发动机重要零部件有限元分析毕业设计Word格式.docx
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对连杆在拉伸工况下的静态分析,同时得到了其应力云图与变形云图。
(2)对活塞进行静态有限元分析研究。
通过分析活塞受力情况,使用Pro/mechanic软件对活塞进行结构分析,得到其应力云图,等值线分布云图及其变形云图,并对寿命进行校核,分别得到了活塞的疲劳寿命云图和安全因素图。
本文用Pro/E对连杆,活塞在静态工况下的极限位置进行了简单的分析,对今后发动机连杆,活塞的应力,疲劳计算有一定的参考价值。
关键词:
连杆活塞静态分析有限元分析结构分析
Finiteelementanalysisoftheimportantpartsoftheengine
AbstractLeaderintheindustryasaproductiondieselengine,inordertoenhancethecompetitivenessoftheindustry'
sproduction,thedieselenginedesignhasbeencarriedoutcomputer-aidedengineeringapplications,thesubjectofthisstudycomesfromtheautomotivelaboratory.Wereimportantpartsoftheenginepiston,connectingrodoffiniteelement.
Inthispaper,thefiniteelementanalysis,finiteelementanalysisoftheinputload.Inthisthesis,completedthefollowingwork:
(1)Theestablishmentoftheconnectingrod,pistonofthree-dimensionalmodel,usingPro/Esoftwareformodelsimplification,finiteelementmodelandtheconditionsofthePro/E,theMechanicainthemesh,constraints,materials,connections,includingmodelselectionandsimplificationofunitSelectthemesh,selecttheoperatingmode,todeterminetheboundaryconditionsandtodeterminetheloadsandconstraintsimposed,etc.;
rodincompressionconditionsofstaticstressanalysis,havebeenconsistentwiththeactualsituationofstressclouddeformationcloudimagesandcontourstressdistribution,etc.;
Staticanalysisoftheconnectingrodinthestretchcondition,whileitsstressclouddeformationcloudimages.
(2)Staticfiniteelementanalysisofthepiston.Byanalyzingthepistonforce,usingPro/themechanicsoftwareforstructuralanalysisofpistonstresscloudcontourcontours,itsdeformationcloudimages,andthelifecheck,wereobtainedbythecloudimagesofthefatiguelifeandsafetyofthepistonspeakfactormap.
Pro/Eandtheconnectingrod,pistonlimitpositionofthestaticconditions,asimpleanalysisoffutureengineconnectingrodandpistonstress,fatigue,thereissomereferencevalue.
