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基于数值模拟的发动机连杆强度分析及结构改进
程彬彬
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2024()5
【摘要】连杆是发动机的重要组成零件之一,在各种载荷的作用下,容易出现塑性变形、断裂而导致失效。
为了分析连杆在工作过程中的应力大小及分布情况是否满足强度设计要求,通过SolidWorks软件建立了连杆的三维模型,将连杆的三维模型导入ANSYS Workbench中建立了连杆的结构力学有限元分析模型,并对其进行最大拉伸工况和最大压缩工况下的数值模拟分析。
结果表明,连杆在最大拉伸工况下的最大等效应力大于材料的许用应力,需要对连杆结构进行改进,以满足连杆的强度设计要求。
改进后,连杆最大拉伸工况下的最大等效应力由原来的392.16 MPa降低至223.38 MPa,下降43.04%,最大压缩工况下的最大等效应力由原来的164.02 MPa降低至160.68 MPa,下降2.04%。
改进后的连杆在两种工况下的最大等效应力均小于材料的许用应力,满足了强度设计要求,该研究为发动机连杆或其他类似产品的结构设计提供了一种思路和方法。
【总页数】3页(P18-20)
【作者】程彬彬
【作者单位】桂林信息科技学院
【正文语种】中文
【中图分类】TK403
【相关文献】
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学会使用AnsysWorkbench进行有限元分析和结构优化Chapter 1: Introduction to Ansys WorkbenchAnsys Workbench是一款广泛应用于工程领域的有限元分析和结构优化软件。
它的功能强大，能够帮助工程师在设计过程中进行力学性能预测、应力分析以及结构优化等工作。
本章节将介绍Ansys Workbench的基本概念和工作流程。
1.1 Ansys Workbench的概述Ansys Workbench是由Ansys公司开发的一套工程分析软件，主要用于有限元分析和结构优化。
它集成了各种各样的工具和模块，使得用户可以在一个平台上进行多种分析任务，如结构分析、热分析、电磁分析等。
1.2 Ansys Workbench的工作流程Ansys Workbench的工作流程通常包括几个基本步骤：（1）几何建模：通过Ansys的几何建模功能，用户可以创建出需要分析的结构的几何模型。
（2）加载和边界条件：在这一步骤中，用户需要为结构定义外部加载和边界条件，如施加的力、约束和材料特性等。
（3）网格生成：网格生成是有限元分析的一个关键步骤。
在这一步骤中，Ansys Workbench会将几何模型离散化为有限元网格，以便进行分析计算。
（4）材料属性和模型：用户需要为分析定义合适的材料属性，如弹性模量、泊松比等。
此外，用户还可以选择适合的分析模型，如静力学、动力学等。
（5）求解器设置：在这一步骤中，用户需要选择适当的求解器和设置求解参数，以便进行分析计算。
（6）结果后处理：在完成分析计算后，用户可以对计算结果进行后处理，如产生应力、位移和变形等结果图表。
Chapter 2: Finite Element Analysis with Ansys Workbench本章将介绍如何使用Ansys Workbench进行有限元分析。
我们将通过一个简单的示例，演示有限元分析的基本步骤和方法。
基于ANSYS的机械结构强度与刚度分析机械结构的强度与刚度是设计和生产过程中重要的考虑因素。
通过基于ANSYS的分析，工程师可以评估机械结构在受力情况下的性能表现，并进行优化设计。
本文将介绍基于ANSYS软件的机械结构强度与刚度分析的基本原理和步骤。
一、简介机械结构的强度与刚度分析是指对机械结构在受力情况下的破坏与变形程度进行评估的过程。
强度分析主要考虑结构在受力情况下是否会发生破坏，而刚度分析则关注结构在受力情况下的变形程度。
二、ANSYS软件简介ANSYS是一款基于有限元方法的工程仿真软件，广泛应用于机械结构、电子电器、航空航天等领域。
其强大的计算能力和丰富的分析功能使得基于ANSYS进行机械结构强度与刚度分析成为工程师们的首选。
