柴油机连杆结构强度分析(附件)【字数：12099】
摘 要摘 要柴油机发明至今已有上百年的历史，经过这一个多世纪的发展，柴油机趋于完善。如今的柴油机被应用于各个行业领域。然而随着世界性的能源危机以及新能源的挑战，新的时期对柴油机提出了新的要求，柴油机本身的强度和刚度是更高的要求的基础。连杆作为柴油机中的运动件中的核心部件，连杆的性能与指标直接与柴油机的寿命和性能直接挂钩，也是长期以来柴油机研究的热点之一。如今随着ACE技术的发展和计算机的普及，有限元软件被广泛应用，如今已是各个工程行业的产品开发和优化必不可少的方法。本文选用船用柴油机6L21/31连杆作为研究对象，在ANASYS 14.5 Workbench中的Design Modeler三维建模模块对简化后的连杆进行实体建模，并在ANSYS Workbench中的Static Structural（静力分析）模块对其进行剖分网格，定义边界，根据实际情况，定义接触，并根据各工况下连杆的受力的情况，对连杆施加载荷，然后在装配工况、最大拉伸工况和最大压缩工况下对其进行有限元分析，获得连杆组件的应变与应力云图，并对三种工况下的分析结果作对比，得到连杆组件在各工况下的联系。关键字柴油机； 连杆； 有限元； 静态分析
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2国内外研究现状 2
1.2.1连杆有限元静态分析 2
1.2.2连杆有限元动态分析 3
1.2.3连杆的有限元结构优化 4
1.3本文的主要研究内容 4
第二章 连杆结构强度分析的基本理论 5
2.1有限元基本理论 5
2.2软件介绍 8
第三章 连杆6L21/31连杆的结构强度计算 10
3.1计算准备 10
3.2连杆的三维实体模型 10
3.3连杆各部件之间的接触设置 11
3.4网格的划分与材料的定义 14
3.4.1网格划分 14
3.4.2连杆各部件材料的设置 15
3.5计算载荷 16
3.5.1计算各组件质量 16
3.5.2装配工况下的载荷计算 17
3.5.3最大拉伸工况下载荷的计算 18 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
3.5.4最大压缩工况下载荷的计算 19
3.6位移边界 20
3.7连杆的有限元分析结果 21
3.7.1装配工况下 21
3.7.2最大拉伸工况下 23
3.7.3最大压缩工况下 26
结论与展望 30
结论 30
展望 30
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 引言
柴油机自十九世纪末被发明，至今已有一个多世纪的历史。其中二十世纪，是其发展至关重要的一百年，这一百年中柴油机的质量以及其各方面性能都已经取得很大的突破，一跃成为动力机械中的主流产品之一。进入二十一世纪以来，随着电控喷射，共轨，涡轮增压中冷等设备的出现和应用，如今柴油机在重量、噪音、烟度方面已到达了一个很高的水平，更为轻便环保人性化。如今的柴油机凭借其热效率高，结构紧凑，质量轻，功率分布广，操作方便，便于维护等优点，被广泛的使用在车辆船舶电力矿山建筑甚至是军工等方面。跟据《中国柴油机行业市场前瞻与投资战略规划分析报告前瞻》，可以预测在今后的几十年中，柴油机仍然会是主要的原动机之一[1]。然而随着越来越严重的世界性的石化能源短缺，人类生存环境的恶化以及其他新型动力机械（如燃料电池）的竞争，对于柴油机这个在国民经济各个领域中得到广泛应用的传统行业，提出了新的挑战。面对各种工况和环境以及高功率密度的情况下，柴油机的整体及部件的结构强度更是提高其工作可靠性的基础[2]。
柴油机是将热能转化为动能的机械，曲柄连杆机构则是促使柴油机持续工作和能量转变的主要动力零件，而连杆就是这个机构中关键部件。连杆的运行环境常常伴随着高速与高载荷，所以在柴油机中其也是出现问题较多的构件之一。由此可见，连杆的性能与柴油机动力性，可靠性，寿命以及经济性有着密切的联系。所以连杆也是一直以来柴油机研究的热门课题之一。连杆的结构繁杂，部件较多，一般由连杆体，衬套，大端盖，轴瓦，以及螺栓，螺母构成。连杆的运动也是柴油机中较复杂的，其小端通过活塞销与活塞相连，并同其在气缸内做往复运动；大端通过曲轴销与曲轴相连，并同其在一平面内做圆周运动；连杆杆身在小端与大端运动的双重作用下做周期性摆动。而更大的难点在于，连杆的受力也的极其繁杂，连杆主要承受呈周期变化的爆燃压力，以及由于运动所产生的惯性力[3]。值得一提的是，由于气体爆燃时存在巨大的冲击力，使得连杆的工作中极易处于疲劳状态，所以疲劳断裂也正是连杆的常见失效原因。这也决定了连杆材料需具备足够的强度与刚度，能够承受疲劳和冲击。然而这并不意味这为了提高连杆的刚度和强度而盲目的加大尺寸，这样既会造成材料的浪费又会影响柴油机的工作性能，所以设计时要求连杆需有一定的刚度和强度的前提下尽可能的轻量化[4]，所以连杆的结构的强度分析尤为重要。