Keywords:
LinkPistonStaticanalysisFiniteElementAnalysisStructuralAnalysis
引言
计算机技术的发展推动了产品设计的多样化。
企业只有不断保持产品创新,才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。
CAD/CAM技术是实现创新的关键手段,而CAE是实现创新设计的最主要技术保障。
在计算机技术迅猛发展的今天,要求企业把产品设计与三维仿真及有限元分析系统有效的结合起来,以达到制造业高效、低成本、自动化的市场要求。
在柴油机的曲柄连杆机构中,连杆,活塞工作的可靠性问题一直是人们在柴油机研究和改进过程中关注的热点问题。
在动力系统中,连杆是承受负荷最严重的零件之一,在高温高压的工作环境中,同时承受着活塞传来的气体压力、往复惯性力和它本身摆动时所产生的惯性力的作用,这些力的大小和方向周期性变化,很容易引起连杆的疲劳破坏。
因而设计重量轻而且具有足够强度的连杆对现代柴油机设计有着举足轻重的作用。
以Pro/E为设计工具、以Pro/MECHANICA为分析平台,对柴油机连杆,活塞进行结构分析及其性能优化设计。
在Pro/E中,分析了连杆,活塞的结构特点,总结出连杆设计中的主要结构特征,将基于特征的建模技术应用于连杆有限元分析中,讨论了连杆建模方法,建立了连杆三维实体分析模型。
以Pro/MECHANICA为分析平台,运用有限元分析方法,对柴油机连杆,活塞实际受力情况、边界条件和施加载荷进行研究。
通过分析计算,确定了连杆的拉伸与压缩载荷最大应力与活塞的标准汽缸压力。
其中,用结构(Structure)分析工具对连杆优化参数进行灵敏度分析,在满足优化约束的条件下,对连杆的结构进行优化设计,从而有效地解决了在实际工况下由于应力集中导致连杆断裂破坏的这一主要问题。
通过计算分析,分析活塞的应力和疲劳强度。
将有限元技术与结构优化设计相结合,在连杆最大工作应力满足许用应力的条件下,优化连杆结构参数,达到目标函数一质量最小。
结果表明设计较精确,能满足柴油机连杆的实际工况要求。
第一章绪论
1.1课题提出的意义
随着时代的发展,现代的发动机无论是结构还是性能,都较以往有了很大的飞跃。
科技进步不仅推动了发动机行业的发展,还同时对它提出了更加严格的要求。
现代发动机的强化指标逐渐提高,燃烧的高效低污染、使用的稳定安全、整机寿命的延长等等技术要求不断督促着发动机行业加大研究力度和深度。
有限元法随着计算机科学的发展,在包括汽车发动机在内的几乎所有工程领域得到愈来愈广泛的运用。
有限元技术的出现,为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具,经过迄今约半个世纪的发展,它己日趋成熟实用,在近乎所有的工程设计领域发挥着越来越重要的作用。
汽车发动机零部件的设计是有限元技术最早的应用领域之一。
有限元技术的应用提高了汽车发动机零部件设计的可靠性,缩短了设计周期,大大推动了汽车发动机工业的发展。
近几年来,随着计算机软硬件水平的提高,汽车发动机零部件有限元技术又取得了许多新的进展。
一直以来传统的生产模式在我国占据着主要的地位,传统的机械设计周期长,大量依赖经验,特别在设计过程中有很多是要工程师大量的计算工作,包括校核强度、估算失效等。
这些无疑都会延长生产周期,在竞争上得不到提高。
随着计算机辅助设计(CAD)计算机辅助工程(CAE)、还有计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工艺(CAPP)的不断发展,机械制造业也开始了一场革命性的改变。
图1.1现代制造流程
Fig.1.1modernmechanicalflow
不仅在设计上在模具开发上,在设计合理上也有着很大的贡献。
计算机辅助制造的推广使用对我国的制造业提升竞争力有着巨大的推动作用。
那么整个现代化设计过程中的CAE即计算机辅助工程有着重要的地位。
由图我们可以简单看出,CAE在设计过程中是承上启下,决定产品合理性与否能否投产的关键,也说明了CAE的普遍应用是有着实际的价值的。
现代新品设计和开发所面临的挑战越来越多,产品设计越来越复杂,应用的先进技术越来越多,对产品的功能和性能的要求越来越高,而与此同时,产品的生命周期在不断缩短,这就要求我们必须在最短的时间内开发出性能最优异的产品。
