发动机重要零部件有限元分析
本帖最后由 delay 于 2016-8-31 11:34 编辑作为生产柴油机的领军行业，为了提升行业的生产竞争力，柴油机在设计上已经开展了计算机辅助工程的应用工作，本文研究的课题就来源于汽车实验室。本文进行了发动机重要零部件活塞，连杆的有限元。本文在有限元分析方面提供了有限元分析的输入载荷。本文主要完成了以下工作:
(l)利用Pro/E软件建立连杆，活塞的三维模型，进行模型简化，并在Pro/E Mechanica中划分网格，约束材料，连接等条件得到有限元模型，包括模型选择及简化、单元选择、网格划分、选择工况、确定边界条件及确定载荷和约束施加等;对连杆在压缩工况下的静态应力分析，得到了与实际情况相符的应力云图，变形云图以及等值线应力分布图等;对连杆在拉伸工况下的静态分析，同时得到了其应力云图与变形云图。
(2)对活塞进行静态有限元分析研究。通过分析活塞受力情况，使用Pro/mechanic软件对活塞进行结构分析，得到其应力云图，等值线分布云图及其变形云图，并对寿命进行校核，分别得到了活塞的疲劳寿命云图和安全因素图。
本文用Pro/E对连杆，活塞在静态工况下的极限位置进行了简单的分析，对今后发动机连杆，活塞的应力，疲劳计算有一定的参考价值。
引 言
在柴油机的曲柄连杆机构中，连杆,活塞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。在动力系统中，连杆是承受负荷最严重的零件之一，在高温高压的工作环境中，同时承受着活塞传来的气体压力、往复惯性力和它本身摆动时所产生的惯性力的作用，这些力的大小和方向周期性变化，很容易引起连杆的疲劳破坏。因而设计重量轻而且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。
以Pro/E为设计工具、以Pro/MECHANICA为分析平台，对柴油机连杆，活塞进行结构分析及其性能优化设计。
在Pro/E中，分析了连杆，活塞的结构特点，总结出连杆设计中的主要结构特征，将基于特征的建模技术应用于连杆有限元分析中，讨论了连杆建模方法，建立了连杆三维实体分析模型。
以Pro/MECHANICA为分析平台，运用有限元分析方法，对柴油机连杆，活塞实际受力情况、边界条件和施加载荷进行研究。通过分析计算，确定了连杆的拉伸与压缩载荷最大应力与活塞的标准汽缸压力。其中，用结构(Structure)分析工具对连杆优化参数进行灵敏度分析，在满足优化约束的条件下，对连杆的结构进行优化设计，从而有效地解决了在实际工况下由于应力集中导致连杆断裂破坏的这一主要问题。通过计算分析，分析活塞的应力和疲劳强度。
将有限元技术与结构优化设计相结合，在连杆最大工作应力满足许用应力的条件下，优化连杆结构参数，达到目标函数一质量最小。结果表明设计较精确，能满足柴油机连杆的实际工况要求。
1.1 课题提出的意义
有限元法随着计算机科学的发展，在包括汽车发动机在内的几乎所有工程领域得到愈来愈广泛的运用。有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具，经过迄今约半个世纪的发展，它己日趋成熟实用，在近乎所有的工程设计领域发挥着越来越重要的作用。汽车发动机零部件的设计是有限元技术最早的应用领域之一。有限元技术的应用提高了汽车发动机零部件设计的可靠性，缩短了设计周期，大大推动了汽车发动机工业的发展。近几年来，随着计算机软硬件水平的提高，汽车发动机零部件有限元技术又取得了许多新的进展。
图1.1现代制造流程
不仅在设计上在模具开发上，在设计合理上也有着很大的贡献。计算机辅助制造的推广使用对我国的制造业提升竞争力有着巨大的推动作用。那么整个现代化设计过程中的CAE即计算机辅助工程有着重要的地位。
由图我们可以简单看出，CAE在设计过程中是承上启下，决定产品合理性与否能否投产的关键，也说明了CAE的普遍应用是有着实际的价值的。
1.2 国内外研究现状与发展
1.2.1汽车发动机零部件有限元网格生成技术
有限元网格模型的建立是采用有限元法求解问题的先决条件。在整个求解过程中，它通常是工作量最大的部分。随着有限元技术的广泛应用，有限元网格生成技术和可视化研究得到很大发展。目前汽车发动机零部件有限元网格生成方式基本上可分为下述两种类型。
(1)、不基于几何模型直接建立节点、单元模型
当求解问题的模型相对简单或采用的软件功能有限时，一般采用这种建模方式。依据建模的特点，可以采用手工方式建立整个模型，也可以首先通过手工建立一部分节点和单元，然后通过旋转拷贝、平移拷贝、合并操作建立整个模型。早期的模型建立受软硬件条件的限制只能采用这种方式。例如，在曲轴建模时根据曲轴的多重复结构特点，先手工建立一个单拐模型，再通过旋转、平移复制成主体模型，最后将主体模型与前后端模型合并成曲轴的整体有限元网格模型。
这种有限元网格模型的建立方式需花费较多的时间和人力，节点坐标、单元信息、(例如梁、板、壳单元的截面特性参数)边界条件(包括位移、约束、载荷大小等)均需手工计算。对一些大规模的复杂结构，模型可能因此作较大的简化，影响最终分析的可靠度，这也是早期汽车发动机零部件有限元分析大部分集中在一些相对简单结构的重要原因。但这种有限元网格模型的建立方式也具有易控制单元类型、节点密度等优点。特别是随着软件在交互性、可视化方面的发展更增强了这种建模方式的生命力。现在即便许多具有很强前处理功能的大型分析软件，也仍然保留这种建模方式，只是在使用方便性上做了较大的提高。
(2)、基于几何模型自动生成节点、单元模型
