基于ANSYS Workbench發動機連桿有限元分析

顏騰峰，程仙國

(寧波工程學院，浙江寧波 315336)

基于ANSYS Workbench發動機連桿有限元分析

顏騰峰，程仙國

(寧波工程學院，浙江寧波 315336)

利用ANSYS Workbench對捷達汽車發動機連桿在工作過程中受的拉力和壓力進行有限元分析計算，得到該發動機連桿在受拉和受壓時最大主應力、最大切應力以及最危險位置，為汽車連桿設計與優化、強度校核等提供理論依據。

連桿；有限元分析；應力

0 引言

連桿是發動機的重要零件之一，連接著活塞和曲軸并把作用在活塞上的力傳給曲軸，以便將活塞的直線往復運動轉變為曲軸的旋轉運動。連桿在高壓下作變速運動，故它在工作中的受力情況很復雜，如氣體作用力、運動質量慣性力、摩擦力以及阻力[1-3]。在設計發動機連桿時，要保證連桿具有足夠的剛度和強度。文中利用ANSYS Workbench對捷達汽車發動機連桿在工作過程中的受力情況進行有限元仿真計算，分別得到連桿在工作過程中受拉伸和壓縮時的最大主應力和最大切應力以及最危險位置，為汽車連桿的設計與結構優化、強度校核提供理論根據。

1 連桿工作時的受力分析

連桿工作時，摩擦力及阻力主要取決于運動零件的制造質量與潤滑情況，其數值較小且變化規律很難掌握，故對連桿進行受力分析時，摩擦力及阻力忽略不計[4-5]。連桿失效主要是拉、壓疲勞斷裂所致，所以連桿的受力分析主要考慮2種周期性變化的力：一個是經活塞頂傳來的燃氣爆發力Fp，該力對連桿起壓縮作用，如圖1(a)所示；另一個是活塞連桿組高速運轉時產生的往復慣性力Fj，該力對連桿起拉伸作用，如圖1(b)所示。

連桿受拉時，小端承受的拉力主要是活塞組慣性力，即：

Fj=m(1+λ)rω2

式中:m=0.468 kg為活塞組中不平衡回轉質量;r=40.23 mm為曲柄半徑;λ=0.27為曲柄連桿比;ω為曲柄旋轉角速度，捷達汽車發動機的額定轉速n=5 800 r/min，則ω=(2×π×5 800)/60=607.07 rad/s。連桿小端承受的拉力Fj=8 812.05 N。

連桿受壓時，小端承受的壓力為燃氣爆發力減去活塞組慣性力：

式中：D=80.985 mm為氣缸直徑；pz為缸內絕對壓力，在發動機的4個沖程中，(pz)max=4.5 MPa；p′=1.0132 5×105Pa，為標準大氣壓；Fj為活塞組的慣性力。連桿小端承受的壓力Fp=-13 836.24 N。

2 有限元模型分析與求解

文中以捷達汽車四缸發動機的連桿為例，利用CATIA軟件對該連桿進行建模，如圖2所示，并將其導入ANSYS Workbench 14.5中。連桿的材質為C70S6，其材料的力學性能見表1，彈性模量E=200 GPa，μ=0.3，采用20節點六面體單元(Solid186體單元)對該模型進行有限元分析，共劃分了163 642個節點、46 818個單元。汽車連桿的有限元網格模型如圖3所示。

連桿工作時，其大端與軸承配合，小端90°范圍內受到壓力或拉力的作用，故在有限元分析過程中，選取大端內表面為夾緊約束，在小端的內表面上施加相應的載荷。根據連桿工作的受力特點，將其等效為Workbench中的Bearing load，連桿受拉時其主應力和切應力分別如圖4和圖5所示，最大主應力為231.22 MPa，最大切應力為270.77 Pa，均小于材料的許用應力，滿足安全系數要求。

表1 C70S6材料力學性能

連桿受壓時，其主應力和切應力分別如圖6和圖7所示，最大主應力為106.36 MPa，最大切應力為324.28 MPa，均小于材料的許用應力，滿足安全系數要求。

3 結束語

利用ANSYS Workbench軟件對捷達汽車連桿工作時的應力進行分析，得出了連桿在拉伸和壓縮過程中的最大主應力和最大切應力及危險位置，為汽車連桿的強度校核和結構優化提供依據。

【1】陳家瑞.汽車構造(上)[M].3版.北京：機械工業出版社,2013.

【2】房志軍.LJ377MV汽油機曲柄連桿機構的設計與有限元分析[D].武漢:華中科技大學,2005.

【3】劉賽,吳飛科,嚴劍剛,等.發動機連桿的快速優化分析[J].上海第二工業大學學報,2015,32(4):312-316.

【4】胡小青.基于ANSYS Workbench的汽車發動機連桿力學性能分析[J].制造業自動化,2014(4):107-109.

【5】王小飛,向國權,李靜,等.基于ANSYS的汽車發動機連桿有限元分析[J].汽車零部件,2009(4):64-65.

Finite Element Analysis of the Automobile Engine Connecting Rod Based on ANSYS Workbench

YAN Tengfeng, CHENG Xianguo
(Ningbo University of Technology, Ningbo Zhejiang 315336,China)

The tension and pressure stress were analyzed and calculated for the Jetta automobile engine connecting rod in working process, getting the largest main stress, the maximum shear stress and the most dangerous position in tension and compression conditions respectively. It provides theoretical basis for design, optimization and strength check of the automobile connecting rod.

Connect nod; Finite element analysis; Stress

2016-03-17

寧波工程學院王偉明助創基金項目(2014017)

顏騰峰，男，本科生，專業方向為車輛工程。E-mail：569033949@qq.com。

U464

A

1674-1986(2016)06-058-03