有限元法是当今工程分析中应用最广泛的数值计算方法。
由于它的通用性和有效性,受到工程技术界的高度重视。
它不但可以解决工程中的结构分析问题,也成功地解决了传热学、流体力学、电磁学和声学等领域的问题。
有限元计算结果可以作为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。
使用有限元方法分析活塞模型,可以很直接地分析活塞零部件的结构强度问题,热负荷问题,而研究分析的结果与试验相结合将验证试验进行的有效性。
1.2国内外研究现状与发展
1.2.1汽车发动机零部件有限元网格生成技术
有限元网格模型的建立是采用有限元法求解问题的先决条件。
在整个求解过程中,它通常是工作量最大的部分。
随着有限元技术的广泛应用,有限元网格生成技术和可视化研究得到很大发展。
目前汽车发动机零部件有限元网格生成方式基本上可分为下述两种类型。
(1)、不基于几何模型直接建立节点、单元模型
当求解问题的模型相对简单或采用的软件功能有限时,一般采用这种建模方式。
依据建模的特点,可以采用手工方式建立整个模型,也可以首先通过手工建立一部分节点和单元,然后通过旋转拷贝、平移拷贝、合并操作建立整个模型。
早期的模型建立受软硬件条件的限制只能采用这种方式。
例如,在曲轴建模时根据曲轴的多重复结构特点,先手工建立一个单拐模型,再通过旋转、平移复制成主体模型,最后将主体模型与前后端模型合并成曲轴的整体有限元网格模型。
这种有限元网格模型的建立方式需花费较多的时间和人力,节点坐标、单元信息、(例如梁、板、壳单元的截面特性参数)边界条件(包括位移、约束、载荷大小等)均需手工计算。
对一些大规模的复杂结构,模型可能因此作较大的简化,影响最终分析的可靠度,这也是早期汽车发动机零部件有限元分析大部分集中在一些相对简单结构的重要原因。
但这种有限元网格模型的建立方式也具有易控制单元类型、节点密度等优点。
特别是随着软件在交互性、可视化方面的发展更增强了这种建模方式的生命力。
现在即便许多具有很强前处理功能的大型分析软件,也仍然保留这种建模方式,只是在使用方便性上做了较大的提高。
(2)、基于几何模型自动生成节点、单元模型
近些年来,有限元前处理技术的进展的一个突出特点是计算机辅助几何造型(特别是三维实体造型)技术的引入。
以几何模型为载体,可以自动生成相应的有限元网格模型。
根据问题的不同,采用的几何模型也相应不同。
适用杆、梁单元分析的问题可以采用线模型,适用板壳单元分析的问题采用面模型,而适宜采用实体单元分析的问题则采用实体模型。
这里的线模型或面模型可以预先直接建立也可以由实体模型转换生成,目前许多商用CAD系统都有自动生成实体模型中面模型的功能。
基于几何模型的网格生成,可以通过指定不同区域的单元大小,使网格密度合理。
基于三维实体模型建立有限元网格符合现代CAD并行工程的要求。
现代CAD并行工程要求分析模型能充分利用设计主模型,并与设计主模型相关一致。
显然这样极大地提高了分析结果的可信度,同时也大大提高了有限元网格模型生成速度和分析效率,节约了大量的时间和人力。
这对于有限元实际运用具有重要意义。
目前通过许多大型CAD软件(如I-DEAS,PRO/ENGINEER等),人们可以不加简化的建立汽车发动机许多复杂零部件的有限元网格模型。
尽管有限元网格自动生成技术发展到现在,出现了大量的不同的实现方法,如映射法、布点及三角化法、拓扑分解法、几何分解法、基于栅格法等等,但是所有这些方法在大规模复杂结构的运用上仍具有许多困难。
突出的表现在两方面:
一是几何元素过多,使得现有算法一次自动生成其有限元网格需要高性能、高配置的硬件,现有算法难以实现;
二是有些几何元素太复杂或几何元素尺寸的大小相差悬殊,导致现有算法失效或生成网格的质量欠佳。
在现有条件下,解决上述问题的一个有效途径就是引入非流形几何建模技术,将原有几何模型在拓扑上通过内部边界分解为多几个相对简单的拓扑子域,由于非流形模型可以实现内部边界的直接查询,故在利用现有算法对分解后的各个子域进行网格自动划分时,不会出现相邻边界的划分错误。
由此可以实现子域的各个击破,并最终完成大规模复杂结构的有限元网格划分。
因此实际上增强了各种有限元网格自动生成技术的功能,拓宽了汽车发动机中可分析零件的范围。