基于几何模型的网格生成，可以通过指定不同区域的单元大小，使网格密度合理。基于三维实体模型建立有限元网格符合现代CAD并行工程的要求。现代CAD并行工程要求分析模型能充分利用设计主模型，并与设计主模型相关一致。显然这样极大地提高了分析结果的可信度，同时也大大提高了有限元网格模型生成速度和分析效率，节约了大量的时间和人力。
解决上述问题的另一条有效途径是，先将结构划分成某些区域节点并不连续的有限元网格，再通过施加节点间位移约束消除模型变形的不协调。另外部分大型软件不仅可以实现单个零件基于几何模型的有限元网格自动生成，对装配模型有限元网格的建立或多零件的有限元网格的模型装配也可以方便的实现。
目前汽车发动机中最复杂的零部件包括气缸盖、机体、曲轴、活塞、连杆、增压器涡轮、压气机等等，都可以根据CAD实体模型直接建立非常精确的有限元网格模型，为这些先前几乎无法进行可靠计算的零部件，提供了一条可行的设计途径。
1.2.2 曲柄连杆机构有限元发展趋势
有限元强度应力分析、动响应分析、可靠性分析和优化分析。常规的机械设计是需要工程师大量的设计经验，在强度和结构的分析上是靠人工计算，如果构件复杂，人工计算无疑是很浪费人力和时间的工作，所以引入有限元的概念，借助计算机，帮助计算，减轻工程人员的工作量，提高设计效率。
连杆的计算分析在早期多采用经验公式，有限元理论和方法提出后,迅速在连杆分析上得到广泛应用。连杆的有限元分析模型经历了一个由简单到复杂、由浅入深的演变发展过程。从最早的曲梁模型,到20世纪七八十年代的平面连续模型,再到90年代至今的三维实体模型。近年来,国内外许多学者对内燃机连杆的有限元分析进行了大量的研究,归纳起来主要是以下几个方面:有限元强度应力分析、动响应分析、可靠性分析和优化分析。
在曲柄连杆机构的设计中,希望曲柄连杆机构有较高的可靠性和较长的使用寿命。但是由于制造公差、温度以及工作期间的磨损等因素的影响,实际上机构的运动要偏离设计预定的理想运动轨道,这在工程上是完全允许的。但不能超过规定的限度，若超过了这一限度值,而造成润滑膜破坏，产生过大的冲击载荷,使各运动件承受过大的载荷,加速疲劳，并造成过大的振动;同时也会引起压力损失,加速磨损,降低性能。因此,运动精度可靠性是曲柄连杆机构可靠性研究的一个重要方面。
1.2.3 有限元法的发展趋势
目前，有限元结构分析趋向于分析系统，而不仅仅局限于零部件的分析。更高性能的计算机和更强大的有限元软件的出现，使工程师们能够建立更大、更精确、更复杂的模型，从而为用户提供及时、费用低廉、准确、信息化的解决方案。
随着计算机技术的提高，特别是有限元高精度理论的完善和应用，有限元分析由
静态向动态、线性向非线性、简单模型向复杂系统，逐步地扩大应用范围。
1、求解能力更强大。增加有限元模型几何细节会加强模拟模型与实际结构之间的联系。在实际中，任何模拟所需要的计算机资源都是巨大的，决定有限元模拟规模大小的因素是几何离散化程度(节点数和单元数等)和所用材料模型的计算复杂性。20世纪90年代，国外对发动机曲轴进行了大约80万自由度线性分析，2001年则采用了500万自由度的模型对活塞组件做非线性模拟。随着计算机技术和有限元技术的发展，在不久的将来，模型可以达到1亿自由度甚至更大。
2、分析的分界线越来越模糊。在应力和运动的模拟分析之间，传统的分界线将越来越模糊。能做运动模拟分析的软件也能用于分析结构，如ANSYS就是集结构、动力学、温度场、流体力学和磁场于一体的分析软件。同时，相同模型用于多种分析将引起人们的重视。在汽车工业中，相同模型可用于结构静力学和动力学分析，祸合场分析是这种趋势的最明显体现。
3、系统分析。系统分析的出现，使得整个系统、子系统和零部件之间的关系需要综合考虑，它们之间的影响具有层次性，各零部件之间的影响将表现在整个系统分析中。分析某一零件时，为考虑其它零件刚度的影响和力的传递，在计算模型中应该包括相关的其它零件。另外，为了达到对系统整体性能了解的要求，还应该进行系统内部装配件分析。
1.3课题研究目标、研究内容
1.3.1研究目标
Pro/Engineer软件是美国参数技术公司 (parametrieTeehnologyCorporation，简称PTC)开发的产品。其中的Pro/MECHANICA模块(简称Pro/M)可以进行有限元结构分析。用户在Pro/E环境下完成零件的三维建模后，无需退出设计环境就可以进行有限元分析，这是目前绝大多数有限元软件所不能做到的。在此之前，机械设计工程师进行有限元分析时，首先需要利用几何建模功能强的软件对零件进行建模，然后利用IGES格式或者STEP格式将数据导入有限元分析软件进行分析。这样做的最大弊端是数据的丢失，因此分析人员常常花费大量的时间和精力进行几何模型的修复。由于Pro/E全参数化设计思想贯穿整个设计的每个环节，因此利用Pro/M还可以进行模型的灵敏度分析、优化设计以及动力学分析
1.3.2研究内容
PTC公司开发的有限元分析软件Pro/M有集成工作方式和独立工作方式两种。在集成工作方式下，用户可在CAD模型构建后，不脱离Pro/E环境就能对几何模型进行有限元分析。Pro/M有三个块，即结构分析块、运动动力学仿真块和热传导分析块。利用结构分析块可以进行结构分析和优化设计等。利用运动动力学仿真可以进行机构的运动学分析、动力学分析、三维静态分析和干涉检查。利用热传导分析可以进行零件的稳态和瞬态温度场分析。
主要的研究内容有:
1.研究基于特征技术连杆，活塞的三维建模方法，包括特征的定义、分类，特征的约束、组合关系和特征编辑的方法等。讨论连杆，活塞的基于特征的实体建模方法。
2.以Pro/M为分析平台，运用有限元分析方法，对柴油机连杆，活塞工作状况中的实际受力情况、连杆，活塞的有限元网格划分、边界条件的确定和施加进行研究。
通过应力分析和显示应力云图，确定连杆，活塞的最大主应力、最大主应变部位(即连杆的应力集中点)，为连杆灵敏度分析提供依据。