现如今随着科学技术蓬勃的发展，有限元分析技术也已被广泛的使用在产品研发生产制造中。对柴油机连杆的有限元分析，长期以来，全球的内燃机从业者及科研人员也进行了大量研究[5]。目前连杆强度的有限元分析技术已有很大的成就。静态分析已经完善并逐渐精细，虽然动态分析还刚刚发展，但是其对连杆的有限元分析的发展和进步具有更好的愿景。
本文在参考和学习了前人研究的基础上，充分考虑了实际情况，结合自己的想法，采用有限元分析软件ANSYS Workbench中的Design Modeler模块对简化后的连杆建立三维模型，接着选择ANSYS Workbench中的Static Structural(静力分析)模块对其进行强度的有限元分析。
1.2国内外研究现状
近20年来，随着有限元理论和方法提出和完善以及计算机技术的突飞猛进，有限元分析模型从二维迈向三维，从简单迈向复杂，从静态迈向了动态。如今的有限元法是研发制造中不可或缺的分析计算方法，被广泛的使用在静力学、热力学、流体力学、电磁学等诸多学科[6]。如今CAE技术分析已经是产品研发优化设计不可或缺的部分，这有助于减少实验，节约成本缩短研发的周期。如实的市场上拥有大量成熟的大型有限元分析软件，像ANSYS、NASTRAN、PATRAN、HYPRFTMESH、COSMOS和ABAQUS等，这些软件分析功能强大、适用面广、结果可靠性高。自改革开放以来，国内计算机的普及，这些软件冲入国门，极大的推动了有限元法在我国工程技术领域的普及和应用。
与此同时，柴油机连杆的计算分析，跟随着有限元方法和计算机技术的发展的步伐，有了更大的进步。早期连杆的设计分析多使用经验公式，上世纪90年代，多通过常单元插值、线性单元插值、以及边界元等措施来计算连杆的强度[7]。如今连杆的设计计算多采用CAE技术，连杆模型从二维向三维发展，由简单向复杂发展，由静态向动态发展，再结合对连杆材料的金相、化学与力学性能的一系列检测，模型越来越贴合实际，得到的数据也越来越真实精确。近年来，连杆的研究可归结为以下几点：有限元强度应力分析、可靠性分析、动响应分析以及优化分析。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2国内外研究现状 2
1.2.1连杆有限元静态分析 2
1.2.2连杆有限元动态分析 3
1.2.3连杆的有限元结构优化 4
1.3本文的主要研究内容 4
第二章 连杆结构强度分析的基本理论 5
2.1有限元基本理论 5
2.2软件介绍 8
第三章 连杆6L21/31连杆的结构强度计算 10
3.1计算准备 10
3.2连杆的三维实体模型 10
3.3连杆各部件之间的接触设置 11
3.4网格的划分与材料的定义 14
3.4.1网格划分 14
3.4.2连杆各部件材料的设置 15
3.5计算载荷 16
3.5.1计算各组件质量 16
3.5.2装配工况下的载荷计算 17
3.5.3最大拉伸工况下载荷的计算 18 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
3.5.4最大压缩工况下载荷的计算 19
3.6位移边界 20
3.7连杆的有限元分析结果 21
3.7.1装配工况下 21
3.7.2最大拉伸工况下 23
3.7.3最大压缩工况下 26
结论与展望 30
结论 30
展望 30
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 引言
