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时间:2020-11-25 16:08  编辑:wendj

文章编号:100020909(2002)0120079205200018接触问题对连杆有限元分析的影响Ξ

苏铁熊1,吕彩琴1,张 翼1,杨世文1,张自明2,狄建兵2

(1.华北工学院机械电子工程系,山西太原030051;2.山西70研究所,山西大同037000)

        摘要:在对连杆组件进行有限元静力分析中,采用了两种不同的约束边界条件——刚性约束(即采用曲柄销约束)和弹性约束(即采用曲拐约束)。运用I2D EA SM aster Series7.0软件提供的接触单元,模拟连

杆大头孔和曲柄销(或曲拐)之间的接触状态,并以某大功率柴油机为例,研究了不同的约束条件对连杆

组件有限元分析结果的影响和对接触的影响,说明了约束条件在有限元分析中的重要性。

关键词:连杆;有限元法;约束;接触

中图分类号:T K413.32;U464.133.2   文献标识码:A

引言

,尤其是随着客用高速和货运重载的需要,对大功率强化柴油机连杆的可靠性提出了更高的要求。计算机硬件能力及软件水平的提高,使有限元法在结构分析中得到进一步的应用。在对结构实际工作过程进行有限元模拟时,如何处理相邻零件之间的接触将对模拟结果产生重要影响。

  在对结构的有限元法分析中,对相邻零件间接触问题的处理是一个难点。首先在构件的实际工作过程中,接触边界状态随变形过程的发展不断变化,事先难以确定。其次,接触面之间存在着摩擦和相对滑动,而摩擦的机理仍然是尚未解决的难题。接触摩擦问题是典型的非线性问题,且无法以显式的方式给出非线性边界条件,因此使得有限元模拟比较困难。目前一般采用简化的理想模型来进行计算。

  在接触计算方法中,现在普遍采用的方法有罚函数法、拉格朗日乘子法以及增广拉格朗日乘子法。拉格朗日乘子法提供了将界面滑动约束加入有限元列式的准确数学描述,但是增加了系统的自由度,增加了计算费用,同时对接触区域无法事先确定,对结构在工作过程中的接触过程模拟困难。罚函数法在不增加系统自由度的前提下,增加系统矩阵带宽,使得数值求解比较方便,但是当罚因子选择不当时,容易造成模拟系统的数值稳定性下降。现有的摩擦定律能够很好地模拟粘滑摩擦,但是无法模拟静摩擦状态。由于以上原因,随着有限元模拟技术越来越多地应用于实际工业生产,接触及接触摩擦问题的有限元模拟技术将成为此领域的研究热点之一。

  本文将简要介绍有限元程序中处理接触问题的一般方法,运用商业有限元分析软件I2D EA S M aster Series7.0对柴油机连杆强度进行多体接触模型的三维有限元分析,着重研究了连杆大头孔与曲柄销(或曲拐)之间的接触状态以及接触方式对大头孔变形的影响。

  由于连杆受力情况较复杂,在工作中要承受惯性力和气体压力所产生的交变载荷,故对连杆的研究可以只考虑其极限工作状态,即最大拉伸工况和最大压缩工况。

1 连杆有限元静力分析

1.1 实体模型的建立

  连杆组在整体结构上比较复杂,包括了连杆体、大头盖、连杆轴瓦、连杆小头衬套以及连杆螺栓等零件。对连杆的有限元分析是基于结构的三维实体模型进行的,根据计算要求应用参数化设计和特征建模技术对连杆进行了三维实体建模。

  由于主要考虑对象是连杆,故在建模时对连杆建立的是详细的实体模型,而对螺栓、曲轴等则根据刚度等效原则进行了适当简化。

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 结构离散并划分单元

  由于连杆组结构比较复杂,为保证网格划分顺利、

第20卷(2002)第1期              

内 燃 机 学 报

Tran saction s of CSI CE

             V o l.20(2002)N o.1

Ξ收稿日期:2001206225;修订日期:2001209205。

   基金项目:部级“九五”重点预研项目。

   作者简介:苏铁熊(1963-),男,副教授,博士,主要研究方向为内燃机设计。

单元不发生畸变、网格划分质量高,同时保证在相同精度下减少节点数量,从总体上减少非应力集中区域的单元数,更好地控制单元的疏密过渡,首先要对连杆进行分区离散化,用分区面将连杆分成12个区域。根据连杆强度的研究资料及使用实践经验可知,连杆破坏处一般发生在连杆小头与杆身过渡弧处,杆身与大头

过渡弧处以及大头盖两侧螺栓头下的小圆角处[1]。连杆小头油孔边界单元的密度也影响到拉压载荷向边界节点移置的精度,故将上述这些地方的单元划分得密一些,采用三节点面单元对其进行网格剖分,连杆实体选用四节点四面体单元进行网格剖分。连杆有限元网格如图1所示