3.根据应力集中点的尺寸设计参数对连杆进行灵敏度分析，找出产生连杆应力集中现象的主要原因，应力集中是造成连杆断裂的主要原因。
第二章 有限元分析、Proe/E理论基础
2.1有限元法
有限元是常说的CAE分析，核心概念就是离散：就是把要分析的某连续体人为地分割成有限个单元，单元间通过顶点的节点连接起来。复杂的连续体经此离散化，可视为若干单元的组合体。对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、子域分界面上(内部边界)以及子域与外界分界面(外部边界)上都满足一定的条件。单元组合体在己知外载荷作用下处于平衡状态时，列出一系列以节点位移为未知量的线性方程组。利用计算机解线性方程组获得节点位移后，再用弹性力学的有关公式，计算出各单元的应力、应变，当各单元小到一定程度，那么它就代表连续体各处的真实情况。
从应用数学角度，有限单元法基本思想的提出，可以追溯到Courant在1943年第一次尝试使用在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，求解扭转问题，虽然期间有很多工程师、物理学家、数学家都涉及有限单元法，但知道1960年，电子数值计算机的应用和发展，有限单元法的发展才显著加快。
现代有限单元法的第一个成果的尝试，是将刚架位移推广应用于弹性利息平面问题，是在分析飞机结构时在1956年的成果，第一次给出了三角形单元求的平面应力问题的正确解答。三角形单元的单元特性是由弹性理论方程确定的，采用直接刚度法，在1960年第一次提出了“有限单元法” 。
2.1.1有限元法的一般程序结构
有限元法求解问题，概括起来分为以下几个步骤:
1、结构离散化
结构离散化是将分析的结构分割成有限个单元体，在单元体的指定点设置节
点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，构成一个单元的集合体，以代替
原来的结构，并把弹性体边界的约束用位于弹性体边界上节点的约束代替。结构
离散化的基本原则有两条:
(1)、几何近似。要求物理模型的几何形状近似真实结构。
(2)、物理近似。要求离散的单元特性近似真实结构在这个区域的物理性质。所谓物理性质，就是该区域的受力情况、变形情况、材料特性等。
产生节点和单元主要有如下4步:设置材料属性;设置单元属性;设置网格控制选项;产生网格。设置材料属性和单元属性是网格划分之前完成的步骤，典型的材料属性包括弹性模量、泊松比、密度和热膨胀系数。根据计算的场合以及单元类型选择需要输入的材料属性、单元名、自由度、实常数等。
单元选择一般需要考虑以下因素:
(1)、维数。分为二维或三维单元。
(2)、单元特征形状。单元有4种形状:点、线、面和体单元。点单元只有一个节点，如质量单元;线单元代表直线或者弧线，通常有2或3个节点。面单元有三角形单元和四边形单元;体单元是四面体或者六面体。
2、单元分析
单元分析是用力学理论研究单元的性质，从建立单元位移模式入手，导出计
算单元的应变、应力和单元等效节点载荷向量的计算公式。
图2—2
3、应用变分原理推导单元刚度矩阵。
4、集合整个离散化连续体的代数方程。
5、求解节点位移矢量。
6、由节点位移计算出单元的应变和应力。
完整的有限元分析流程如图2-2所示。
2.2 有限元方法理论
数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。目前，在工程领域常用的数值模拟方法有:有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，有限单元法是其中实际应用最广泛的一种。
有限元法的求解步骤可归纳为:
1、把很复杂的结构拆分为若干个形状简单的单元，这些单元一般要小到可以用简单的数学模型来描述参数在其中的分布，这一步骤称为离散。
2、通过对单元的研究来建立多个特性参数之间的关系方程，这一过程称为单元分析。在弹性力学中，单元分析的任务是:建立联系应变与节点位移分量的方程，联系应力与节点位移分量的方程，同时研究单元的节点力与节点位移之间的关系，以及把作用在单元中间的外载荷转化为节点载荷。
3、在单元分析基础上，利用平衡条件和连续条件，将各个单元拼装成整体结构。对整体在确定边界条件下进行分析，从而得到整体的参数关系方程组，即矩阵方程。这一过程称为整体分析。
另外，实际在测得爆发压力值时，应该使用和实际情况相近的值来做分析更贴近实际工况。于是我们可以采用多体动力仿真的手段得到一个周期甚至多个周期连杆机构在实际工作情况中受到的工况，这比用公式局限的计算出某个特定的拉力或压力更有灵活性。可以选择不同的工况得到不同时刻的瞬时动态响应或是强度分析。这是为有限元分析做出更合理的前期准备，也为优化设计提供条件。
2.3 Pro/E软件简介
Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer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。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。
三维设计可以分为工程图、零件设计、装配三个不同的设计阶段。三维设计最大的特点是特征建模技术和设计过程的全相关性。全相关性使得设计者在任何阶段对设计的任何修改都会影响到其它阶段，这使设计过程变得非常灵活和轻松，大大提高了设计效率。
零件和装配可以统称为模型，所以三维实体造型包括三维零件造型和装配造型两个部分。Pro/E是当前三维矢量化设计软件中应用比较广泛的软件之一，也是参数化设计的首选。本文中参数化设计采用的平台是Pro/E软件系统。
