某型单缸柴油机连杆的有限元校核与改进设计.doc
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1、 摘 要连杆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,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。本设计按照给定的设计参数,参照相关的参考文献要求,以Pro/ENGINEER5.0为建模工具,以Pro/MECHANICA为分析平台,对柴油机连杆强度进行分析,对柴油机连杆在实际工作过程中所受到的最大爆发压力和最大拉力进行研究。通过分析计算,确定了连杆在两种工况下的应力应变分布,并进行了强度校核和改进设计,改进后的连杆强度能够满足发动机在各种工况下运行要求。关键词:连杆;强度;有限元;分析;改进ABSTRACTThe reliability of the conn
2、ecting rod has been long concerned during the process of diesel engine research and improvement. The intensity is the core element for modern diesel engine design. The provided design, whose modeling tools is based on Pro/ENGINEER5.0, analysis platform on Pro/MECHANICA, is in accordance with the giv
3、en parameters and references, and shows the analysis on the connecting rod intensity and researches on the maximum bursting pressure and pull when the connecting rod of the diesel engine is in operation. Through analysis and calculation, stress-strain distribution of the connection rod has been conf
4、irmed, intensity check and improvement have also been undertaken. Intensity of the improved connecting rod could meet various demands of an engine functioning in different circumstances. Keywords: connecting rod, intensity, finite element analysis, improvement. 目 录(三号,黑体,居中)设计说明书或论文中所有英文字体为Times New
5、 Roman摘要(宋体,小四号,加粗)宋体,五号,加粗ABSTRACT(Times New Roman,小四号,加粗)第一章 绪论(宋体,小四号,加粗)11.1 工程XXX1 1.1.1 XXX1 1.1.2 XXX2宋体,五号1.2 XXX3 1.2.1 XXX3 1.2.26第二章 正文章标题(宋体,小四号,加粗)92.1 工程XXX9 2.1.1 XXX10 2.1.2 XXX102.2 工程XXX9 2.2.1 XXX10 2.2.2 XXX10第6章 结论526.1 XXX52参考文献(宋体,小四号,加粗)54致谢(宋体,小四号,加粗)59附录A:XXX(宋体,小四号,加粗)60附录
