CN117217037A - 一种发动机连杆强度及疲劳安全系数分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机连杆强度及疲劳安全系数分析方法，属于发动机连杆领域，所述的分析方法包括步骤1、分析前预处理，步骤2、建立有限元模型、步骤3、赋予材料属性、步骤4、对有限元模型进行求解、步骤5、提交分析报告。本发明对发动机连杆进行结构静力学分析，一方面通过验证连杆结构方案的可行性并分析方案的优劣，选择到更简单、更合理的方案，另一方面，可以验证连杆的强度，考察结构的可靠性。对连杆进行强度分析，然后根据分析结果判断是否满足工作要求。最后，通过连杆组件静力拉压计算结果确定出了一套成熟的连杆强度计算方法。
Description
技术领域
本发明属于发动机连杆领域，更具体的说涉及一种发动机连杆强度及疲劳安全系数分析方法。
背景技术
连杆作为汽车发动机核心部件，连杆在工作中承受由燃气压力和惯性力的共同作用产生拉、压交变载荷，在力的作用下，应避免杆身显著压弯而导致活塞相对于气缸、衬套相对于轴径发生歪斜，因此需考虑连杆的屈曲稳定性，同时，应避免连杆大小头孔的显著变形而导致与轴承无法正常地配合，因此需评估大小孔的变形，连杆受到交变应力作用，在局部区域还会产生应力集中，因此需对关键部件进行应力校核、疲劳分析。
目前传统的分析方法，有连杆二维变厚度有限元计算模型：由于连杆结构及载荷基本是对称均匀分布的，可以简化为平面应力问题来处理，而对于过渡圆弧，连杆大头螺孔及连杆盖加强筋等部位的单位，采用按截面面积等效原则，确定该部位各单元的当量厚度，但按照此方法计算量大且复杂。新增一种基于CAE有限元分析软件对连杆进行强度分析是非常有意义的。
连杆在工作中承受由燃气压力和惯性力的共同作用产生拉、压交变载荷，因此其处于疲劳应力状态。连杆的强度分析是燃油机设计中的重要内容，连杆的有限元分析经历了从二维到三维，从简化模型到装配模型的过程。在传统的分析方法基础上，利用NX三维建模软件建立连杆整体的三维模型，并将其导入有限元软件进行网格精细划分、边界条件加载、创建静力分析步、提交计算。连杆强度分析需重点考察：变形结果、应力结果、屈曲分析以及疲劳安全系数等几个方面。
发明内容
本发明专利采用三维有限元分析技术，设计人员在产品的设计定型或生产之前，就可以更为准确地预测产品的性能，有利于提高产品质量，降低设计成本，缩短产品投放市场的时间。
为了实现上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：所述的分析方法包括
步骤1、分析前预处理，是指网格划分，将分析对象按照一定的尺寸和比例划分成连续、无断点的网格单元；
步骤2、建立有限元分析模型；
步骤3、赋予材料属性，创建几何模型的材料、材料属性，并赋予网格材料属性；
步骤4、对有限元模型进行求解；
步骤5、提交分析报告。
进一步地，所述的步骤2、建立有限元分析模型包括如下模型：
（1）变形表达式（位移表示）；
（1）
其中，u表示每个节点的位移向量，n为节点数量；
（2）应变-位移关系；
在线性弹性情况下，应变（ε）和位移（u）之间的关系根据胡克定律表示为：
（2）
其中，ε表示每个节点的应变向量，B为应变与位移的矩阵；
（3）应力-应变关系：
在线性弹性情况下，应力（σ）和应变（ε）之间的关系可以通过材料的弹性模量（E）和泊松比（ν）表示为：
（3）
其中，σ表示每个节点的应力向量，C为应力与应变的矩阵；
（4）单元刚度矩阵（K）
单元刚度矩阵描述了单元的刚度特性。对于线性弹性问题，单元刚度矩阵可以通过以下公式计算：
（4）
其中，B为应变与位移的矩阵，C为应力与应变的矩阵；
（5）全局刚度矩阵（）：
将所有单元的刚度矩阵组合起来，可以得到整个系统的刚度矩阵；
（5）
其中，表示每个单元的刚度矩阵；
（6）荷载向量（F）
荷载向量包括施加在结构上的外力和约束条件。可以将外力表示为荷载向量F，约束条件表示为位移边界条件；
（6）
其中，F表示每个节点上的外力向量；
（7）位移解向量（u）
通过解全局刚度矩阵和荷载向量的线性方程组，可以得到位移解向量u，即每个节点的位移值；