解决上述问题的另一条有效途径是,先将结构划分成某些区域节点并不连续的有限元网格,再通过施加节点间位移约束消除模型变形的不协调。
另外部分大型软件不仅可以实现单个零件基于几何模型的有限元网格自动生成,对装配模型有限元网格的建立或多零件的有限元网格的模型装配也可以方便的实现。
目前汽车发动机中最复杂的零部件包括气缸盖、机体、曲轴、活塞、连杆、增压器涡轮、压气机等等,都可以根据CAD实体模型直接建立非常精确的有限元网格模型,为这些先前几乎无法进行可靠计算的零部件,提供了一条可行的设计途径。
有限元方法是求解各种复杂数学物理问题的重要方法,是处理各种复杂工程问题的重要分析手段,也是进行科学研究的重要工具。
目前,国际上有90%的机械产品和装备都要采用有限元方法进行分析,进而进行设计修改和优化。
实际上有限元分析已成为替代大量实物试验的数值化,基于该方法的大量计算分析与典型的验证性试验相结合可以做到高效率和低成本。
1.2.2曲柄连杆机构有限元发展趋势
连杆上接活塞,下连曲轴,将活塞的往复直线运动转换为曲轴的回转运动有限元法应用于内燃机工程的目的可分为两类:
一类是进行结构分析,内燃机的一些零部件可能发生损坏,用有限元法分析和研究结构损坏的原因,找出危险区域和部位,提出相应的改进设计措施。
另一类是进行结构设计,在进行内燃机的结构设计时,可以预先对一些可能的结构方案进行有限元分析计算,再根据对计算结果的分析和比较,选取最佳的合理方案。
有限元法在内燃机工程上的运用,缩短了内燃机的开发周期和成本,提高了内燃机的可靠性、经济性。
有限元强度应力分析、动响应分析、可靠性分析和优化分析。
常规的机械设计是需要工程师大量的设计经验,在强度和结构的分析上是靠人工计算,如果构件复杂,人工计算无疑是很浪费人力和时间的工作,所以引入有限元的概念,借助计算机,帮助计算,减轻工程人员的工作量,提高设计效率。
连杆的计算分析在早期多采用经验公式,有限元理论和方法提出后,迅速在连杆分析上得到广泛应用。
连杆的有限元分析模型经历了一个由简单到复杂、由浅入深的演变发展过程。
从最早的曲梁模型,到20世纪七八十年代的平面连续模型,再到90年代至今的三维实体模型。
近年来,国内外许多学者对内燃机连杆的有限元分析进行了大量的研究,归纳起来主要是以下几个方面:
由于曲轴几何形状、边界条件和载荷极其复杂,在60年代以前很长一段时间内,人们主要用实验手段来研究曲轴的强度。
而对曲轴的计算常用方法有两种:
简支梁法和连续梁法,因此,计算精度很低,基本上满足不了设计需要。
随着计算机和计算力学的飞速发展,最近30多年来曲轴的计算方法有了极大的改善,计算精度有了较大的提高,可以相当精确地确定曲轴任一部位的应力,因此对曲轴整体的强度也可以作比较精确的评估。
在曲柄连杆机构的设计中,希望曲柄连杆机构有较高的可靠性和较长的使用寿命。
但是由于制造公差、温度以及工作期间的磨损等因素的影响,实际上机构的运动要偏离设计预定的理想运动轨道,这在工程上是完全允许的。
但不能超过规定的限度,若超过了这一限度值,而造成润滑膜破坏,产生过大的冲击载荷,使各运动件承受过大的载荷,加速疲劳,并造成过大的振动;
同时也会引起压力损失,加速磨损,降低性能。
因此,运动精度可靠性是曲柄连杆机构可靠性研究的一个重要方面。
1.2.3有限元法的发展趋势
目前,有限元结构分析趋向于分析系统,而不仅仅局限于零部件的分析。
更高性能的计算机和更强大的有限元软件的出现,使工程师们能够建立更大、更精确、更复杂的模型,从而为用户提供及时、费用低廉、准确、信息化的解决方案。
随着计算机技术的提高,特别是有限元高精度理论的完善和应用,有限元分析由
静态向动态、线性向非线性、简单模型向复杂系统,逐步地扩大应用范围。
1、求解能力更强大。
增加有限元模型几何细节会加强模拟模型与实际结构之间的联系。
在实际中,任何模拟所需要的计算机资源都是巨大的,决定有限元模拟规模大小的因素是几何离散化程度(节点数和单元数等)和所用材料模型的计算复杂性。
20世纪90年代,国外对发动机曲轴进行了大约80万自由度线性分析,2001年则采用了500万自由度的模型对活塞组件做非线性模拟。
随着计算机技术和有限元技术的发展,在不久的将来,模型可以达到1亿自由度甚至更大。
2、分析的分界线越来越模糊。
在应力和运动的模拟分析之间,传统的分界线将越来越模糊。
能做运动模拟分析的软件也能用于分析结构,如ANSYS就是集结构、动力学、温度场、流体力学和磁场于一体的分析软件。