2.3.1实体模型
实体模型除了可以将用户的设计思想以最直观的模型在计算机上表现之外，借助于系统参数 (SystemParameters)，用户还可以随时计算出产品的体积、面积、重心、惯性大小等，以了解产品的真实性，弥补传统的面结构、线结构的不足。用户在产品设计过程中，可以随时掌握以上情况，调整物理参数，并减少许多人为的计算时间。
2.3.2单一数据库
Pro/E可随时修改由实体模型产生的2D工程图，而且自动标注工程图尺寸。不论在3D还是ZD图形上作尺寸修改，其相关的3D和2D默许均自动修改，并避免反复修正的耗时性。由于采用单一的数据库，提供了所谓双向关联性的功能，这种功能也正符合了现代产业中所谓的同步工程。
2.3.3以特征作为设计的单位
Pro/E以最自然的思考方式从事设计工作，如孔、开槽、倒圆角等均被视为零件设计的基本特征，可随时对特征做合理、不违反几何顺序的调整、插入、删基于Pro/E下的连杆、活塞结构分析及其性能优化设计除、重新定义等修正动作，使设计更具有直观化。
2.3.4参数化设计
配合单一数据库，所有设计过程中所使用的尺寸(参数)都存在于数据库中，设计者只需更改3D零件的尺寸，则2D工程图、3D组合、模具等就会依照尺寸的修改作几何形状的变化，以达到设计修改工作的一致性，避免发生人为改图的疏漏情形，且减少许多人为改图的时间和精力消耗。也正因为有参数化的设计，用户才可以运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系式，使得模型可自动计算出应有的外型，减少尺寸逐一修改的繁琐，并减少错误发生。
第三章 基于连杆，活塞特征的三维实体建模
对计算模型的要求首先要具有二定的准确性一其次计算模型要具有良好的经济性。经简化后的计算模型要能够基本上准确地反映结构的实际状况，否则，结构的有限元计算结果就没有实际意义。在建立计算模型时，复杂的计算模型具有较高的准确性，但相应也会大量增加计算机算题时间以及计算前后的准备工作和数据整理的工作量，从而使得计算费用大大地增加。选择恰当的三维建模软件，将对有限元网格的划分提供方便。本章采用了现在流行的Pro/ENGINEER软件建立三维几何模型，导入并对连杆，活塞进行有限元分析。
3.1 连杆
3.1.1连杆的特点分析
连杆由连杆体和连杆盖两部分组成。工作时用螺栓和螺母将连杆体、连杆盖和曲轴装配在一起，用活塞销将连杆小头和活塞装配在一起。连杆的主要作用是将活塞的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动。
(1)连杆有两个相互垂直的对称面，一个对称面平行于连杆的圆环形端面，也就是锻造锻造连杆毛坯的模具分型面;另一个对称面则通过两端圆孔的轴线。
(2)连杆毛坯通过锻造成型，因此，连杆体和连杆盖都具有模锻斜度，包括连杆体上的槽和凸台。
(3)连杆毛坯成型以后，加工表面主要集中在两端面和孔，其他表面大多属于非加工表面。
(4)连杆体和连杆盖属于配做的成对零件，需要同步加工，在装配和工作时没有互换性。
3.1.2连杆的建模思路
连杆由连杆体和连杆盖组成，所以可以对连杆体和连杆盖分别建模，完成后进行装配。连杆具有两个互相垂直的对称面，建模过程中可以利用两个对称面，对局部特征进行镜像和复制操作，从而快速完成特征创建。
3.1.3连杆三维模型的建立
利用Pro/Engineer建立的连杆三维模型所需的基本结构尺寸来自该产品图。为得到连杆应力和变形的全貌，选取整个连杆作为计算对象是恰当的。连杆在连杆小头开有活塞销润滑油道孔，连杆大头相对纵截面对称、杆身的横截面呈“工”字形，且与连杆大小头圆滑过渡。
为了避免有限元网格的尺寸大小相差太悬殊而影响有限元单元质量和计算精度，对一些影响连杆强度极微的小倒角、小圆角作了简化处理。有限元模型的构建是一项非常重要的工作，有限元模型错误，计算结果显然不对，也就难以发挥有限元工具的作用，因此几何模型的构建就要求比较准确。本文采用三维设计软件Pro/E进行连杆的三维实体建模比较直观方便，快速有效，图3.1所示即为用Pro/E所建立的连杆三维几何模型。
图 3.1Pro/E建立的连杆三维几何模型
3.1.4技巧与提高
在创建连杆的过程中，主要采用了拉伸和旋转除料进行特征创建，另外还有辅助的拔模斜度、倒角及倒圆角等特征。
归纳起来，主要有几点注意事项。
(1)创建拉伸草绘时，可以通过下拉菜单中的“草绘”→“参照”命令，选取添加已有特征的边，曲面作为参照，从而减少约束特征和尺寸标注，提高工作效率。
(2)在复杂模型的基础上进行拉伸去除材料，通常借助“预览”查看拉伸选项和除料的方向设置是否正确，然后进行处理。
(3)创建拔模特征时，首先查看“拔模”特征操控面板上的选项设置是否符合要求，然后确定“拔模枢轴”和“拔模方向”。
(4)连续创建倒圆角特征时，要注意圆角特征创建的次序，尤其是相连接的边同时都要倒圆角时，否则会出现特征“参照丢失”的问题。
(5)多步特征同时镜像操作时。可能由于特征参照过多而不能直接完成，因此需要将特征一起进行复制。
3.2 活塞
3.2.1 活塞的特点分析
活塞是复杂的机械零件，活塞主要有顶部、头部和裙部3部分组成。活塞是在高温、高压、高腐蚀的条件下，在汽缸内做高速往复直线运动的。要适应这样恶劣的工作条件，必须具有相应的结构。
(1)活塞的顶部直接与高压气体接触，工作条件最恶劣。顶部外表面设计成凹面型，以利于燃烧室内的气体形成涡流，使燃烧与空气混合的更均匀，燃烧得更充分。
(2)在活塞的头部外面有4道环形槽，上边3道环形槽为气环槽，下边的一条环形槽为油环槽。
(3)活塞的裙部在活塞做直线往复运动时起导向作用。裙部顶端有两个往里凸起的销座。