（7）
（8）应力计算：
根据位移解向量和单元刚度矩阵，可以计算每个单元的应力;
（8）。
进一步地，所述的步骤4、对有限元模型进行求解详细过程如下：
S401设置接触对;
S402设置边界条件;
S403求解方程；
S404结果后处理。
进一步地，所述的S401设置接触对，是将所有接触平面识别出来，并创建接触平面，接触面设置好后，依次建立接触对，并选择主从面。
进一步地，所述的402设置边界条件，确定模型的边界条件和加载方式，包括施加在材料上的力和约束条件。
进一步地，所述的S403求解方程：
a组装系统刚度矩阵：将每个单元的刚度矩阵组装成整个系统的刚度矩阵，通过按照单元连接节点将单元刚度矩阵的贡献叠加到系统刚度矩阵中来实现；
b. 应用边界条件：根据约束条件和边界条件，对系统刚度矩阵和载荷向量进行相应的修改，通过将约束节点的行和列设置为零，以及将约束节点的位移设置为已知值来实现。
c. 求解线性方程组：解决修改后的线性方程组，得到位移解向量，使用各种数值方法雅可比迭代法进行求解。
进一步地，所述的S404结果后处理：
a. 应力计算：根据位移解向量和单元刚度矩阵，计算每个单元的应力，应力计算可以在每个单元上进行，也可以通过插值方法得到整个结构的应力分布。
b. 变形计算：利用位移解向量和几何信息计算每个节点的变形量和位移场。
本发明有益效果：
（1）本发明对发动机连杆进行结构静力学分析，一方面通过验证连杆结构方案的可行性并分析方案的优劣，选择到更简单、更合理的方案，另一方面，可以验证连杆的强度，考察结构的可靠性。对连杆进行强度分析，然后根据分析结果判断是否满足工作要求。
（2）采用曲柄连杆结构受力理论与计算机辅助工程（CAE）仿真技术结合，对连杆结构的应力强度、疲劳寿命进行校核的分析方法。
附图说明
图1为本发明分析方法流程图；
图2为基于现有结构设计的三维模型爆炸图；
图3为连杆CAE有限元网格模型图；
图4为力传导的主要作用区域图；
图5为最大受拉工况下连杆应力分布图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本发明所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1所示，所述的分析方法包括
步骤1、分析前预处理，是指网格划分，将分析对象按照一定的尺寸和比例划分成连续、无断点的网格单元；网格的划分质量好坏直接影响计算时间和结果。
基于现有结构设计的CAD模型，图2的连杆仿真计算模型包含了连杆盖、连杆体、螺栓、曲柄销、活塞销等组件（有些小头还包含合金钢背衬套），并在NX三维软件中完成装配。连杆组件的过盈装配载荷分为两部分：一是连杆小头衬套间的过盈装配载荷，二是连杆大头与曲柄销间的过盈装配载荷，通过定义过盈接触面之间的过盈量来施加过盈装配载荷。
模型几何清理：图2模型由结构线条组成，线条的排布对网格质量存在影响，进入Geom模块，进入几何清理优化，其原则不破坏连杆本身主要结构。
网格划分：分别完成仿真计算模型的2d、3d网格划分，并完成网格质量检查。
步骤2、建立有限元分析模型；
所述的步骤2、建立有限元分析模型包括如下模型：
（1）变形表达式（位移表示）；
（1）
其中，u表示每个节点的位移向量，n为节点数量；
（2）应变-位移关系；
在线性弹性情况下，应变（ε）和位移（u）之间的关系根据胡克定律表示为：
（2）
其中，ε表示每个节点的应变向量，B为应变与位移的矩阵；
（3）应力-应变关系：
在线性弹性情况下，应力（σ）和应变（ε）之间的关系可以通过材料的弹性模量（E）和泊松比（ν）表示为：
（3）
其中，σ表示每个节点的应力向量，C为应力与应变的矩阵；
（4）单元刚度矩阵（K）
单元刚度矩阵描述了单元的刚度特性。对于线性弹性问题，单元刚度矩阵可以通过以下公式计算：
（4）
其中，B为应变与位移的矩阵，C为应力与应变的矩阵；
（5）全局刚度矩阵（）：
将所有单元的刚度矩阵组合起来，可以得到整个系统的刚度矩阵；
（5）
其中，表示每个单元的刚度矩阵；
（6）荷载向量（F）
荷载向量包括施加在结构上的外力和约束条件。可以将外力表示为荷载向量F，约束条件表示为位移边界条件；