。

图1 连杆有限元网格图

F ig .1 The FEA gr iddi ng map of ConRod

1.2.2 约束条件

  边界约束的目的是为了消除整体模型的刚体位移。本文通过采用两种约束方法分析接触问题对连杆有限元分析结果的影响。方法一:刚性约束,即采用销子约束。连杆大头孔用曲柄销固定,曲柄销的一个端面全约束,另一个端面可以轴向移动(如图2所示,图中箭头表示在该方向上约束),对连杆小头顶端在其一节点横向进行位移协调约束,曲柄销和大头孔间施加I 2D EA S 软件提供的接触单元。方法二:弹性约束,即用

一个简化了的单拐约束。连杆大头孔与单拐联接,以约束单拐两端的主轴颈端面(如图3所示,图中箭头表示在该方向上约束)。1.2.3 载荷条件

  由于连杆的受力复杂,根据力的作用效果,考虑以下三种载荷的作用。1.2.3.1 预紧载荷

  连杆的预紧载荷包括螺栓装配预紧力、连杆轴瓦装配时产生的预紧力以及连杆衬套过盈装配产生的预紧力。

  (1) 螺栓装配预紧力。

  在计算模型中采用实际螺栓的材料特性、直径及长度,建立杆单元模型,将螺栓预紧力按照预变形的方式施加到有限元模型中,保证当有其它外力时,螺栓预紧载荷的变化和影响将完全符合实际情况。施加预变形的方法是采用温度法,由温差使杆单元收缩而实现准确的螺栓预紧力,同时要考虑大头盖、连杆体和螺栓

作为统一弹性系统所产生的刚度协调和变形协调。  (2) 连杆轴瓦装配预紧力。

  连杆轴瓦装配预紧力以面力的形式作用在接触面上。

  (3) 连杆衬套过盈装配产生的预紧力。

  连杆衬套的过盈量以压强的形式作用在接触面上。配合面间的压强p (M Pa )与配合过盈量∆之间的关系为:    p =

∆×10-

3

d (c 1E 1+

c 2

E 2)(1)

c 1=

d 2+d 21

d 2-d 21

-Λ1    c 2=d 22+d

2d 22-d

2+Λ2式中:d 为配合面直径,mm ;d 1为衬套内径,mm ;d 2为

小头外圆直径,mm ;Λ1,Λ2为泊松比;∆为配合过盈量,

Λm ;E 1,E 2为弹性模量,M Pa 。1.2.3.2 最大惯性力

  当活塞到达上止点时,连杆受到最大惯性力的作用,该力体现为拉伸效果。由于连杆受到的惯性力是由活塞组和连杆组共同产生的,作用在活塞销上,因此,加载时把惯性力平均加在活塞销下方。在本文的算例

中,惯性力大小为17.5N mm 2

(见图4)。在连杆拉伸工况下,不但承受预紧工况时的载荷,还承受惯性载荷。惯性载荷按余弦变化规律施加在连杆小头的上半孔上。

・08・内  燃  机  学  报               第20卷第1期

图2 连杆采用曲柄销约束示意图

F ig .2 The restr ict h i n t map of ConRod by crankp i n

图3 连杆采用单拐约束示意图

F ig .3

 The restr ict h i n t map of ConRod by crank

图4 惯性载荷分布图

F ig .4 The distr ibuti ng map of i nerti a loads

1.2.3.3 最大爆发压力

  在做功行程时,连杆受到由活塞、活塞销传过来的最大爆发压力。对连杆来说,施力物体是活塞销,加载时最大爆发压力作用在活塞销上方。在本文的算例中,

最大爆发压力大小为59.5N mm 2

(见图5

)。

在最大爆发压力工况下,连杆不但承受预紧工况时的载荷,还承

受做功行程时的最大爆发压力。该载荷按余弦变化规律施加在连杆小头的下半孔上。

图5 爆发压力分布图

F ig .5 The distr ibuti ng map of explodi ng press

18・2002年1月             苏铁熊等:接触问题对连杆有限元分析的影响

2 算 例

  某大功率柴油机连杆,材料为42C r M oA,标定工况,转速为2200r m in。文中考虑爆压为16M Pa时的工况,轴瓦装配预紧力为7800N,连杆螺栓拧紧力矩为280N・m,小头衬套过盈量为0.1mm。

2.1 接触比压

  根据计算结果考查了连杆与曲柄销或单拐之间的接触比压。

  采用曲柄销约束的连杆,其接触比压相对连杆纵向中心线呈近似对称分布,压缩工况时的接触比压为112N mm2,拉伸工况时的接触比压为44.2N mm2。  采用曲拐约束的连杆,其接触比压相对连杆纵向中心线分布不对称,靠近大头孔薄端一方的接触比压较大。压缩工况时的接触比压为297N mm2,拉伸工况时的接触比压为185N mm2。

2.2 接触摩擦

  在对连杆做静态分析时,在连杆体和大头盖的接触面之间存在着摩擦应力。采用曲柄销约束的连杆,压缩工况时的接触摩擦应力为17.6N mm2,拉伸工况时的接触摩擦应力为68.1N mm2。采用曲拐约束的连杆,压缩工况时的接触摩擦应力为93.8N mm2,拉伸工况时的接触摩擦应力为135N mm2。

