汽車發動機連桿結構強度仿真分析

□ 冒小萍

上海聯宏創能信息科技有限公司 上海 200125

1 分析背景

傳統的產品設計往往比較依賴設計師的經驗,即使是創新,通常也不是從無到有,而是在前人經驗的基礎上進行優化,然后設計出新的產品,制造出物理樣品,進行試驗,根據試驗的結果解決問題,繼續優化,再制造樣品,試驗分析。如此重復的設計優化迭代拉長了產品的上市周期,在人力和物力的投入方面也是巨大的。隨著計算機技術和數值計算方法的發展,借助計算機輔助工程技術進行產品設計和虛擬驗證已成為重要的手段。

在汽車發動機運行過程中,處于核心位置的機構是曲軸連桿機構,發揮著能量轉換的作用。在高強度、高負荷的運轉中,曲軸連桿機構需要可靠的強度,否則極易導致事故。曲軸連桿機構能夠將以活塞為主體的運動轉換為以曲軸為中心的運動,同時將直線運動轉變為曲線運動,由此,曲軸連桿機構的工作環境十分惡劣。汽車發動機運行時,連桿通過活塞銷連接活塞,將作用在活塞上的力傳遞至曲軸。連桿在工作中面臨往復力和劇烈的交變動載荷,長期作用下,連桿表面易產生裂紋。

傳統的連桿設計以經驗設計和理論設計為基礎,基于數學模型和力學公式進行計算,很難模擬真實復雜的工況,難以獲得精確的強度結果。有限元法是目前計算機輔助工程軟件普遍采用的數值計算方法,可以對結構形狀和受載方式均十分復雜的零件進行分析,被廣泛運用在工程中,對連桿結構強度的校核同樣可以起到重要的作用。

業內普遍認為,20世紀60年代初出現的有限元法是計算力學誕生的標志。有限元法在傳統里茨法的基礎上,利用變分原理導出代數方程組求解。有限元法將連續介質離散為有限個單元來進行數值計算,通過對連續體的離散化,在每個單元上建立岔子函數,進而建立整個求解區域上的函數,利用節點位移求出應力分量。

有限元法實現了統一的計算模型、離散方法、數值求解、程序設計方法,能夠廣泛適用求解復雜結構的力學問題。目前,商業化的有限元程序軟件很多,已經成為產品研發人員不可或缺的計算工具,Simcenter 3D軟件便是其中之一。筆者基于Simcenter 3D軟件,完成汽車發動機連桿結構強度仿真分析,并對設計方案的改進進行進一步驗證。

2 計算機輔助工程仿真工程應用概述

在產品的設計中引入計算機輔助工程仿真分析,通過建立與產品系統相一致的仿真模型,能夠從系統的設計早期開始對各種不同的設計方案進行評價和驗證,及時發現問題,進而最大程度降低試驗風險。

開展產品計算機輔助工程仿真工程應用的意義主要有兩方面。

第一,拓寬現有產品的開發思路,通過引入仿真驗證,提高產品設計質量。

在產品設計過程中增加仿真驗證手段,除了可以顯著提高開發效率,還可以有效改善設計開發的流程。

傳統設計開發流程如圖1所示,引入仿真分析的產品設計開發流程如圖2所示。在傳統設計開發流程中,一般在完成系統設計后通過試驗驗證的方法檢驗產品質量。通過試驗發現設計存在問題時,對方案和算法進行修改,然后重新進行試驗。

在設計開發流程中引入多學科仿真分析后,在進行實際試驗之前,可以通過仿真軟件建立完整的系統模型,對設計方案進行虛擬驗證。發現設計問題時,可以及時進行改進,這樣能夠最大程度降低風險,避免重復設計工作。

第二,能夠顯著提高開發效率,降低設計和試驗風險,節省試驗成本。

相比試驗驗證,仿真分析的一大優勢在于靈活性好、效率高,并且不受時間地點的限制。通過建模仿真,在設計流程的早期階段就可以評價系統整體性能和精度,并對系統設計進行必要的改進,能夠有效避免完全依賴于物理試驗的風險。由于在試驗之前已對系統方案進行了虛擬驗證和改進,因此還可以顯著減少試驗次數,降低試驗成本。