（6）
其中，F表示每个节点上的外力向量；
（7）位移解向量（u）
通过解全局刚度矩阵和荷载向量的线性方程组，可以得到位移解向量u，即每个节点的位移值；
（7）
（8）应力计算：
根据位移解向量和单元刚度矩阵，可以计算每个单元的应力;
（8）。
步骤3、赋予材料属性，创建几何模型的材料、材料属性，并赋予网格材料属性；
步骤4、对有限元模型进行求解；
所述的步骤4、对有限元模型进行求解详细过程如下：
S401设置接触对;
所述的S401设置接触对，是将所有接触平面识别出来，并创建接触平面，接触面设置好后，依次建立接触对，并选择主从面。
S402设置边界条件;
所述的402设置边界条件，确定模型的边界条件和加载方式，包括施加在材料上的力和约束条件。
S403求解方程；
所述的S403求解方程：
a组装系统刚度矩阵：将每个单元的刚度矩阵组装成整个系统的刚度矩阵，通过按照单元连接节点将单元刚度矩阵的贡献叠加到系统刚度矩阵中来实现；
b. 应用边界条件：根据约束条件和边界条件，对系统刚度矩阵和载荷向量进行相应的修改，通过将约束节点的行和列设置为零，以及将约束节点的位移设置为已知值来实现。
c. 求解线性方程组：解决修改后的线性方程组，得到位移解向量，使用各种数值方法雅可比迭代法进行求解。
S404结果后处理。
所述的S404结果后处理：
a. 应力计算：根据位移解向量和单元刚度矩阵，计算每个单元的应力，应力计算可以在每个单元上进行，也可以通过插值方法得到整个结构的应力分布。
b. 变形计算：利用位移解向量和几何信息计算每个节点的变形量和位移场。
步骤5、提交分析报告。通过可视化技术，以图像、图表等形式展示和分析有限元分析得到的结果。
实施例一：
基于现有结构设计的CAD模型，图2的连杆仿真计算模型包含了连杆盖、连杆体、螺栓、曲柄销、活塞销等组件（有些小头还包含合金钢背衬套），并在NX三维软件中完成装配。连杆组件的过盈装配载荷分为两部分：一是连杆小头衬套间的过盈装配载荷，二是连杆大头与曲柄销间的过盈装配载荷，通过定义过盈接触面之间的过盈量来施加过盈装配载荷。
模型几何清理：图2模型由结构线条组成，线条的排布对网格质量存在影响，进入Geom模块，进入几何清理优化，其原则不破坏连杆本身主要结构。
网格划分：分别完成仿真计算模型的2d、3d网格划分，并完成网格质量检查：针对红色显示的质量较差网格，可返回Gemo模块qulick edit命令对模型线条进一步优化，或者点击2D模块replace命令，对狭长网格进行合并处理。处理完成后，点check elements图标，点击查看2d和3d栏中最右侧的指标，尽量确保默认的翘曲量、长宽比、扭曲比、坍塌比、弦差等指标均满足要求。以上就完成了有限元网格模型建立（见图3）。
定义材料属性：创建几何模型的材料、材料属性，并赋予网格材料属性。在建立好的components网格中，单击右键，点击Assign，选择刚才创建好的材料属性，点击apply，材料数据被赋予到网格实体中。
设置接触对：将所有接触平面识别出来，并创建接触平面。接触面设置好后，依次建立接触对，并选择主从面。CAE计算分析过程中，因接触问题带来的错误往往比较常见，为了接触能够稳定计算，有必要设置接触控制有利于接触计算收敛。
加载边界条件：首先加载边界约束和螺栓预紧力，第二步加载拉压力。活塞销收到活塞销座传来的爆发压力，活塞销座与活塞销接触区域作为力传导的主要作用区域，大致分布在活塞销上部120°左右区域（如图4）。在hypermesh中，采用集中力加载方式，为了更好模拟受力情况建立MPC，采用1个节点控制多个节点空间自由度的方式，进行力的施加。
输出控制：针对需要计算输出的信息进行管理，在Analysis模块中点击outputblock；创建好名称后点击creat，在点击edit，只选取应力和应变的输出结果，分别在NodeFile和EIfile，勾选U、RF、CF和S、SP、SINV；输出控制就创建好了。