(4)活塞工作时在高温高压作用下，要产生热膨胀和受力变形。所以活塞裙部的轴截面应制成鼓行，活塞裙部的横截面应制成椭圆形。由于椭圆的长轴与短轴之间相差极小，所以三维建模时以椭圆形代替。
3.2.2活塞的建模思路
为了快速准确的创建活塞模型，先抽取活塞模型中的对称部分，由列表曲线创建活塞的1/4轮廓，然后镜像生成活塞的整个轮廓。再创建活塞的顶部的凹槽特征。之后再创建活塞头部的气环槽和油环槽。最后创建各部分的倒圆角。
3.2.3 活塞三维模型的建立
Pro/MECHANICA软件是美国PTC(Parametric TechnologyCoporation，参数技术公司)开发的有限元软件。该软件与Pro/ENGINEER软件可以无缝集成。因此，在Pro/ENGINEER中使用其强大的建模功能完成活塞三维实体模型的建立。
活塞的模型如图3.2所示
图3.2 Pro/E建立的活塞三维几何模型
3.2.4 技巧与提高
(1)在镜像整个活塞时，要单击模型树顶端的“huo-sai”标识，选取整个模型，而不能选取模型树下的各个特征标识。若选取模型树下的各个特征标识，镜像后有些特征的参照将丢失。
(2)草绘过程中要注意快捷按钮的应用，许多情况下可以提高绘图效率，更便于模型的修改。
本帖最后由 delay 于 2016-8-31 14:25 编辑
第4章 零部件的静态有限元分析
4.1 有限元分析软件的选择
目前成熟的商品化有限元分析应用软件系统有ANSYS,NSTRAN, Pro/MECHANIC和COSMOS等。有限元分析法总体上可分成三个部分:前处理部分、主分析计算部分以及后处理部分。从当前的有限元解决方式看，主分析计算部分根据有限元模型的数据文件进行有限元分析，后处理部分是有限元计算后输出结果的加工阶段，包括数据输出和图形显示。从整个过程看，这两个阶段由于采用批处理方式和单纯的输出显示，所以人工干预并不多。相比之下，最繁重的工作在于前处理阶段，即特定分析对象的关系确定和建立模型，包括节点数和节点编码等。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁及声学于体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于机械、电机、土木、电子及航空等不同领域。它是众多有限元分析软件中较出色的1个，以其高效的求解算法和效率闻名，并有相对独立的前、后处理体系，可独立完成多学科、多领域的分析任务。该软件是当前结构分析中使用最为频繁的软件。但是，由于本文零件建模使用的是Pro/ENGINEER软件，它和ANSYS之间的数据交换是存在问题较多的地方。目前，解决ANSYS软件与Pro/ENGINEER软件数据交换问题的方法有如下三种:
1.使用ANSYS自带的接口软件进行数据转换，这种方法是使用方便、转换后数据保存完整的最优方法，推荐大家广泛使用，只是接口设置过程需要参照使用说明来完成。
2.使用与Pro/ENGINEER集成的Pro/MECHANIC软件实现数据转换。首先在一Pro/ENGINEER软件中进行零件建模，然后直接导入Pro/MECHANIC软件中划分网格(材料属性可以不定义)，并使用ANSYS求解器输出数据，产生一个*.ans文件，这样就可以直接在ANSYS软件中打开这个文件了。
3.在Pro/ENGINEER中建立好模型后(一般是part )，以parasolid类型存盘，这种格式是几乎所有CAD软件都可以识别的。这样就可以输入到ANSYS里了。但parasolid格式为在ANSYS中输入模型时，可能出现模型断裂的结果，可以对“defeature(毁容)、合并重合的关键点、产生实体、删除小面积”等选项进行改变，反复试验直到输入满意为止。
但是，在处理分析过程中，ANSYS优点明显，其缺点也同样突出。ANSYS目前的结构分析过程主要有以下两种情况:在ANSYS软件中建立一些简单的模型，然后进行分析处理;采用在三维造型软件中建立三维模型，然后将模型数据文件导入到ANSYS中，进行简化处理和分析。这就决定了它有以下几个缺点。(1)从ANSYS自身建模看，其图形驱动技术支持的界面可管理性和操作性相对较差，无法完成复杂模型的建模，因此结构分析效果大大降低了可信度，影响工作效率。 而建模恰恰是当前一些三维设计软件的优势所在，例如，Pro/ENGINEER, UG, IDEAS等。所以，ANSYS自身建模的方法使用得比较少。(2)对利用软件数据交换的方式，在进行图形转换的过程中，有时会出现一些问题。这种方式主要是利用三维设计软件进行精确的三维造型，并通过标准数据接口或数据接口转入ANSYS系统中。所采用的标准文件格式包括IGES, Pro/ENGINEER或UG等。这种方法所遇到的主要的问题如下:ANSYS对造型软件的一些处理方法无法识别，如面一面重叠等;ANSYS无法对造型软件中的一些特征进行网格划分，如细长面等;造型软件与ANSYS定义图元的方式不完全一致，从而产生一些特殊图形格式，并在ANSSY分析中产生异议。因此，用户需要在ANSYS中进行模型修补。而由于ANSYS的建模能力较差，所以在进行修补的过程中，不能精确复原模型，对不识别的特征，一往往只能采用简化的方式。这些都造成模型不一致，精度较低，且修补时间长，工作效率低下。
经过对比分析，本文选择了与Pro/ENGINEER集成的Pro/MECHANIC软件进行有限元分析计算。Pro/MECHANIC软件是美国PTC (Parametric Technology Coporation，参数技术公司)开发的有限元软件。该软件可以实现和Pro/ENGINEER软件完全无缝集成。
4.2 Pro/MECHANICA简介
