ANSYS軟件在連桿有限元分析中的應用

李春風，董慶華，侯和龍

(承德石油高等專科學校工業技術中心，河北承德067000)

ANSYS軟件在連桿有限元分析中的應用

李春風，董慶華，侯和龍

(承德石油高等專科學校工業技術中心，河北承德067000)

連桿是連接發動機活塞與曲軸的重要組件，是內燃機的主要運動受力部件之一。通過數值模擬的方法對汽車發動機連桿進行有限元分析。通過ANSYS軟件建立了連桿模型，并沿著兩個不同路徑對其應力進行映射，得到連桿的最大最小應力邊界，為后續疲勞分析以及動力仿真提供參考。

發動機連桿;ANSYS;布爾運算;路徑操作

連桿是連接發動機活塞與曲軸的重要組件，是內燃機的主要運動受力部件之一，其作用是將活塞的往復直線運動變成曲軸的旋轉運動，并在活塞和曲軸之間傳遞作用力。工作中經受拉伸、壓縮、彎曲等的交變載荷的作用，機械負荷嚴重，工作條件惡劣［1］。因此，在進行內燃機研究時，連桿的可靠性成為人們關注的熱點。

1　ANSYS軟件在汽車連桿有限元分析中的應用

1．1前處理

1．1．1幾何建模

ANSYS提供兩種可交叉使用的實體建模方法:自頂向下及自底向上。現在參照連桿尺寸圖(見圖1)，采用由底向上建模技術建立汽車連桿幾何模型。

1)指定工作目錄，用“c-rod”作為文件名，進入ANSYS。

2)創建兩個圓形面，創建兩個矩形面，平移工作面位置(X=6．5)，設置工作平面所在的坐標系為激活坐標系，再創建兩個圓形面，得到基本圖像組元如圖2所示。

1．1．2布爾運算

1)在每一組面上分別進行布爾操作，如圖3所示。

2)激活總體笛卡爾坐標系，定義四個新的關鍵點，激活總體柱坐標系，創建一條線得到由一系列關鍵點擬合成的一條樣條曲線，如圖4所示。

3)通過關鍵點1和18創建一條直線，如圖5所示。

4)打開線號，顯示線，以預先定義的線6、1、7、25為邊界創建一個新面，如圖6所示。

5)創建三個線與線的倒角，先定義的圓角為邊界，創建一新的面，如圖7所示。

6)以X-Z平面(在Y方向)為對稱面，對面進行鏡面反射，并把所有的面加起來，初步得到模型如圖8所示。

1．1．3實體建模

對模型進行輸入、修正，從而簡化模型。

1)創建第一個孔洞。在孔洞中心創建關鍵點，平移工作平面到新的關鍵點，創建一個圓柱體，為生成孔洞作準備，然后從連桿中減去圓柱體，得到第一個孔洞，如圖9所示。

2)創建第二個孔洞。其操作步驟同1。

3)將體分解為對稱的模型。如圖10所示。

4)添加第一個倒角。如圖11所示。

5)通過倒角面創建體。如圖12所示。

1．2后處理

1．2．1畫出應力云圖

進入后處理器，出畫von Mises應力。并檢查von Mises應力結果。

1．2．2路徑操作

ANSYS軟件也可以用圖示或列表方式來顯示用戶所定義截面上節點計算結果的分布，稱為路徑操作。它能虛擬映射任何數據到模型的任何路徑上，然后就可以沿著路徑進行許多數學運算、微積分運算，從而得到有意義的計算結果，例如開裂部位的應力強度因子和J積分，通過該路徑的熱量、磁場力等，并且可以以圖形或者列表的方式觀察結果沿著路徑的變化情況［3］。

路徑操作包括定義路徑環境、定義路徑點、定義路徑屬性、沿路徑插值數據(可以在一個激活的結果坐標系中沿著路徑插值結果數據，包括原始數據(DOF節點解)、派生數據(應力、通量、梯度)、單元表數據、FLOTRAN節點結果數據等)、映射路徑數據、觀察路徑項、在路徑中進行算數運算、刪除路徑以及將路徑數據從文件中存檔或恢復等。

1)映射von Mises應力到某個路徑。

定義兩個路徑Path1和Path2。并分別映射von Mises，SX、SY和SZ應力到Path2和Path1，分別如圖13、圖14所示。

2)通過路徑畫出模型，如圖15所示。

1．2．3畫出誤差評估值

在圖形窗口顯示全部模型，畫結構單元能量誤差評估值(SERR)，如圖16所示。畫應力離散誤差(SDSG)，如圖17所示。畫結構百分比誤差(SEPC)，如圖18所示。對SEQV畫出最大最小應力邊界，如圖19所示。

2　結論

本文討論了ANSYS軟件在連桿有限元分析中的應用。ANSYS能虛擬映射任何數據到模型的任何路徑上，然后就可以沿著路徑進行許多數學運算、微積分運算，從而得到有意義的計算結果。本文通過ANSYS軟件建立了連桿模型，并沿著兩個不同路徑對其應力進行映射，得到連桿的最大最小應力邊界，為后續疲勞分析以及動力仿真提供參考。

［1］楊連生．內燃機設計［M］北京:中國農業機械出版社，1989．

［2］李春風．基于Ansys的汽車門鎖機構鎖緊工況的有限元分析［J］．現代機械，2012，8(4):29－31．

［3］張應遷．Ansys有限元分析從入門到精通［M］．北京:人民郵電出版社，2010．

［4］李曉紅．基于ANSYS管道缺陷承載行為研究［J］．承德石油高等專科學校學報，2009，9(3):30－32．

Application of ANSYS Software in Finite Element Analysis of Connecting Rod

LI Chun-feng，DONG Qing-hua，HOU He-long
(Industrial Technology Center，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Connecting rod is one of the important components to connect engine piston and the crankshaft，and it is one of the main under-stress parts of internal combustion engine during movements．This paper，by means of numerical simulation，analyzes the finite element of automobile engine connecting rod．ANSYS software is applied for modeling and mapping its stress along two different paths．The maximum and minimum stress boundary is obtained，which will provide a reference for subsequent fatigue analysis and dynamic simulation．

engine connecting rod;ANSYS;Booleans;path operation

TK4

B

1008-9446(2015)02-0020-04

2014-12-01

李春風(1981－)，男，河北石家莊人，承德石油高等專科學校工業技術中心講師，碩士，主要從事機械設計、有限元分析等方面研究。