三、分析步骤1. 几何建模在进行机械结构强度与刚度分析前，首先需要进行几何建模。
利用ANSYS提供的建模工具，可以将机械结构的几何形状进行精确描述，并生成相应的几何模型。
2. 网格划分在几何建模完成后，需要将几何模型进行网格划分。
ANSYS软件提供了多种不同类型的网格划分方法，如四边形网格、三角形网格、四面体网格等。
通过网格划分，可以将几何模型离散化为有限个单元。
3. 材料属性定义在进行强度与刚度分析之前，需要定义材料的属性。
包括材料的弹性模量、泊松比、密度等参数。
通过合理定义材料属性，可以更准确地评估机械结构在受力情况下的性能表现。
4. 约束条件与加载在进行分析前，需要定义机械结构的约束条件与加载。
约束条件包括固支条件、自由度限制等；加载包括静力加载、动力加载等。
通过合理定义约束条件和加载方式，可以模拟机械结构在实际工作情况下的应力和变形情况。
5. 分析与结果评估完成约束条件和加载的定义后，通过ANSYS进行分析计算。
ANSYS会计算机械结构在受力情况下的应力、应变、位移等结果。
根据结果评估，可以判断机械结构的强度与刚度是否满足设计要求。
四、实例分析为了更好地理解基于ANSYS的机械结构强度与刚度分析，我们以某水箱结构为例进行分析。
设计计算DESIGN & CALCULATION挖掘机工作装置运动和疲劳强度分析武慧杰1，杨建伟1，张志强2（1. 北京建筑大学 机电与车辆学院，北京 100044；2. 中交路桥北方工程有限公司，北京 100024）［摘要］针对挖掘机工作装置的疲劳损伤，利用Pro/E 及ANSYS 进行三维建模及有限元分析。
通过Pro/E 平台中的机构模块分析工作装置的极限位姿以及运动参数，然后利用工作装置位姿转换，基于力矩平衡关系，对斗杆挖掘和铲斗挖掘工况下的铰点进行受力分析，获取工作装置各铰点的最大载荷。
在此基础上，利用ANSYS 疲劳强度分析得出挖掘机最小疲劳全寿命。
研究结果可为挖掘机工作装置结构设计提供理论参考。
［关键词］挖掘机；运动分析；疲劳强度；全寿命［中图分类号］TU621 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X （2015）06-0089-05Kinematics and fatigue strength analysis of excavator working deviceWU Hui -jie ，YANG Jian -wei ，ZHANG Zhi -qiang本文在Pro/E 软件中对挖掘机整机进行实体三维建模，并运用Pro/E 的机构运动分析模块对挖掘机工作装置的包络图及铲斗齿尖的位移、速度和加速度进行仿真模拟。
然后基于ANSYS 软件，结合工作装置位姿关系计算工作装置各铰点承受的最大载荷，在此基础上对挖掘机动臂、斗杆进行应力和全寿命分析，得到挖掘机工作强度和使用寿命的校核结果，为挖掘机工作装置强度和可靠性分析提供了高效的解决办法。
１ 挖掘机三维建模与虚拟仿真1.1 工作装置原理与结构液压挖掘机的作业过程包括铲土挖掘、满载回转、举升卸载、空斗返回等，其中反铲作业设备是液压挖掘机的主要工作装置［1］，由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、连杆等组成，其结构如图1所示。
坐底式平台结构疲劳强度分析陆超;李亚军【摘要】采用疲劳简化分析方法和谱分析方法,使用ANSYS软件对某坐底式平台进行了结构疲劳强度的校核.根据作业场地环境条件进行了详细的工况划分,运用热点应力的谱分析法计算对关键节点进行了细部疲劳分析.结果表明,该部分结构设计符合疲劳强度要求.【期刊名称】《造船技术》【年(卷),期】2016(000)002【总页数】8页(P44-51)【关键词】坐底式平台;疲劳强度;谱分析法;ANSYS【作者】陆超;李亚军【作者单位】中国舰船研究设计中心,湖北武汉 430064;中国舰船研究设计中心,湖北武汉 430064【正文语种】中文【中图分类】P75analysis ANSYS坐底式海洋平台由于其设计建造周期短、造价低廉的优势，在河流和海湾等30 m 以下的浅水域以及海床平坦的浅海区域的油气勘探开发作业中发挥了重要的作用[1～3]。
我国渤海沿岸的胜利油田、大港油田和辽河油田，由于其浅水的海况条件，在开采过程中广泛使用了坐底式平台进行作业[4,5]。