6、B:XXX66第一章 绪 论1.1 课题的意义及主要工作1.1.1 课题的背景和意义1893年2月23日,世界上第一台柴油发动机问世至今,柴油机进过了一百多年的发展,已经成为一种用途极为广的动力机械。与普通汽油机相比较,柴油机可以节约用油达到15到30;同时,它也具有良好的环保性能,能够满足我国严格的排放法规的要求。单就温室效应气体排放量而言,如果考虑到原油的加工、燃料的运输、使用等所有的环节,柴油机的温室效应气体的排放量可以降低45。经过技术的不断发展,现代柴油机已经完全改变了过去的噪音大,污染严重等形象,它不仅具有高效、经济、有益环保及面向未来的特点,同时在高速性能、加速性能、操纵性能、乘
7、坐舒适性和噪音方面已经完全可以与现代汽油机相匹敌。柴油机因其功率范围大、效率高、能耗低等优点,并且受到油价的影响,现在在乘用车市场,柴油机开始渐渐显示出其独特魅力。但是由于受到各种因素的影响,我国的柴油机研究生产仍然落后于世界先进水平。经过这些年的市场实践,我们已经认识到了核心技术是我国柴油机发展的最关键的因素,我们的柴油机生产企业只有通过引进、消化、吸收的途径,自己掌握核心技术,并不断的改进创新,研发出具有我国自主知识产权的柴油机,企业才会有发展的后劲,我国的柴油机才会得到不断的发展与进步,缩小与世界水平的差距。连杆是柴油机传递动力的最重要零件之一,它由连杆体、连杆盖、连接螺栓等组成连杆组。
8、连杆组的作用是把活塞和曲轴连接起来,将作用在活塞上的燃气爆发压力传递给曲轴,将活塞的往复直线运动变成为曲轴的回转运动,达到输出功率的目的,因此,连杆的加工精度、强度和刚度直接影响到了柴油机的性能。随着汽车等一些工业制造技术的发展,他们对于柴油机的动力性能和可靠性的要求是越来越高,而连杆的强度和刚度对于提高柴油机的动力性能和可靠性又是至关重要的,因此,目前国内外各大柴油机研发公司对于柴油机连杆的材料以及制造技术的研究都是非常重视的。在柴油机工作过程中,连杆的工作条件恶劣,它主要承受着三方面的作用力:1.气缸内的燃气压力;2.活塞连杆组的往复运动力;3.连杆高速摆动时所产生的横向惯性力。以上所说的
9、三种作用力的大小和方向,都会随着曲轴转角的的变化而不断变化,他们综合起来使连杆处于一种交变的复杂受力状态。因为连杆为一细长的杆件,当受到压缩或者受到横向惯性力的作用时,如果连杆杆身的刚度不足,则会使连杆产生弯曲变形;如果在垂直与摆动平面之内发生弯曲变形,其危害则会更大,这将会使轴承扭曲,造成轴承的不均匀磨损,最终导致损坏。因此,要求连杆的质量轻并且具有足够的刚度和强度。杆身具有足够刚度,可以预防其工作时发生弯曲变形。连杆的大端和连杆盖有足够的刚度,可以防止大端变形之后是连杆的连接螺栓承受附加的弯曲应力和大端失圆使轴承润滑早到破坏。同时,还要求连杆组具有足够的疲劳强度和冲击韧性,否则连杆螺栓、杆
10、身或者大端盖容易发生疲劳断裂,造成重大的事故。提高连杆的强度和刚度,绝对不能单单从加大截面尺寸来入手,因为加大尺寸之后,连杆的惯性力势必会增大,增大连杆的受力,使连杆的工作条件变的恶化,同时会使曲轴和曲轴轴承所承受的载荷增大,最终会带来一系列不良的后果。因此提高连杆的强度和刚度必须从连杆的结果型式的设计、材料的选用和制造工艺等方面采取相应的措施,以达到连杆具有较轻的质量并且具有足够的刚度和强度的要求。1.1.2 主要工作本次设计的主要工作可以分成三大部分:第一部分为根据现有的连杆零件图纸完成连杆的三维实体造型,并进行三维建模装配;第二部分为用计算机辅助软件对连杆进行有限元应力分析,并根据应力分
11、析的结果,对原设计进行改进设计;第三部分为按照改进过后的尺寸对连杆实体造型进行修改,并进行有限元校核,完成连杆零件图的改进设计。1.1.3 本章小结本章的主要内容主要是为了连杆的建模与分析做铺垫,对连杆的结构特点进行了简要的分析,并简要的介绍了有限单元法的原理和应用。第二章 软件的选用及有限元简介2.1 软件的选用目前,三维CAD/CAM技术在产品的设计、分析、制造和工程数据管理领域已经引起广泛的关注和重视,Pro/E,UG等主流三维CAD/CAM软件在各个企业都得到了大量的应用。在众多的三维CAD/CAM软件中,美国参数技术公司(Parametric Technology Corporati
