惯性力矩Me。Me= -Ic1=Ic (13)式中 Ic 连杆组绕其质心的转动惯量。曲轴离心惯性力Pq的方向始终沿着曲柄半径而背离旋转中心 Pq=- mqrq2 (14)式中 mq 曲轴的质量； rq 曲轴的质心到曲轴旋转中心的距离。2.3 简化后的机构受力分析 由以上分析可以看出，曲柄连杆机构的惯性力分析，特别是连杆惯性力的计算非常繁琐，在以往的理论设计和计算中往往加以简化，即用几个适当配置的集中质量来代替分布的质量，曲柄连杆机构复杂的惯性力系简化为曲轴的离心惯性力和活塞的往复惯性力4。2.3.1 机构运动件的质量换算曲柄连杆机构的所有运动零件按运动性质可分为三组:（1）活塞组。活塞组包括活塞、活塞环、活塞销及其附属零件，其沿气缸轴线作往复直线运动，每点的运动状态一样，认为其质量集中在活塞销中心，并以m表示: m= mi (15)（2）连杆组。连杆组由连杆及附件(连杆轴瓦、连杆螺栓等)组成，它作复合平面运动。连杆组质量换算的原则是保
