基于有限元法的柴油机连杆动力学响应分析与研究

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连杆是曲柄连杆机构的重要组成部分,在气体爆发压力、惯性力、螺栓预紧力、轴瓦与衬套过盈力的作用下,其应力和变形发生周期性变化,易发生疲劳破坏。为优化连杆结构,提高连杆疲劳寿命,本文建立了连杆体、连杆盖、连杆螺栓、连杆衬套、连杆轴瓦、曲柄销和活塞销等零件的组合结构模型,在接触和瞬态动力学理论的基础上,基于有限元法,研究了精细接触设置条件下柴油机连杆组合结构接触静力分析和动力响应分析方法,为连杆结构设计与优化提供参考。根据某型柴油机连杆组的实际结构尺寸,利用三维建模软件Pro/E4.0分别建立了连杆体、连杆盖、连杆螺栓、连杆衬套、连杆轴瓦、曲柄销和活塞销等零件的三维实体模型并进行装配,得到连杆的组合结构模型;由于连杆组的结构和受载均对称,为了减少计算量,在对连杆组进行有限元分析时模型只取关于连杆体对称的一半模型,将该模型导入有限元分析软件ANSYS12.0中,对模型进行离散化,兼顾计算精度和计算效率,进行了收敛性验证,确定了合适的网格尺寸;基于组合结构的有限元模型,分别采用直接加载法和温度等效法来施加连杆螺栓预紧力,研究了两种载荷施加方法对连杆在装配工况下的应力与变形的影响规律;研究了最大受拉和最大受压工况下连杆接触面应力及变形分布。利用AVL-BOOST软件,采用对Vibe燃烧模型修正后的Woschni/Anisits燃烧模型,建立了该柴油机工作过程的数值分析模型,对柴油机缸内工作过程进行仿真分析,以柴油机的单缸功率、最大爆发压力、燃油消耗率以及平均有效压力的标定值为评价指标对模型进行了检验与修正,为连杆的动力学响应分析提供了必要的载荷边界条件。在连杆组合结构模型的基础上,曲柄销位移全约束,其他零件的剖分面上施加对称约束,同时考虑各零件之间的装配关系,在连杆体与大头盖、活塞销与衬套、连杆体与轴瓦、连杆体与螺栓等零件之间共设置11个接触对;以柴油机工作过程仿真分析得到的缸内压力曲线为基础,设置载荷步,在活塞销上施加时间历程载荷,建立连杆接触动力响应分析组合模型。探讨在精细接触设置条件下、受动载作用时的连杆组零部件的应力与变形分布规律,并与前章静力分析进行对比总结,验证动力响应分析模型与边界条件的可靠性,为连杆疲劳寿命预测载荷谱的建立提供数据支撑。
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