在Anaylsis模块中点击load steps命令，自定义命名后，在loadcols中依次选取曲柄销、对称中间截面的边界约束及螺栓预紧力。在outputblocks中选择前面创建好的输出控制项，在groups中选择之前创建好的contact controls，然后分别点击creat及edit。
提交计算：经过以上操作后，连杆CAE分析模型已创建完成，完成模型导出，打开Abaqus command，将导出的inp文件保存至Abaquscommand显示的文件夹内，输入代码然后敲击Enter即可开始计算。
以上是模型提交求解，并对结果进行解析。
应力场计算分析：通过静力学分析方法，得到连杆的应力分布，连杆各关键部位的当量应力是否在材料安全极限以内。当活塞位于进气冲程上止点时，连杆处于最大受拉工况。其中，连杆小头孔径上作用着活塞组的往复惯性力，它与连杆的惯性力一起，与大头孔径的反作用力相平衡。此工况下连杆应力分布如图5。
高周疲劳安全系数计算分析：基于应力场结果计算得到连杆的高周疲劳安全系数，为了保证连杆在整个转速范围内循环载荷作用下的安全性。
实施例二
1.首先在NX三维建模软件中先完成连杆各部件的建模及装配，其次再完成部件实体.x_t格式的导出。
2.格式.x_t三维模型导入到hypermesh中进行前处理（包括：实体线条处理、网格划分、定义材料性能属性和接触属性），再根据连杆在可变压缩比发动机工作中具体应用情况设定边界条件，连杆失效大多数是在周期性变化的外力作用的疲劳破坏，因此在连杆有限元计算也相应选择承受最大拉伸和最大压缩情况进行加载。
3.处理好的模型进行data check无问题后，导入到command求解器中进行求解。
4.求解完成后，将计算completed的ODB文件导入到Abaqus软件分析界面中对连杆进行整体分析，在软件中可以得到连杆各部位节点的最大应力应变分布情况，以及最大应力发生位置。根据可变连杆使用的材料的应力应变特性，可知连杆的许用应力值。连杆所受的最大应力与许用应力进行评价，当最大应力小于许用应力时，强度满足设计要求。当强度不满足要求时，可通过重新选用材料或优化连杆结构后再重复进行计算。
5.连杆疲劳分析采用高周疲劳（S-N）分析方法，计算高周疲劳的目的是为了保证连杆在整个转速范围内循环载荷作用下的安全性。将螺栓预紧力载荷和过盈装配载荷引起的应力作为恒定载荷，爆发压力载荷和惯性载荷作为动态载荷，对这两个极限工况计算得到的相应应力幅和平均应力文件导入到FEMFAT软件中，完成材料参数创建、求解参数的设置（考虑表面粗糙度、应力数据、置信度、影响因子等），提交计算任务。
6.结果评价原则各部位最小安全系数应大于或等于1.50。
7.根据连杆的应力及疲劳分析云图，为连杆结构的优化方向提供了有效指导。
8.本发明采用了多款模块专业仿真软件联合仿真分析连杆结构的方法，有效提高了仿真分析计算结果的正确性。已在多款可变压缩比内燃机连杆结构设计开发初期使用，推动了国内连杆产品高强度和轻质化连杆设计验证能力，提高了连杆产品性能可靠性，减少连杆疲劳试验验证周期。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(ReadOnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(RandomABBessMemory，RAM)等。
应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种发动机连杆强度及疲劳安全系数分析方法，其特征在于：所述的分析方法包括
步骤1、分析前预处理，是指网格划分，将分析对象按照一定的尺寸和比例划分成连续、无断点的网格单元；
步骤2、建立有限元分析模型；
步骤3、赋予材料属性，创建几何模型的材料、材料属性，并赋予网格材料属性；
步骤4、对有限元模型进行求解；
步骤5、提交分析报告。
2.根据权利要求1所述的一种发动机连杆强度及疲劳安全系数分析方法，其特征在于：所述的步骤2、建立有限元分析模型包括如下模型：
（1）变形表达式（位移表示）；
（1）
其中，u表示每个节点的位移向量，n为节点数量；
（2）应变-位移关系；
在线性弹性情况下，应变（ε）和位移（u）之间的关系根据胡克定律表示为：
（2）