由于处在各种不利海况和复杂交变载荷作用下，平台结构疲劳破坏是结构失效的重要因素。
因此对平台结构的疲劳强度分析是十分必要和关键的。
根据中国船级社颁发的《海上移动平台入级规范》2012版规定[6]：疲劳校核的目的是确保平台结构在营运期间具有足够的疲劳寿命。
疲劳寿命的计算结果可用作制定平台在制造和工作期间检验规程的依据。
疲劳分析的范围和方法将取决于平台设计中所考虑的预期作业模式和区域。
结构的疲劳设计寿命应不小于平台的设计年限，且不小于20 年。
对于可能产生潜在疲劳裂纹的任一焊缝和引起应力集中的结构形式均应进行抗疲劳设计。
必要时，应进行节点细部的疲劳分析。
对于柱稳式平台，校核部位主要包括以下内容：撑杆；撑杆与下壳体、柱体和甲板相连处；主柱与下壳体相连处；主要结构不连续处。
目前海洋平台分析校核中常用的平台疲劳分析方法主要有疲劳简化分析方法、随机疲劳分析方法以及确定性方法。
基于ANSYS的副车架结构强度及模态分析杨德胜; 蒋清丰; 刘庆; 李先彬; 饶志明【期刊名称】《《制造业自动化》》【年(卷),期】2019(041)009【总页数】3页(P12-14)【关键词】压裂车; 副车架; 有限元分析; 结构强度; 模态分析【作者】杨德胜; 蒋清丰; 刘庆; 李先彬; 饶志明【作者单位】四川宝石机械专用车有限公司广汉 618300; 斯伦贝谢科技服务成都有限公司成都 610200【正文语种】中文【中图分类】TE90 引言压裂车是将高压、大排量的压裂液压入地层裂缝，从而撑开地层将支撑剂挤入裂缝的主要设备，目前，压裂车已成为石油压裂所用的核心设备之一。
压裂车主要由运载底盘和台上设备（包含发动机、变速箱、压裂泵和散热器四大主件）所组成，中间通过副车架来连接。
在压裂车使用过程中，副车架得有足够的强度和刚度，才能承受所有台上设备由于不断振动所产生的应力影响。
因此，减小副车架的变形已成为压裂车设计时需要重点考虑的问题[1]。
压裂车副车架的结构强度是影响压裂车使用寿命的重要因素之一，吴汉川[2]等分析了衡梁数量对副车架承载能力的影响；高媛[3]，王旱祥[4]等通过分析提出了优化压裂车车架设计及上装布置的建议。
Liu J等[5]分析了主框架与副车架之间的连接器数量和位置对底盘承载能力的影响。
以上研究对现有压裂车副车架的结构强度分析较少，无法为副车架的结构优化提供理论依据。
因此，本文通过三维建模软件建立副车架的三维模型，并借助有限元分析软件对副车架的结构分析，查找薄弱环节，为后期有针对性的进行加强副车架结构强度、提高副车架的承载能力提供理论依据。
该研究的开展有效提高了副车架的实际应用，具有重要的实际意义。
1 有限元模型的建立根据对压裂车副车架结构进行分析与测量，并结合三维CAE软件建立了如图1所示的副车架结构模型。
由图1可知，该副车架主要由两根主梁和若干纵梁组成，发动机底座、变速箱底座、散热器底座和压裂泵底座等附属支架通过焊接与车架相连，副车架通过止推板与主车架连接。
基于ANSYS的机械结构强度分析与优化研究随着现代工程需求的不断增长，对机械结构强度和可靠性的要求也越来越高。
为了满足这一需求，研究人员广泛使用ANSYS软件来进行机械结构的强度分析与优化研究。
本文将介绍基于ANSYS的机械结构强度分析与优化的研究方法和技巧。
一、研究背景和意义机械结构的强度分析是评估其工作状态下可承受的载荷和变形的能力，是确保机械结构安全可靠运行的基础。
而优化设计则是在满足安全性的前提下，设计出更加轻量化和高效的结构，以降低成本和提高性能。
因此，基于ANSYS的机械结构强度分析与优化研究对于工程领域具有重要的意义。
二、ANSYS软件介绍ANSYS是一款广泛应用于工程计算领域的有限元法软件。
它可以模拟和分析各种不同材料和结构类型的力学行为，并提供详细的应力、应变和变形等信息。
利用ANSYS软件，可以进行静力学分析、动力学分析、疲劳分析等多种工程分析。
三、机械结构强度分析流程1. 几何建模：使用ANSYS提供的建模工具，创建机械结构的几何模型。
可以通过绘图、导入CAD文件等方式完成。
2. 材料属性定义：根据实际情况，设置机械结构材料的机械性能参数，包括弹性模量、泊松比、屈服强度等。
3. 网格划分：将几何模型划分成有限元网格，需要注意网格密度和质量的合理选择，以提高计算结果的精度和准确性。
