连杆部件CAE仿真分析

摘要：连杆是内燃机的重要构件和主要运动件,其结构形状和受载状况都很复杂。连杆的强度在很大程度上影响着内燃机的寿命。而随着内燃机向高速、大功率和高负荷的方向发展,连杆的工作环境变得愈加恶劣。因此,分析连杆的运动和受力情况、计算连杆的结构强度和研究连杆的动态特性对连杆的设计和优化具有重要的意义。本文以某型号的柴油机连杆为研究对象,主要完成了以下工作内容：1.分析了连杆的运动和受力情况。首先计算了连杆的角位移、角速度和角加速度等运动参数,然后在连杆的受力分析中详细分析计算了连杆所受的四种主要载荷,并计算了最大拉压工况下连杆所受的载荷,为后续计算提供必要的边界条件。2.基于有限元方法,建立了连杆的有限元模型,主要进行以下方面研究：在预紧工况中,研究了单元类型对应力分布的影响；在最大拉伸和最大压缩工况中,研究了载荷加载方式的不同以及约束边界的不同对连杆应力分布的影响。3.利用模态分析技术研究了该连杆的动态特性。分别采用有限元和试验的方法研究了连杆的模态特性,获得连杆的模态频率及模态振型,为后续的连杆多体动力学分析提供依据,最后对模态结果进行了对比验证。4.利用多体动力学软件建立了连杆的多体动力学仿真模型,通过数值模拟计算,得到连杆在工作循环中的运动参数和准确的载荷边界条件,并分析了连杆轴承的润滑性能。5.利用有限元软件对连杆进行了三维瞬态应力场的计算,得到了连杆在一个工作循环中的动应力分布。并对比了忽略装配载荷和考虑装配载荷的计算结果。同时选取部分曲轴转角下的应力分布云图与静力学计算结果进行对比。分析表明,连杆的动应力仿真计算结果更为合理,更接近于实际情况。

前言

柴油机曲柄连杆机构包括曲轴、连杆、活塞等主要运动部件，其作用是将活塞的往复运动转化为曲轴卜的旋转运动，将活塞所受的燃气压力转化为曲轴卜的输出扭矩，从而实现热能一机械能的转化过程。曲柄连杆机构运动和受力情况复杂，以往只依赖经典动力学理论的计算方法已远远满足不了工程技术的需要。随着虚拟样机技术的发展，以经典动力学理论和现代计算机技术相结合的多体系统动力学得到了广泛的运用。

美国MSC公司的ADAMS软件是集成建模、求解、可视化技术于一体的运动仿真软件，在柴油机的曲柄连杆机构的动力学仿真中得到了广泛运用。然而，由于模型的复杂性，如何添加合理的边

界条件，尤其是曲轴转速边界条件成为了问题的难点。在以往的研究中，经常采用恒定转速驱动的动力学建模方法，改变了模型的自由度，忽略了曲轴转速波动的影响，使计算结果产生一定的误差。我们探讨了转速边界条件的添加方法，