Pro/MECHANICA(简称Pro/M)是美国PTC开发的有限元软件，该软件可以实现和Pro/E的完全无缝集成。同其他有限元软件相比，Pro/E软件可以完全实现几何建模和有限元分析的集成。绝大部分有限元软件的几何建模功能比较弱，这些有限元软件通常通过IGES格式或者STEP格式进行数据交换，而这样做最大的弊端在于容易造成数据的丢失，因此常常需要花费大量的时间与精力进行几何模型的修补工作。使用Pro/M恰好可以克服这一点，该软件就可以直接利用Pro/E的几何模型进行有限元分析。由于Pro/E具有强大的参数化功能，那么在Pro/M中就可以利用这种参数化工具的特点，进行模型的灵敏度分析和优化设计，具体地说，当模型的一个或多个参数在一定的范围内变化时，求解出满足一定设计目标(如质量最小、应力最小)的最佳化几何形状。
因此，可以说Pro/M软件可以真正使工程师们将精力集中在设计工作中，在设计初期就将设计和分析结合起来，从而实现智能设计。使用Pro/M不需要较深的有限元知识，用户只要略懂材料属性和应力应变基础就可以进行复杂模型的分析工作。
4.2.1 Pro/MECHANICA模块简介
有限元软件Pro/M的主要模块有以下3个部分:
1.ProfMECHANICASTRUCTURE:结构分析软件包，可以进行零件模型和装配模型的结构分析和优化分析。它可以完成的分析种类有静态分析、模态分析、曲屈分析、接触分析、预紧力以及振动分析等。
2.Pro/MECHANICATHERMAL:温度分析软件包，可以进行零件模型或装配模型的稳态和瞬态温度分析，也可以根据温度问题进行灵敏度分析和优化设计。
3.Pro/MECHANICAMOTION:运动分析软件包，进行机构分析和机构运动优化设计，可以进行三维静态分析、运动学分析、逆向动力学分析以及干涉检验分析。
4.2.2 Pro/MECHANICA的工作模式
Pro/MECHANICA有两种工作模式:
1.集成模式 (IntegratedMode):在Pro/E环境界面下工作，可以直接利用模基于Pro/E下的连杆结构分析及其性能优化设计型进行网格划分工作，Pro/M分析中所有设计参数的变化都可以直接反映到模型中去。
2.独立模式 (IndependentMode):在pro/M环境界面下工作，有限元模型可以由Pro/M创建，也可以从其他CAD系统中输入集合模型数据。其功能比在集成模式下弱。用户可以在集成模式和独立模式下进行切换，但切换的顺序只能由集成模式切换到独立模式，不能逆向。
4.2.3 使用Pro/MECHANICA的一般过程
使用Pro/MECHANICA进行有限元分析的基本步骤如下:
1.建立几何模型:在Pro /Engineer中创建几何模型。
2.识别模型特征:将几何模型由Pro/E导入Pro/M中，此步骤需要确定模型的类型，默认的模型类型是实体模型。
3.设定模型的材料、约束和载荷。
4.设定模型的材料特性:在装配件分析中，可以为不同的零件分配不同的材料属性。在应力分析中，杨氏模量和泊松比是必需的材料特征。
5.为模拟模型在现实中的功能，必须定义模型的约束。定义约束就是限制模型的自由度个数。
6.设定模型载荷(载荷种类有点载荷、边载荷以及面压力载荷等)。
7.有限元网格划分:由Pro/M中的AutoGEM(自动网格划分器)工具完成有限元网格的自动划分。
8.定义分析任务，运行分析:首先建立分析任务，然后Pro/M进行错误检查，进行计算，生成计算结果数据和计算过程信息。
9.根据设计变量计算较感兴趣的项目。
10.图形显示计算结果:可以显示变形情况、应力分布以及模态振型等计算结果。
对于结构形状复杂、载荷和支承情况也复杂的零部件进行分析，有限元法是一种有效的数值计算方法。有限元法在发动机设计中得到广泛应用后，大大改进了发动机的技术设计和结构性能预测的能力。在固体力学问题中，有限元法是根据变分原理推导单元特性和有限元方程的。连杆的结构对称于其中间摆动平面。工作时，连杆所承受的力都对称于连杆的摆动平面，并且沿连杆厚度方向上可以认为均布的，在垂直于连杆摆动平面方向上无其他外力作用。因此，连杆的结构分析可以简化为一平面问题。有限元法处理弹性力学问题的基本思路是:
l、将一个受力的连续弹性体，即将它看作是一定数量的有限小的单元的集合体。而认为这些单元之间只在节点上互相联系，亦即只有节点才能传递力。
2、按静力等效原则将呢用宇每个革元的外力简化到节点上去，形成等效节点力。
3、根据弹性力学的基本方程推导出单元节点力和节点位移之间的关系，建立作用在每个节点上力的平衡方程式。于是得到一个以节点位移与未知数的线性代数方程组。
4、加入位移边界条件求解方程组，得到全部未知数，进而求得各单元的应变和应力。
本章拟采用Pro/E有限元分析软件对该连杆，活塞进行静态强度分析，计算出其所受的应力值，找出危险截面。本章在加载计算时，采用的是面力法，使受载情况更接近实际。
4.3 连杆的有限元分析
4.3.1连杆有限元分析的内容
本节将用Pro/MECHANICA软件对连杆进行全面静力学分析，通过建立三维实体模型，然后在实体上施加载荷及各种边界条件，最后通过计算，将结果以网格、云图等形式显示出来，完成可视化热分析、应力分析。
分析步骤如下
(1)设置连杆的材料和添加连接
(2)设置连杆的约束条件及受力分析
(3)定义压应力分析并运行分析
(4)获取压应力分析结果
(5)定义拉应力分析并运行分析
(6)获取拉应力分析结果
选取连杆在两个极限位置进行应力分析，即连杆受最大压载荷和最大拉载荷时。发动机连杆所承受的最大压载荷出现在膨胀冲程开始时，其值为19522N，承受最大拉载荷出现在进气冲程开始时，其值为5334N。
4.3.2定义杂项
建立完有限元模型后，还要定义如下条件:
1.定义模型单位系统:一般采用国家标准。长度单位:毫米(mm );质量单位:克(g ):力单位:牛顿(N);时间单位:秒(sec );温度单位:摄氏度(C)。
2.定义材料:在柴油机中普遍使用铝硅合金。它的特点是:密度小、具有较高的导热性、与铸铁气缸的匹配较好，可以降低活塞和气缸间的摩擦功损失。密度p : 2.79克/立方厘米;杨氏模量E: 73084.4MPa;泊松比:0.33;热膨胀系数：2.304e-05/C。
4.3.3划分网格
Pro/MECHANICA软件中可以自动划分网格也可以人为控制划分网格，但无论哪中划分方式Pro/MECHANICA软件采用的都是自适应P-method技术。在P-method技术中，每个有限元单元的位移方程都是高次多项式(三次以上)，使用P-method技术画出的有限元网格单元较大、数目较少、与实体边界拟合得较好。
离散时，结构划分的单元数量越多，则单元尺寸越小，计一算精度就越高。但是，计算量会增大，所花费的计算时间也就越多。因此，划分单元时必须综合考虑计算精度和计算量等因素，采用适当的网格密度。
在Pro/MECHANICA软件中为了减少分析的数据，划分的网格应该越少越好。但自动划分网格划分的单元大，数目少，对分析的精确性又产生不良影响，所以一般不使用自动划分网格;而使用人为控制划分网格，通常主要设置的参数是网格最小角度，经过多次实验，合理的最小角度为数10。
图4.3.1连杆有限元网格划分和压应力变形图
图4.3.2连杆有限元网格划分和拉应力变形图
4.3.4连杆的约束条件及受力条件
本例选取连杆连杆在两个极限位置进行应力分析，即连杆受最大压载荷和最大拉载荷时。发动机连杆所承受最大压载荷出现在膨胀冲程开始时，其值为19522.1N，承受最大拉载荷出现在进气冲程开始时，其值为5333.908N。其约束条件为固定连杆的小端，限制其X,Z方向的移动。
4.3.5 压缩工况下的应力分析
假定曲柄销当作刚体固定，在连杆受压工况，连杆大头内侧下部180°范围内圆柱面上施加径向约束，在圆柱坐标系其中定义R自由。
图4.3.1一4.3.3所示为压缩工况下，固定连杆小端，连杆的变形云图，等值线应力分布图以及应力分布云图。
图4.3.1 连杆的变形云图
图4.3.2连杆的等值线应力分布图
图4.3.3 连杆的压应力分布云图
4.3.6拉伸工况下的应力分析
假定曲柄销当作刚体固定，在连杆受拉工况，连杆大头内侧上部180°范围内圆柱面上施加径向约束，在圆柱坐标系其中定义R自由。
拉伸状态下连杆的分析过程同上。图4.3.4与图4.3.5所示为拉伸工况下，固定连杆小端，连杆的变形云图和应力分布云图。
图4.3.4连杆的拉应力分布云图
图4.3.5连杆的变形云图
在上述分析计算中，为了施加约束与载荷方便，将大端圆孔默认的笛卡儿坐标变换成圆柱坐标系cso，定义载荷与约束后，建立分析任务 Analyses/studies，运行分析任务，得到结果Result。
连杆应力与变形计算结果极值见表4.3。
连杆有限元分析结果：
由以上分析可知，在一个循环周期中，最大的应力值小于材料的屈服强度，最大变形量也在弹性变形范围之内。连杆在拉伸和压缩时，小端与杆身的过渡连接处于较高应力状态，杆身处于较低应力状态。在受压缩时大端圆孔产生横向椭圆变形，在受拉伸时大端圆孔产生纵向椭圆变形。
对连杆进行了静力学分析，将本结果与其他分析方法得出的结果进行比较，判定本结果正确。
此外，本文无论是在连杆结构的建模上、在对连杆各个组件装配关系的描述上、还是在对计算载荷的施加上与对边界约束的处理上，都己经做到了与连杆真实受力情况几乎完全一致。但仍有三个问题在计算中没有考虑:
(1)没有计入油膜的存在;
(2)没有计入大端剖分面部位连接锯齿的公差配合;
(3)没有考虑动力响应;
4.4 活塞的有限元分析
本例所分析的活塞采用铝合金为材料，表面光洁度较高，极限抗拉强度483.87N/mm2，标准汽缸气压为1.5Mp，设计要求在5亿次循环中不产生疲劳失效，对其进行应力和疲劳强度分析。
分析步骤如下：
(1)设置活塞材料。
(2)设置活塞的约束条件及载荷。
(3)定义并进行分析。
(4)获取分析结果。
(5)活塞的疲劳分析。
(6)计算模型的安全因素。
4.4.1几何模型的简化
在分析过程中把活塞看成是一个空间弹性连续体，由于活塞具有近似轴对称形状，所以简化过程中忽略活塞销的影响做近似轴对称处理。
如图4-4，简化后，零件的温度分布、位移、应变与应力等相对于对称轴为回转对称。
图4-4 轴对称简化模型
4.4.2定义杂项
建立完有限元模型后，还要定义如下条件:
1.定义模型单位系统:一般采用国家标准。长度单位:毫米(mm );质量单位:千克(Kg ):力单位:牛顿(N);时间单位:秒(sec );温度单位:开尔文(K)。
2.定义材料:在柴油机中普遍使用铝硅合金。它的特点是:密度小、具有较高的导热性、与铸铁气缸的匹配较好，可以降低活塞和气缸间的摩擦功损失。密度p : 2.73克/立方厘米;极限抗拉强度:483.87Mpa;泊松比:0.33。
4.4.3设置活塞的约束条件及载荷
约束条件：由于在结构模型时采用活塞的1/4结构根据变形的对称性在活塞的两个对称面上的各节点无沿垂直于此平面方向的位移，因此将其中一个对称面上各节点X方向的位移全部约束，并且将另一个对称面上的各节点的Z方向的位移全部约束。而将相对于其中一个对称面对称的活塞销孔的半圆面在柱坐标系中半径方向的位移全部约束。
施加载荷力：由于只考虑气体压力对活塞的影响，气体压力垂直于受力曲面，所以仅在活塞底部的所有曲面添加垂直于曲面方向的-1.5MPa载荷。
完成的曲面约束如图4-4-1
图4-4-1 完成约束的曲面
本帖最后由 delay 于 2016-8-31 14:28 编辑
4.4.4划分网格