12、on,简称PTC)的Pro/E是国内最普遍的软件之一。Pro/E是美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简称。Pro/E为美国参数技术公司的重要产品。它是一款集CAD/CAM/CAE功能于一体的综合性三维软件,在目前的三维造型软件领域中占有着十分重要地位,并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广,是现今最成功的CAD/CAM软件之一。Pro/E软件以其强大的单一数据库体系结构为基础,基于特征建模、参数化、全相关单一数据库等主要特点,为产品提供了从设计、装配、制造、分析、数据管理、二次开发等一系列完整的解决方案,是目前最优秀的机械设计自动化软件之
13、一,其功能强大的三维产品设计系统已经在自动化、机械、汽车、电子电器、模具、医疗器械、航空航天等众多恒业和部门得到了广泛的应用。曾经引发了机械设计自动化领域的革命性变化,是目前最优秀的、最具有名气的机械设计自动化软件之一。Pro/MECHANICA是Pro/Engineer中常用的模块,它是一款实用的设计软件,设计人员可以利用它更好地了解产品的性能,并相应地调整数字化设计,工程部门通过这款软件可及早看清产品的特性、改善检验和认证过程,减低成本、提高产品质量,从而实现对工程进度和预算的控制。Pro/MECHANICA的三种工作模式:1. FEM(Finite Element Modeling)模式
14、FEM模式没有求解器,能够完成对模型的网格划分、边界约束、载荷、理想化等前置处理,随后需要使用第三方软件进行求解,如NASTRAN、ANSYS等。在为安装Pro/MECHANICA的环境下,FEM模式同样可用。2. 集成模式(Integrated mode)集成模式运行与Pro/ENGINEER平台之上,操作界面与Pro/ENGINEER相同,能够直接实用Pro/ENGINEER的参数进行分析及优化。 在Pro/ENGINEER环境中点击下拉式菜单“应用程序”Mechanica即可进入集成模式。3. 独立模式(Independent Mode)独立模式不需要Pro/ENGINEER平台的支持,
15、能够独立运行,可导入第三方软件的模型,功能要比集成模式稍强,但与Pro/ENGINEER的集成性不佳,其操作及界面更接近UNIX环境,较不容易掌握。本次设计首先使用Pro/Engineer5.0建立连杆的实体几何模型,然后使用Pro/MECHANICA为分析平台对连杆模型进行应力应变有限元分析,为连杆可靠性提供设计依据。2.2 有限单元法简介随着计算机技术在各方面应用的深入,工程问题的分析发生了根本的变化。人们在吸收现代数学、力学理论的基础上,借助计算机技术来获得满足工程需要的数值解,这就是数值模拟技术。有限单元法,又称为有限元法、有限元素法,它是随着计算机技术的发展而发展起来的一种有效的数值
16、模拟计算方法。它首次应用于工程结构在20世纪50年代中期,最初的用途主要是用来对结构进行矩阵分析。自从1900年克劳夫首次将这种方法称作为有限单元法,它便成为了工程技术界的统一术语。它是一种是用范围广泛的、有效的的结构分析方法,它可对任意一种复杂的结构作工程分析,得出结构的应力和位移的近似值,以此参照来考虑这种结构的强度和刚度。 作为目前工程技术领域内最常用的数值模拟方法,因其实用性强、处理方法灵活等特点而在工程领域里被广泛应用。有限单元法的做法是,首先将一个物体划分成由小的物体或单元(有限元)组成的等价系统,这些单元通常由两个或更多的节点相互连接,或与边界或表面相互连接,这个过程叫做离散化。
17、然后建立每一个有限单元的方程,应用适当的过程,将这些方程集合成一组方程,最后求解联立代数方程组,可得到整个物体的解答。有限单元法虽然源于结构分析,但是现在已经被广泛的应用于各种工程和工业领域,已经成为解决数学物理方程的一种普遍方法。到目前为止,有限单元法在固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学等各个领域都得到了广泛的应用。它能够求解由杆、梁、板、壳、块体等各种单元组成的弹性、黏性和弹塑性的问题,各类场(流体场、电磁场、温度场等)的分布问题,水流管路、电路、润滑、噪声和固体、流体、温度的相互作用问题。有限单元法同时在零部件设计的过程中也发挥着越来越重要的作用,它不仅缩短了设计周期,而