3 計算機輔助工程連桿仿真分析意義

連桿是汽車發動機的重要構件和主要運動件,連桿的可靠性和壽命在很大程度上影響汽車發動機的壽命。對連桿進行設計時,要求在保證足夠強度、剛度、穩定性的前提下,盡可能實現質量輕、體積小、形狀合理,并最大限度減緩過渡區的應力集中。將計算機輔助工程應用于連桿結構強度仿真分析,主要意義有三方面。

第一,獲取連桿設計的薄弱位置。

連桿在工作過程中承受的載荷比較復雜,包括拉伸力、爆發壓力,以及離心載荷、彎曲載荷等交變載荷,連桿極易發生疲勞損傷。通過計算機輔助工程,可以模擬并分析連桿的失效原因和薄弱位置,通過應力集中和局部強度、剛度分析結果,獲得連桿設計不合理的區域,對連桿結構進行優化。

第二,對多種設計方案進行分析和比較,選擇最佳設計方案。

與物理試驗相比,對連桿結構強度進行計算機輔助工程仿真分析,可以方便比較多種設計方案。如今,很多計算機輔助工程軟件都擁有功能豐富的三維模型編輯修改功能,對連桿三維模型進行設計更改后,可以很快回到計算機輔助工程仿真環境進行優化驗證,及時對比多種設計方案的優劣,選出最佳設計方案,整個分析比較過程具有高效、經濟、簡單、直觀的特點。計算機輔助工程軟件除可以對連桿進行單學科仿真外,還能夠進行多學科耦合分析,如熱流固耦合分析等,進而更加全面真實地再現連桿的工況。

第三,提煉連桿分析流程,形成企業知識庫。

借助計算機輔助工程,逐步建立企業的仿真流程和標準,以及標準的連桿分析庫,并且對常規結構建立標準的分析流程,可以提高企業的整體研發能力。利用分析專家的專業知識,在企業推廣計算機輔助工程仿真分析的全面應用,可以為整個研發體系提供指導,同時擴展輻射應用至整個企業。還可以進一步開發建立連桿的仿真向導流程,有利于實現分析的標準化和分析的流程固化。

4 Simcenter 3D軟件概述

Simcenter 3D軟件是西門子工業軟件公司開發的設計仿真一體化軟件,采用領先的前沿建模技術和先進的仿真前后處理方法,結合業界NASTRAN、Samcef標準解算器,提供完全的適合連桿的仿真解決方案,使工程師在設計階段就能夠及時評估連桿的安全性、可靠性,為連桿優化和設計方案的更改提供依據。在設計仿真一體化解決方案中,連桿參數化數據、仿真前處理數據都能夠得到重用,最大程度提升設計效率和產品市場競爭力。計算機輔助設計、計算機輔助工程一體化平臺高度集成在同一環境中,無數據交換之憂,所有分析過程基于同一軟件完成。軟件采用關聯文件管理分析數據,保證數據的實時更新。通過集成化協同式前后處理器,保持連桿三維模型數據與有限元模型之間的協同性,連桿的設計發生改變可以快速實現對有限元模型的更新,而不需要重新導入模型和網格劃分,所有材料屬性、物理屬性不需要變更,從而快速計算得到分析結果。

5 連桿建模

對連桿桿身、連桿蓋、軸瓦、襯套、螺栓進行建模,采用接觸法對連桿進行有限元分析,得到連桿的應力分布情況,并對優化前后連桿設計方案進行仿真結果對比,解決連桿的可靠性問題。在有限元分析中,接觸問題是個難點。連桿運動時,與軸瓦、襯套、活塞銷、曲軸等組成一個系統,這些零件之間接觸面上的接觸力非常關鍵,如果接觸壓力不足,容易造成系統失效。為了準確模擬實際工況,筆者采用Simcenter 3D軟件非線性分析,評估連桿蓋、軸瓦、襯套與連桿在不同工況下的接觸壓力,軸瓦、襯套的變形,以及連桿的高周疲勞安全因數。

Simcenter 3D軟件包含專業的計算機輔助設計三維建模和模型簡化處理功能,采用Simcenter 3D軟件完成連桿三維建模,如圖3所示。為了便于添加載荷,將軸瓦和襯套對稱分為兩部分,分割邊界如圖4所示。

