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連桿作為發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)中的重要零部件，將活塞的往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動，使作用在活塞上的燃氣力傳遞給曲軸來對外輸出。其運行工況相當復(fù)雜整體承受著壓縮、拉伸和彎曲等交變載荷。一旦連桿發(fā)生斷裂失效，將使整機受到嚴重破壞。因此進行有限元分析強度校核和安全系數(shù)的計算已成為連桿設(shè)計中必不可少的步驟。在連桿的靜力學計算中，大多通過經(jīng)驗公式計算幾個危險工況下連桿所承受載荷。這里通過建立連桿和缸套的剛?cè)狁詈夏Ｐ停紤]了油膜潤滑條件，獲取作用在連桿上一個周期內(nèi)的循環(huán)載荷。恢復(fù)連桿在多體動力學。計算中所忽略的特征，建立三維多體裝配模型來模擬位移邊界條件，用接觸對來模擬零件間的連接關(guān)系來傳遞力和力矩，將多體動力學計算所得的邊界條件加載于連桿上，計算得到與實際較為吻合的應(yīng)力分布規(guī)律和變形趨勢，根據(jù)應(yīng)力求出幾個危險截面安全系數(shù)來判斷該設(shè)計的合理性。該研究方法提高了連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進提供了理論依據(jù)，達到了分析的目的。
多體動力學仿真是指對通過一定方式相聯(lián)接的多個物體(包括剛體彈性體、柔性體、質(zhì)點等)構(gòu)成的系統(tǒng)進行準確地分析求解的過程。連桿在多體動力學仿真中是主要計算的對象，其為復(fù)雜的彈性連續(xù)體，它的彈性特征對整個多體動力學計算影響比較大。本文是通過有限元子結(jié)構(gòu)縮減得到連桿的柔性體模型的。通過UG進行連桿三維實體模型的建模，忽略小頭油孔特征。利用HYPERMESH對連桿進行網(wǎng)格劃分、RBE2約束及材料屬性的賦予等前處理，連桿體模型采用四面體8節(jié)點單元;襯套和軸瓦采用六面體8節(jié)點單元，在軸線方向上均勻生成7個節(jié)點，小頭在圓周方向上生成60個節(jié)點，大頭在圓周方向上生成80個節(jié)點，并應(yīng)用RBE2單元對連桿的小頭建立MPC約束。
為了計算發(fā)動機工作過程中連桿各節(jié)點的載荷，需要建立連桿機構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ汀７治瞿Ｐ桶ǜ滋住⑶N、活塞銷、連桿整體模型和連桿軸承。其中，曲柄銷和活塞銷模型均采用五個質(zhì)量點代替；缸套用剛體代替；連桿軸承采用ehd2類型的軸承模型，該模型充分考慮了非線性油膜特性、軸承幾何形狀、軸瓦變形和機油填充率等對軸承性能的影響。該連桿的EXCITE動力學模型如圖所示。基于某發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下缸壓測試數(shù)據(jù)，選取轉(zhuǎn)速1000r/min，2000r/min，3000r/min，4000r/min四個轉(zhuǎn)速，缸壓曲線如圖所示：最大爆發(fā)壓力發(fā)生在4000r/min，最大接近16MPa。在AVL-EXCITE軟件中將機油類型，缸內(nèi)壓力曲線和供油壓力等數(shù)據(jù)輸入后進行計算。仿真一個工作循環(huán)，仿真步數(shù)720步，得到連桿小頭的載荷曲線如圖所示。
有限元計算模型包括活塞、連桿體、連桿蓋、活塞銷、襯套、軸瓦、螺栓、曲軸。由于分析對象為連桿體與連桿蓋，建模時除連桿體與連桿蓋，其它部件做必要的簡化。選取最大拉伸、最大壓縮、裝配三個工況進行相應(yīng)計算。運用ABAQUS前處理模塊對各部件進行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分時，對于形狀較簡單的活塞銷、曲柄銷采用六面體網(wǎng)格進行劃分。其他的零件皆采用一階四面體網(wǎng)格進行劃分。由于連桿在小頭與桿身過渡處、大頭與桿身過渡處、小頭油孔和大頭凸臺存在應(yīng)力集中，此處采用較精細的網(wǎng)格來提高網(wǎng)格質(zhì)量，使計算結(jié)果更趨精確。為加快收斂速度和降低對計算機的硬件要求，其他部件則采用相對較大的網(wǎng)格來劃分。建立接觸對如表所示。連桿組件只受連桿螺栓預(yù)緊力、襯套過盈裝配預(yù)緊力、軸瓦過盈裝配預(yù)緊力，觀察在非工作狀態(tài)下連桿大小頭的變形模式。經(jīng)過計算得到螺栓的預(yù)緊力F=41602N。連桿小頭直徑為a，上偏差為+0.01mm，下偏差為-0.01mm；連桿小頭襯套直徑為a，上偏差為0.062mm，下偏差為0.046mm。計算并取平均值可得連桿小頭徑向過盈量為0.054mm。計算并取平均值可得軸瓦徑向過盈量為0.0956mm。邊界約束與載荷的施加裝配工況過盈量通過計算得到，從多體動力學計算結(jié)果提取最大拉壓載荷。在活塞頂面建立MPC，通過MPC約束，將一個點上的受力傳遞給活塞頂面的每一個節(jié)點，由活塞與活塞銷、活塞銷與連桿小頭的接觸將力傳遞給連桿小頭，從而引起連桿體的應(yīng)力和形變。這種加載方法有助于載荷的施加，并且與連桿受力的真實情況相近。計算模型的剛體位移約束采用如下方法：連桿大頭孔通過軸瓦與曲軸連接，曲軸兩端面采用全約束；對活塞銷斷面一節(jié)點施加點對地的z方向上的彈性約束來進行位移協(xié)調(diào)。
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