柴油机自十九世纪末被发明，至今已有一个多世纪的历史。其中二十世纪，是其发展至关重要的一百年，这一百年中柴油机的质量以及其各方面性能都已经取得很大的突破，一跃成为动力机械中的主流产品之一。进入二十一世纪以来，随着电控喷射，共轨，涡轮增压中冷等设备的出现和应用，如今柴油机在重量、噪音、烟度方面已到达了一个很高的水平，更为轻便环保人性化。如今的柴油机凭借其热效率高，结构紧凑，质量轻，功率分布广，操作方便，便于维护等优点，被广泛的使用在车辆船舶电力矿山建筑甚至是军工等方面。跟据《中国柴油机行业市场前瞻与投资战略规划分析报告前瞻》，可以预测在今后的几十年中，柴油机仍然会是主要的原动机之一[1]。然而随着越来越严重的世界性的石化能源短缺，人类生存环境的恶化以及其他新型动力机械（如燃料电池）的竞争，对于柴油机这个在国民经济各个领域中得到广泛应用的传统行业，提出了新的挑战。面对各种工况和环境以及高功率密度的情况下，柴油机的整体及部件的结构强度更是提高其工作可靠性的基础[2]。
柴油机是将热能转化为动能的机械，曲柄连杆机构则是促使柴油机持续工作和能量转变的主要动力零件，而连杆就是这个机构中关键部件。连杆的运行环境常常伴随着高速与高载荷，所以在柴油机中其也是出现问题较多的构件之一。由此可见，连杆的性能与柴油机动力性，可靠性，寿命以及经济性有着密切的联系。所以连杆也是一直以来柴油机研究的热门课题之一。连杆的结构繁杂，部件较多，一般由连杆体，衬套，大端盖，轴瓦，以及螺栓，螺母构成。连杆的运动也是柴油机中较复杂的，其小端通过活塞销与活塞相连，并同其在气缸内做往复运动；大端通过曲轴销与曲轴相连，并同其在一平面内做圆周运动；连杆杆身在小端与大端运动的双重作用下做周期性摆动。而更大的难点在于，连杆的受力也的极其繁杂，连杆主要承受呈周期变化的爆燃压力，以及由于运动所产生的惯性力[3]。值得一提的是，由于气体爆燃时存在巨大的冲击力，使得连杆的工作中极易处于疲劳状态，所以疲劳断裂也正是连杆的常见失效原因。这也决定了连杆材料需具备足够的强度与刚度，能够承受疲劳和冲击。然而这并不意味这为了提高连杆的刚度和强度而盲目的加大尺寸，这样既会造成材料的浪费又会影响柴油机的工作性能，所以设计时要求连杆需有一定的刚度和强度的前提下尽可能的轻量化[4]，所以连杆的结构的强度分析尤为重要。
现如今随着科学技术蓬勃的发展，有限元分析技术也已被广泛的使用在产品研发生产制造中。对柴油机连杆的有限元分析，长期以来，全球的内燃机从业者及科研人员也进行了大量研究[5]。目前连杆强度的有限元分析技术已有很大的成就。静态分析已经完善并逐渐精细，虽然动态分析还刚刚发展，但是其对连杆的有限元分析的发展和进步具有更好的愿景。
本文在参考和学习了前人研究的基础上，充分考虑了实际情况，结合自己的想法，采用有限元分析软件ANSYS Workbench中的Design Modeler模块对简化后的连杆建立三维模型，接着选择ANSYS Workbench中的Static Structural(静力分析)模块对其进行强度的有限元分析。
1.2国内外研究现状
近20年来，随着有限元理论和方法提出和完善以及计算机技术的突飞猛进，有限元分析模型从二维迈向三维，从简单迈向复杂，从静态迈向了动态。如今的有限元法是研发制造中不可或缺的分析计算方法，被广泛的使用在静力学、热力学、流体力学、电磁学等诸多学科[6]。如今CAE技术分析已经是产品研发优化设计不可或缺的部分，这有助于减少实验，节约成本缩短研发的周期。如实的市场上拥有大量成熟的大型有限元分析软件，像ANSYS、NASTRAN、PATRAN、HYPRFTMESH、COSMOS和ABAQUS等，这些软件分析功能强大、适用面广、结果可靠性高。自改革开放以来，国内计算机的普及，这些软件冲入国门，极大的推动了有限元法在我国工程技术领域的普及和应用。
与此同时，柴油机连杆的计算分析，跟随着有限元方法和计算机技术的发展的步伐，有了更大的进步。早期连杆的设计分析多使用经验公式，上世纪90年代，多通过常单元插值、线性单元插值、以及边界元等措施来计算连杆的强度[7]。如今连杆的设计计算多采用CAE技术，连杆模型从二维向三维发展，由简单向复杂发展，由静态向动态发展，再结合对连杆材料的金相、化学与力学性能的一系列检测，模型越来越贴合实际，得到的数据也越来越真实精确。近年来，连杆的研究可归结为以下几点：有限元强度应力分析、可靠性分析、动响应分析以及优化分析。
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