2.3 连杆大头孔变形

  采用不同约束方式时,大头孔的变形如表1所示。采用曲柄销约束(刚性约束)和采用曲拐约束(弹性约束)时,大头孔的变形相差不大。

表1 连杆大头孔变形

Tab.1 The big end hole distortion of ConRod

采用曲柄销采用曲拐

工况横向变形

Λm

纵向变形

Λm

横向变形

Λm

纵向变形

Λm

拉伸工况-43.67+30.6-45.11+28.49压缩工况-16.18+6.86-16.37+2.09

2

.4 算例分析

  从计算结果可以看出,采用曲拐约束的连杆的接触比压和摩擦应力大于采用曲柄销约束的连杆的接触比压和摩擦应力。这是由于在计算时考虑了曲拐的弯曲刚度。由于曲拐的弯曲变形,加大了接触面之间(曲柄销或曲拐与连杆大头孔之间的接触面、连杆体和大头盖之间的接触面)的压力分布不均匀度,从而造成比压增大、摩擦应力增大,并由于连杆大头的不对称,使接触比压和摩擦应力的最高点靠近大头孔薄端一方(见图6~图9)。采用曲拐约束的方法更能精确体现连杆工作的实际状况。

  由于连杆大头孔变形量是判断连杆刚度是否满足要求的重要指标之一,从两种约束方法的计算结果来看,大头端内孔的变形趋势一致,变形量差别不大,因此采用曲拐约束得到的结果更精确些。但考虑到采用曲拐约束法的计算规模较大,因此,当接触比压和摩擦应力不作为重点考虑对象时,可简单采用用曲柄销约束连杆的算法。

图6 采用曲柄销约束的连杆的接触比压和摩擦应力

F ig.6 The con t act pressure of ConRod

restr icted by crankp i n

图7 采用曲拐约束的连杆的接触比压和摩擦应力

F ig.7 The con t act pressure of ConRod

restr icted by crank

图8 采用曲柄销约束的摩擦应力

F ig.8 The fr iction stress of ConRod

restr icted by crankp i n

2

8

・内  燃  机  学  报               第20卷第1期

图9 采用曲拐约束的摩擦应力

F ig .9 The fr iction stress of ConRod restr icted by crank

3 结 论

  (1) 弹性约束的接触比压和摩擦应力均比刚性

约束大,且接触比压和摩擦应力的分布相对连杆纵向中心线不对称,靠近大头孔薄端一侧的接触比压比较大。

  (2) 通过对柴油机连杆采用不同的约束方式进行三维有限元计算分析,说明对连杆大头孔采用刚性约束或弹性约束,其大头端内孔的变形基本一致,且都满足不超过平均轴承、轴套间隙的50%[3],其结果都是正确的。参考文献:

[1] 柴油机设计手册编辑委员会.柴油机设计手册(上册)

[M ].北京:农业机械出版社,1984.

[2] 吴富民1结构疲劳强度[M ].成都:西北工业大学出版

社,1985.67.

[3] 楼狄明,刘光辉.16V 280ZJA 型机车柴油机连杆的有

限元分析[C ].见:第11届全国大功率柴油机学术年会论文集.中国造船工程学会、中国兵工学会、中国铁道学会、中国内燃机学会,1999.34.

[4] 张红兵.大功率军用发动机连杆CAD 技术研究:[学位

论文][D ].太原:华北工学院,1996.

[5] 蔡 钅川.对选择主、副连杆结构参数的研究[C ].见:机

车柴油机论文集.北京:中国铁道出版社,1979.54~

57.

The Con tact Affection to Fea of Connection Rod

SU T ie -x iong 1,L V Ca i -q i n 1,ZHANG Y i 1,YANG Sh i -wen 1,ZHANG Z i -m i ng 2,D I J i an -b i ng

2

(1.D epartm ent of M echanical &E lectronic Engineering ,N o rth Ch ina Institute of T echno logy ,T aiyuan 030051,Ch ina ;

2.Shanxi V eh icle Engine R esearch Institute ,D atong 037000,Ch ina )

Abstract :In th is paper ,tw o different restrict boundary conditi ons are adop ted in F inite E lem ent A nalyze of connecting rod assem bly ,the stiff restrict of adop ting crank p in and elastic restrict of crank .T he contact cell app lied w ith I 2D EA S M aster Series 7.0is used .T he contact state betw een the big end of ConRod and crankp in is si m ulated .A nd som e heavy diesel engine is examp led .T he affecti on of different restrict conditi on to ConRod ’s FEA result and contact is studied .T he i m p ro tance of restrict conditi on is show ed .Keywords :Connecting rod ;FE M ;R estrict ;Contact

38・2002年1月             苏铁熊等:接触问题对连杆有限元分析的影响

。

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