同时,相同模型用于多种分析将引起人们的重视。
在汽车工业中,相同模型可用于结构静力学和动力学分析,祸合场分析是这种趋势的最明显体现。
3、系统分析。
系统分析的出现,使得整个系统、子系统和零部件之间的关系需要综合考虑,它们之间的影响具有层次性,各零部件之间的影响将表现在整个系统分析中。
分析某一零件时,为考虑其它零件刚度的影响和力的传递,在计算模型中应该包括相关的其它零件。
另外,为了达到对系统整体性能了解的要求,还应该进行系统内部装配件分析。
1.3课题研究目标、研究内容
1.3.1研究目标
Pro/Engineer软件是美国参数技术公司(parametrieTeehnologyCorporation,简称PTC)开发的产品。
其中的Pro/MECHANICA模块(简称Pro/M)可以进行有限元结构分析。
用户在Pro/E环境下完成零件的三维建模后,无需退出设计环境就可以进行有限元分析,这是目前绝大多数有限元软件所不能做到的。
在此之前,机械设计工程师进行有限元分析时,首先需要利用几何建模功能强的软件对零件进行建模,然后利用IGES格式或者STEP格式将数据导入有限元分析软件进行分析。
这样做的最大弊端是数据的丢失,因此分析人员常常花费大量的时间和精力进行几何模型的修复。
由于Pro/E全参数化设计思想贯穿整个设计的每个环节,因此利用Pro/M还可以进行模型的灵敏度分析、优化设计以及动力学分析。
本文以柴油机连杆,活塞为研究对象,在Pro/E集成模式下运用Pro/M对连杆,活塞进行有限元分析,得出了连杆,活塞的应力分布状况,避免了原连杆,活塞疲劳安全系数估计过于随机、盲目的问题。
1.3.2研究内容
PTC公司开发的有限元分析软件Pro/M有集成工作方式和独立工作方式两种。
在集成工作方式下,用户可在CAD模型构建后,不脱离Pro/E环境就能对几何模型进行有限元分析。
Pro/M有三个块,即结构分析块、运动动力学仿真块和热传导分析块。
利用结构分析块可以进行结构分析和优化设计等。
利用运动动力学仿真可以进行机构的运动学分析、动力学分析、三维静态分析和干涉检查。
利用热传导分析可以进行零件的稳态和瞬态温度场分析。
主要的研究内容有:
1.研究基于特征技术连杆,活塞的三维建模方法,包括特征的定义、分类,特征的约束、组合关系和特征编辑的方法等。
讨论连杆,活塞的基于特征的实体建模方法。
2.以Pro/M为分析平台,运用有限元分析方法,对柴油机连杆,活塞工作状况中的实际受力情况、连杆,活塞的有限元网格划分、边界条件的确定和施加进行研究。
通过应力分析和显示应力云图,确定连杆,活塞的最大主应力、最大主应变部位(即连杆的应力集中点),为连杆灵敏度分析提供依据。
3.根据应力集中点的尺寸设计参数对连杆进行灵敏度分析,找出产生连杆应力集中现象的主要原因,应力集中是造成连杆断裂的主要原因。
第二章有限元分析、Proe/E理论基础
2.1有限元法
有限元是常说的CAE分析,核心概念就是离散:
就是把要分析的某连续体人为地分割成有限个单元,单元间通过顶点的节点连接起来。
复杂的连续体经此离散化,可视为若干单元的组合体。
对每个单元,选取适当的插值函数,使得该函数在子域内部、子域分界面上(内部边界)以及子域与外界分界面(外部边界)上都满足一定的条件。
单元组合体在己知外载荷作用下处于平衡状态时,列出一系列以节点位移为未知量的线性方程组。
利用计算机解线性方程组获得节点位移后,再用弹性力学的有关公式,计算出各单元的应力、应变,当各单元小到一定程度,那么它就代表连续体各处的真实情况。
从应用数学角度,有限单元法基本思想的提出,可以追溯到Courant在1943年第一次尝试使用在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合,求解扭转问题,虽然期间有很多工程师、物理学家、数学家都涉及有限单元法,但知道1960年,电子数值计算机的应用和发展,有限单元法的发展才显著加快。
现代有限单元法的第一个成果的尝试,是将刚架位移推广应用于弹性利息平面问题,是在分析飞机结构时在1956年的成果,第一次给出了三角形单元求的平面应力问题的正确解答。
三角形单元的单元特性是由弹性理论方
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