Pro/MECHANICA软件中可以自动划分网格也可以人为控制划分网格，但无论哪中划分方式Pro/MECHANICA软件采用的都是自适应P-method技术。在P-method技术中，每个有限元单元的位移方程都是高次多项式(三次以上)，使用P-method技术画出的有限元网格单元较大、数目较少、与实体边界拟合得较好。离散时，结构划分的单元数量越多，则单元尺寸越小，计一算精度就越高。但是，计算量会增大，所花费的计算时间也就越多。因此，划分单元时必须综合考虑计算精度和计算量等因素，采用适当的网格密度在Pro/MECHANICA软件中为了减少分析的数据，划分的网格应该越少越好。但自动划分网格划分的单元大，数目少，对分析的精确性又产生不良影响，所以二般不使用自动划分网格;而使用人为控制划分网格，通常主要设置的参数是网格最小角度，经过多次实验，合理的最小角度为数10。
4.4图 活塞的网格划分和变形图
4.4.5活塞的结构分析
应力分析
柴油机结构强度是保证柴油机安全性、可靠性的重要指标，因此柴油机结构强度分析也是CAE技术在汽车工程中应用最广泛的方面。柴油机结构强度分析一般都是应用有限元法对柴油机的结构进行数值计算。由于柴油机是一个非常复杂的结构，大多数的分析计算都是针对柴油机的某些重要的部件或总成例如活塞、连杆、曲轴等。进行分析的内容主要包括静力分析、特征值分析以及瞬态动力分析。通过静力分析可以得到结构的应力、位移分布情况，通过这些分布情况可以判断结构在工作载荷作用下是否安个、可靠，结构的哪些部位会产生应力集中，哪些部位强度不够，以便对结构进行改进设计。 通过特征值分析可以求得结构的固有频率以及相应的振型。根据固有频率和振型，可以帮助设计人员分析、查找引起结构振动的原因，并进而通过改进结构，避免发生共振。活塞在工作过程中所承受的载荷是比较复杂的。活塞在膨胀冲程的上止点附近承受燃烧压力的压缩载荷，而在进排气冲程的上止点附近承受往复运动质量惯性力的拉伸载荷，而且还有气体压力、往复惯性力及侧压力的周期性冲击力的作用。
4.4.6应力分析结果
图4.4.1-图4.4.3为应力工况下的活塞的变形云图，等值线应力分布图以及活塞应力分布云图。
图4.4.1 活塞的变形云图
图4.4.2 活塞等值线应力分布图
图4.4.3 活塞应力分布云图
由图可知：
(1) 活塞最大应力14.01MPa，出现在销座与销接触面上，其中在销座内侧边缘出现局部应力集中。
(2)在活塞顶面燃烧室喉口和燃烧室底部中央凸起部位应力较大，其中在销座轴线
方向以及垂直销座轴线方向的燃烧室喉口边缘部位出现局部应力集中。
(3)从应力场分布图还可以看出，靠近销座轴线大约45°方向的活塞侧
面，在环槽和环岸区以及裙部都出现了局部应力集中现象。
(4)从活塞最大主应力场分布图可以看出，在内腔顶部中心和两侧油孔周围存在局部拉应力集中现象。在活塞顶部，销座轴线方向出现拉应力，垂直活塞销座轴线方向出现压应力;在燃烧室底部一圈和周面出现拉应力，中央凸起部位出现压应力。
(5)从活塞网格划分和变形图可以看出，活塞的最大变变形位置在活塞顶部外缘。
4.4.7 疲劳分析
在柴油机工作过程中，活塞工作环境恶劣，受热及受力很不均匀、不稳定，因此会产生脉动应力，这种脉动应力常常造成活塞的疲劳破坏。分析活塞的疲劳破坏对活塞寿命设计具有重要的意义。
目前，对于影响活塞工作过程疲劳寿命的条件可归结为以下两个方面:
1.由于温度分布不合理，而造成的温差脉动热应力。
2.由于活塞往复运动过程中，随着气缸内压力的变化而产生的脉动应力。
图4.4.4为疲劳寿命云图
它深颜色出的寿命处于上述二者之间。即使在最短寿命处对日前的活塞设计寿命来说也已达到要求，今后如果要进一步提高寿命的话，则应在此处进行结构改进。
图4.4.5为安全因素图
从安全因素图中可以看到活塞的安全因素为3，满足要求。
结论
本文基于Pro/E建立了柴油机连杆，活塞实体模型，在集成模式下用Pro/M对连杆进行静力学分析及结构优化设计，得出的主要结论如下:
1.研究了基于特征技术的连杆有限元建模方法，通过对特征技术的研究，完成了对连杆，活塞的特征定义、分类，讨论了特征的约束、组合关系和编辑方法，建立了连杆，活塞三维实体有限元分析模型。
2.研究了连杆大端载荷的作用形式，对每一种受力形式进行了大端的单独分析，三维实体分析模型能够比较准确地反映连杆的实际受载情况，能得到与实验比较接近的计算结果。同时也对活塞在静载荷下的应力，疲劳强度的研究与讨论。
3.研究了连杆，活塞有限元网格自动生成技术，分析了模型简化的方法。在有限元分析前，对连杆模型进行合理的简化，既能不使运算失真，又提高了计算效率。
4.在结构优化前，研究了连杆，活塞优化设计方案，筛选关键参数，提高了优化设计的可信度。从连杆应力分布图可以看出，连杆大头与杆身的过渡区是应力比较严重的地方，所以在设计连杆时，大头要特别注意大头与杆身过渡处的圆滑性，应使该处的过渡圆角在合理的范围内尽量大些，以减少该处的应力集中。
从连杆的应力，变形云图可以看出，活塞的上端外延变形应力都较大，要进行优化，减少应力集中。
5.以柴油机活塞为实例进行了结构优化设计，并以强有力的数据结果证明了Pro/M作为有限元分析软件是功能强大的。其与Pro/E的无缝集成是其他软件所不能比拟的。Pro/M对连杆进行优化设计的例子对其他零件的设计也有一定的借鉴意义。
转自：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3MjM1ODQyNQ==&mid=2655947316&idx=1&sn=1b0152525dba613a48a1ddf14e44d0c5&scene=1&srcid=0831TbSH0ifGuXzmxGkskhlB#rd
要是有更具体的建模过程就好了
页:
[1]