18、且大大提高了设计的精度。因此,在连杆的设计与分析中,已经广泛的使用了有限单元法。由于有限单元法的众多优点和有限单元计算软件的快速发展,有限单元法已经被公认为应力分析最有效的工具而受到普遍的重视和广泛应用。第三章 连杆三维模型的建立3.1 基本设计参数 柴油机为四冲程,卧式,水冷,自然吸气,直喷式燃烧室;柴油机最高转速2400r/min,最大功率:5.8 kW; 柴油机最大爆发压强; 柴油机气缸直径85mm;活塞与活塞销的质量:750g。连杆零件图如图3-1所示。图3-1 连杆零件图3.2连杆三维模型的建立首先建立准确、可靠的的计算模型,是应用有限单元法进行分析的重要步骤之一。在进行有限单元分析
19、时,应尽量按照实物来建立有限单元分析模型,但是对结构较为复杂的物体,完全按照实物结构来建立计算模型、进行有限单元分析时有时会变得非常困难,甚至是不可能的,因此可以进行适当的简化。按照连杆的设计图纸(如图2-1),本设计用Pro/ENGINEER对连杆杆身和连杆盖进行建模,为了保证装配图的直观性,同时对连杆螺栓、螺母的三维实体进行建模,并进行了装配。由于不考虑温度对分析结果的影响,其材料系数可以取常数,连杆和连杆盖的材料均为40号钢。一般来说,因为模型带来的误差要比有限单元计算方法本身的误差大的多,所以,结构有限单元计算的准确性在很大程度上取决于计算模型的准确性。为了较准确的计算出连杆的应力情况
20、,本设计的连杆模型只对连杆大头做了简化,在连杆大头处,连杆内的轴瓦槽的结构在有限单元分析时对分析结果并无太大的影响,因此在建模中省去此处。3.2.1 连杆体三维模型的建立1.运行Pro/Engineer5.0,新建一个模型文件,选择“类型”为“零件”,“子类型”为“实体”,选中“使用缺省模板”。2.使用【拉伸工具】创建连杆体外形,如图3-2所示。图3-2 连杆体外形3.使用【拉伸工具】中的【移除材料】,创建连杆体中连杆小头的销孔、连杆大头的销孔和螺栓孔,如图3-3所示。图3-3 连杆中孔的创建4.使用【拉伸工具】中的【移除材料】,建立连杆体的“工”字槽,“工”字槽深度为7mm,如图3-4所示。
21、图3-4 连杆体的“工”字槽5.使用【拔模工具】建立连杆体的拔模特征,如图3-5所示.图3-5 连杆体的拔模特征6.使用【倒角工具】,对连杆体中的连杆小端的销孔及外侧圆柱、连杆大端销孔及外侧圆柱和螺栓孔建立边倒角,边倒角为1.51.5的45角,如图3-6所示。 (1) (2)图3-6 孔的边倒角特征7.使用【倒圆角工具】,对“工”字槽建立倒圆角,底部为R3圆角,上部为R2圆角,如图3-7所示。图3-7 “工”字槽的倒圆角特征8.使用【倒圆角工具】,对连杆体中有形状突变的边建立倒圆角,零件图中规定部位圆角为R10,其余部位根据连杆结构在R1R4中选择,如图3-8所示。 (1) (2) (3)图3
22、-8 连杆体的倒圆角特征最终所建立的连杆体三维实体模型如图3-9所示。图3-9 连杆体三维实体模型3.2.2 连杆盖三维模型的建立1.运行Pro/Engineer5.0,新建一个模型文件,选择“类型”为“零件”,“子类型”为“实体”,选中“使用缺省模板”。2. 使用【拉伸工具】创建连杆盖外形,如图3-10所示。图3-10 连杆盖外形3. 使用【拉伸工具】中的【移除材料】,建立连杆盖中的销孔和螺栓孔,如图3-11所示。图3-11 连杆盖轴孔和螺栓孔4.使用【拔模工具】建立连杆盖的拔模特征,如图3-12所示.图3-12 连杆盖的拔模特征5.使用【倒角工具】,对连杆盖中的销孔及其外部圆柱和螺栓孔建立
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