其中，ε表示每个节点的应变向量，B为应变与位移的矩阵；
（3）应力-应变关系：
在线性弹性情况下，应力（σ）和应变（ε）之间的关系可以通过材料的弹性模量（E）和泊松比（ν）表示为：
（3）
其中，σ表示每个节点的应力向量，C为应力与应变的矩阵；
（4）单元刚度矩阵（K）
单元刚度矩阵描述了单元的刚度特性；对于线性弹性问题，单元刚度矩阵可以通过以下公式计算：
（4）
其中，B为应变与位移的矩阵，C为应力与应变的矩阵；
（5）全局刚度矩阵（）：
将所有单元的刚度矩阵组合起来，可以得到整个系统的刚度矩阵；
（5）
其中，表示每个单元的刚度矩阵；
（6）荷载向量（F）
荷载向量包括施加在结构上的外力和约束条件；可以将外力表示为荷载向量F，约束条件表示为位移边界条件；
（6）
其中，F表示每个节点上的外力向量；
（7）位移解向量（u）
通过解全局刚度矩阵和荷载向量的线性方程组，可以得到位移解向量u，即每个节点的位移值；
（7）
（8）应力计算：
根据位移解向量和单元刚度矩阵，可以计算每个单元的应力;
（8）。
3.根据权利要求1所述的一种发动机连杆强度及疲劳安全系数分析方法，其特征在于：所述的步骤4、对有限元模型进行求解详细过程如下：
S401设置接触对;
S402设置边界条件;
S403求解方程；
S404结果后处理。
4.根据权利要求3所述的一种发动机连杆强度及疲劳安全系数分析方法，其特征在于：所述的S401设置接触对，是将所有接触平面识别出来，并创建接触平面，接触面设置好后，依次建立接触对，并选择主从面。
5.根据权利要求3所述的一种发动机连杆强度及疲劳安全系数分析方法，其特征在于：所述的402设置边界条件，确定模型的边界条件和加载方式，包括施加在材料上的力和约束条件。
6.根据权利要求3所述的一种发动机连杆强度及疲劳安全系数分析方法，其特征在于：所述的S403求解方程：
a组装系统刚度矩阵：将每个单元的刚度矩阵组装成整个系统的刚度矩阵，通过按照单元连接节点将单元刚度矩阵的贡献叠加到系统刚度矩阵中来实现；
b. 应用边界条件：根据约束条件和边界条件，对系统刚度矩阵和载荷向量进行相应的修改，通过将约束节点的行和列设置为零，以及将约束节点的位移设置为已知值来实现；
c. 求解线性方程组：解决修改后的线性方程组，得到位移解向量，使用各种数值方法雅可比迭代法进行求解。
7.根据权利要求3所述的一种发动机连杆强度及疲劳安全系数分析方法，其特征在于：所述的S404结果后处理：
a. 应力计算：根据位移解向量和单元刚度矩阵，计算每个单元的应力，应力计算可以在每个单元上进行，也可以通过插值方法得到整个结构的应力分布；
b. 变形计算：利用位移解向量和几何信息计算每个节点的变形量和位移场。
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| CN202311017752.4A CN117217037A (zh) | 2023-08-14 | 2023-08-14 | 一种发动机连杆强度及疲劳安全系数分析方法 |
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| CN117217037A true CN117217037A (zh) | 2023-12-12 |
Family
ID=89047055
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311017752.4A Pending CN117217037A (zh) | 2023-08-14 | 2023-08-14 | 一种发动机连杆强度及疲劳安全系数分析方法 |
Country Status (1)
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-
2023
- 2023-08-14 CN CN202311017752.4A patent/CN117217037A/zh active Pending
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