連桿模型采用四面體結合六面體網格劃分,目的是提高網格精度和控制網格規模,有利于縮短求解時間。當然,非線性分析求解時間在正常情況下要比線性分析求解時間長。在模型邊上添加邊密度控制,在關鍵接觸面上采用二維種子網格進行網格密度控制和三維網格劃分引導。連桿模型網格密度控制如圖5所示,網格劃分如圖6所示,整體網格大小為2 mm,局部采用1 mm網格單元。

連桿桿身、連桿蓋的材料為36MnVS4合金結構鋼,彈性模量為207 GPa,泊松比為0.3,屈服強度為750 MPa,抗拉強度為950 MPa。軸瓦、襯套、螺栓的鋼材料,彈性模量為211 GPa,泊松比為0.277。

6 分析工況

對連桿結構強度分析時,主要載荷有襯套過盈接觸力、軸瓦裝配接觸力、螺栓預緊力、最大拉伸載荷、最大壓縮載荷。通常認為,連桿在工作過程中最危險的工況是最大拉伸工況和爆發壓力最大壓縮工況。筆者分析裝配工況、拉伸工況和壓縮工況,拉伸工況即裝配及往復慣性力工況,壓縮工況即裝配及爆發工況。對于每個工況,定義軸瓦與連桿大頭的過盈接觸、襯套與連桿小頭的過盈接觸、螺栓與連桿蓋的接觸、連桿桿身與連桿蓋的接觸,摩擦因數設置為0.2。計算參數見表1,三種工況的載荷和邊界條件如圖7所示。

表1 計算參數

7 分析結果

7.1 整體非線性應力

在分析中不關注螺栓自身的應力,因此只顯示連桿、襯套、軸瓦的應力情況。三種工況下連桿整體非線性應力分布云圖如圖8所示。結果顯示,裝配工況最大等效應力為709.38 MPa,拉伸工況最大等效應力為726.92 MPa,壓縮工況最大等效應力為802.97 MPa,每個工況下襯套與連桿小頭接觸位置、螺栓與連桿蓋接觸位置應力較大。

7.2 接觸壓力

對連桿結構強度分析需要關注各部分的接觸性能,連桿桿身與連桿蓋要求保持接觸,存在接觸壓力,不分離,連桿桿身與軸瓦、連桿桿身與襯套之間要求接觸良好,接觸壓力超過10MPa。三種工況連桿接觸壓力分布云圖如圖9所示,顯示連桿各部分接觸均滿足要求。

7.3 軸瓦與襯套變形

拉伸工況下軸瓦和襯套的變形分別如圖10、圖11所示。根據變形云圖,軸瓦和襯套的變形結果見表2。

表2 軸瓦與襯套變形結果 μm

7.4 疲勞安全因數

將三種工況結合起來計算疲勞安全因數,得到連桿疲勞安全因數分布云圖,如圖12所示。連桿的疲勞安全因數不低于1.41,滿足設計要求。

8 設計方案優化

回到Simcenter 3D軟件的計算機輔助設計建模環境,對連桿進行局部優化。Simcenter 3D軟件計算機輔助設計功能實際上就是NX軟件,NX軟件具有同步建模技術,可以通過標注三維尺寸進行數值修改、外表面拓撲幾何關系修改,對外表面進行移動、旋轉、刪除、復制等,對現有三維幾何模型進行調整。修改后,回到Simcenter 3D軟件仿真環境,可以直接更新網格,材料參數、載荷和約束邊界條件、非線性分析參數設置均可保留,直接求解就可以獲得新的分析結果。由此可見,Simcenter 3D軟件是典型的計算機輔助設計、計算機輔助工程一體化仿真工具,特別適合對多種設計方案進行對比。

設計方案優化后,連桿疲勞安全因數分布云圖如13所示。連桿的疲勞安全因數從優化前的1.41提高到優化后的1.52,滿足設計要求。

9 結束語

計算機輔助工程技術的出現,為工程設計領域提供了一種強有力的計算工具。連桿的有限元計算從最初的平面連續模型發展到如今的復雜三維實體模型,預測性能和設計技術大幅改進,設計可靠性大大提高。筆者對汽車發動機連桿結構強度進行仿真分析,確認Simcenter 3D軟件可以加快仿真進程,完全滿足連桿的多設計方案驗證需求。