4. 载荷和边界条件定义：根据实际工况对机械结构施加载荷和边界条件。
可以设置静载荷、动载荷、温度载荷等。
5. 强度分析：运行ANSYS计算求解器，进行机械结构的强度分析。
可以获得应力、应变、变形等结果，以评估结构的强度和可靠性。
6. 结果后处理：通过ANSYS的后处理工具，对计算结果进行可视化和分析。
可以生成应力云图、应变曲线等，为结构优化提供依据。
四、机械结构优化方法1. 参数优化：通过改变机械结构的设计参数，如材料厚度、连接方式等，以满足给定的约束条件和性能要求。
2. 拓扑优化：在事先给定的设计空间中，通过修改结构的拓扑形状来实现结构的优化设计。
轴有限元分析1 概述本计算是对轴进行强度校核仿真，通过SOLIDWORKS软件对轴进行三维几何建模，在ANSYS/WORKBENCH软件中进行有限元网格划分、载荷约束施加，计算轴在工作状态下的结构应力及形变量，校核轴的强度是否满足要求。
2 材料参数轴采用的材料——，其材料各力学属性见表1。
表1 材料属性材料名称弹性模量泊松比密度——200GPa 0.3 7850kg/m33 结构有限元分析3.1 结构几何模型打开WORKBENCH软件，将Static Structural模块左键按着拖入到右侧工作窗口内，如图1。
图1右键点击Geometry，选择Import Geometry，点击Browse，最后选择我们在SOLIDWORKS里面建好的三维模型，如图2所示。
图2双击Geometry，进入DM界面。
右键点击Import1，点击Generate,最终显示的几何模型如图3所示。
图33.2 结构有限元模型关闭DM界面，重新回到工作窗口。
双击Model，如图5所示。
图4双击Model后，进入DS界面。
左键点击Mesh，左键点击Generate Mesh，进行网格划分，最终画好的有限元模型如图5所示。
图53.3 载荷和约束3.3.1载荷根据轴的工作方式，在轴的右端齿面上的载荷分别圆周力、径向力、和轴向力其中通过计算得到，圆周力为90.42N,径向力为33.80N，轴向力为21.2N，其次在轴中段会施加一个弯矩，大小为278.5N·mm。
具体的载荷施加如图6所示。
图63.3.2约束根据轴的工作方式，在轴的两端添加约束，即距离左端3.5mm处和距离右端15mm处固支。
点击Support 选择Fixed Support，选择约束处，点击Apply，如图7所示。
图73.4 有限元计算结果在设置好载荷和约束后，点击Solution，选择Insert，选择Deformation，选择Total，添加变形约束结果显示，点击Solution，选择Insert，选择Stress，选择Von-Mises，添加应力结果显示。
用ANSYS WORKBENCH对装配体做强度分析时的计算心得**********************原创 对装配体做结构分析时的注意事项：1.没有必要在DM（DesignModeler）中使用Boolean将所有的体（body）合并为一个体。
这样做会导致合并前各个体的网格划分不规则，严重时导致网格划分失败。
2.也没有必要在DM中使用Form New Part将各个body重新组合为一个part。
虽然这样做可以保证划分网格时，两body交界处网格节点重合，划出较高质量的网格；但是，另一方面，合并为一个part可能导致网格划分失败。
对装配体做结构分析时的步骤：1.在三维软件中，零件造型、装配完毕后生成IGS文件。
2.将IGS文件导入到Ansys Workbench的DesignModeler中。
之后，在DM中对个别的body进行Boolean操作，以获得较好的压力作用面。
对于存在搭接面的情况（图一），可以图一使用imprint操作或者projection操作，以获得较好的压力作用面。
3.Workbench会自动识别装配体的连接（connection）。
查看details of “connection”中参数tolerance value的数值，两body（或body和edge）之间的距离小于此数值时，Workbench 会认为两者连接在一起。
只要三维制图精度足够，这一数值可以默认值不变。
4.对于装配体中各部件材料不完全相同时，可以在Model中对Geometry下某个solid 设置它的材料特性。
前提是Engineering data里添加了所需的材料特性。
