连杆受力分析实例1、问题描述如图4-2所示为汽车连杆的几何模型，连杆的厚度为0.5m，在小头孔的内侧90°范围内承受P=1000N的面载荷作用，利用有限元分析该连杆的受力状态。
由于连杆的架构和载荷均对称，因此在分析时只要采用一半进行分析。
采用由底向上的建模方式，有20节点的SOLID95单元划分网格并用PCG求解器求解。
3、操作步骤（1）定义工作文件名和工作标题①定义工作文件名：执行Utility Menu > File > Change Jobname命令在对话框【Change Jobname】中输入“c-rod”并选择【New log and error files】复选框，单击OK按钮。
②定义工作标题：Utility Menu > File > Change Title,在对话框【Change Title】中输入“The Stress calculating of c-rod”，单击OK按钮。
（2）定义单元类型及材料属性①设置单元类型：Main Menu > Preprocessor > ElementType >Add/Edit/Delete，在【Element Type】对话框中单击Add...按钮，在之后的【Labrary of Element Type】对话框中选择“Not Solved”和“Mesh Facet 200”选项，单击Ok按钮。
②设置单元选项：单击【Element Type】对话框中的Options...按钮，在【MESH200 element type option】设置“K1”为“QUAD 8-Node”，单击OK按钮。
单击Add...按钮，在【Labrary of Element Type】中选择“Structural Solid”和“Brick 20node95”选项，单击Ok按钮，单击Close按钮。
③设置材料属性：Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models，在【Define Material Models Behavior】窗口中双击【Material Model > Available】列表中的“Structural﹨Linear﹨Elastic﹨Isotropic”选项，在弹出【Linear Isotropic Material Properties For Material Number 1】对话框中输入“EX=30e6，PRXY=0.3”，单击OK按钮，执行Material > Exit命令，完成材料属性的设置。
收稿日期:20000410作者简介:韩松涛(1974),男,河南郑州人,博士研究生,研究方向为发动机现代设计理论与方法及振动与噪声1文章编号:10094687(2000)040037044108Q 型柴油机连杆的模态特性有限元分析韩松涛, 郝志勇(天津大学机械工程学院,天津 300072)摘 要:本文采用三维有限元方法对4108Q 型柴油机的连杆进行了动态特性分析,通过计算得出了该连杆的模态分布情况以及每一模态下的振型,指出了连杆的薄弱环节,为今后高性能的发动机连杆设计提供了参考1关键词:内燃机;连杆;有限元法;动态特性中图分类号:T K 41313 文献标识码:A1 前 言随着计算机技术的发展以及大型有限元软件的出现,使得用现代设计理论和方法对发动机的各构件进行设计研究成为可能1连杆作为内燃机结构中一个重要构件,其使用可靠性对整个发动机的可靠性有着决定性的影响1传统的连杆设计基本上为静态设计,而对连杆的动态特性很少涉及1但是随着发动机高速化、大功率化,静态设计越来越不能满足需要1例如某柴油机连杆在进行静态强度校核以及有限元静态计算时,认为强度足够,而在近来的使用中却多次发现连杆上出现裂纹这一致命的损坏现象1因此,用现代设计的观点对连杆进行动态特性研究已成为连杆设计中的重要环节12 连杆模态的有限元模型有限单元法是对连续体进行合理的离散化,使连续体转换成由s 个单元、n 个结点构成的网格结构1根据振动理论,离散后的连杆结构系统的动力学微分方程可表示为:M ∆¨+C ∆+K ∆=f (t ),式中,若C =0,f (t )=0,便得到结构的无阻尼自由振动方程1对于连杆体的模态计算来说,阻尼对结构的固有频率和振型的影响很小,因此方程变为:M ∆¨+K ∆=01 这是一个二阶常系数线性齐次微分方程,由此可导出连杆结构的固有频率与振型的特征方程为:2000年第4期车辆与动力技术V eh icle &Pow er T echno logy 总第80期K -Ξ2M 5=0,式中,5为特征矢量,即结构的正则化振型1本文采用了算法稳定、易于充分使用计算机内存的子空间迭代法,求解特征值[1]1图1 4108Q 型柴油机连杆的三维网格模型有限元网格模型的建立是用有限元计算分析问题的先决条件,结果的可靠与否主要取决于计算的数学模型是否与实际结构相符合1连杆是相对不规则的空间结构,用平面单元或梁单元很难模拟其实际结构1另外,在模态分析时也不能像静态计算那样只取连杆的一个对称部分1因此,本文以空间块单元建立4108Q 柴油机连杆的网格模型1在建立模型的过程中,为了保证模型的结构与实际结构一致,对于特征点的位置一定要准确[2]1建模的方法有多种,如可以利用连杆对称性,先建立半部分模型,再利用镜相复制的方法;也可以先把连杆分成不同部分(如连杆小头、连杆大头、杆身),建立各个部分的模型,然后再通过移动的方法把它们连接起来,但在各处部件的结合面处节点数一定要相同,以保证单元变形的协调1本文采用后一种方法,把整个连杆划分为291个块,584个结点,如图1所示1坐标系取沿连杆的长度方向为y 轴,连杆小头圆孔的中心线方向为z 轴,x 轴由右手定则确定13 有限元计算结果与分析表1 连杆的计算固有频率阶数计算值阶数计算值1146121111771921961412124613335212131401194505171414351355731615145714666612161464137767111716761089391918188510999414191888161010191920200010 利用上面建立的三维有限元网格模型对4108Q 型柴油机连杆进行了动态特性分析,分析截止频率为2000H z 1通过计算发现在分析频率范围内连杆共有20阶模态,其结果如表1所示1由计算结果可以看出,该连杆的模态比较密集,在100～1000H z 之间有9阶模态1除了200～300H z 、400～500H z 、800～900H z 、1300～1400H z 和1500H z ～1600H z 之外的每100频段内都有1阶模态,而在1000～2000H z 之间模态主要分布在1400～1500H z 频段内,共有4阶模态1并且相邻的两阶模态频率相差较・83・车辆与动力技术2000年 小1连杆受力比较复杂,既有活塞、曲轴以及自身的惯性力,又有活塞传递的缸内气体的爆发压力1惯性力变化与发动机的转速有关,其频率通常是发动机基频的谐次;而气缸的爆发压力在某种程度上可以看作脉冲激励,其频率范围很宽1由计算结果可以得知,在发动机工作过程中由于连杆模态密集,很容易发生共振的响应,从而引起连杆的动应力过大,以至于出现疲劳裂纹1特别是在200H z 以下的第1、第2阶模态,频率较低,而发动机在低频段内的激励也较大,所以极易引起较大的动态响应1相邻的两阶模态频率相差较小,易引起相邻模态的耦合振动1振型反映了在某阶模态下结构各个部位之间位移的相对值1从振型图上可以找出在该阶振动模态下,结构振动响应的表现形态(弯曲变形、扭转变形或者弯曲扭转的复合变形等),同时也能发现振动时节点的位置1节点一般情况下也是在结构动态响应时易于产生破坏的部位1通过对发动机的工作特性分析可知,高频激励所引起的结构响应一般较小,对连杆的工作可靠性影响不严重1因此,主要对连杆1000H z 以下的9阶振型进行了分析1图2～10为连杆的第1至第9阶振型图1图2 连杆的第1阶振型 图3 连杆的第2阶振型图4 连杆的第3阶振型 图5 连杆的第4阶振型图6 连杆的第5阶振型 图7 连杆的第6阶振型图8 连杆的第7阶振型 图9 连杆的第8阶振型・93・ 第4期韩松涛等:4108Q 型柴油机连杆的模态特性有限元分析沿着x 轴方向观察 沿着z 轴方向观察图10 连杆的第9阶振型 从以上振型图可以看出,在1000H z 以下的前9阶模态内,连杆的振动形式多样1第3阶、第7阶模态分别为绕z 轴的1阶、2阶弯曲振动,并稍微带些扭转;第2阶、第4阶模态分别为绕x 轴的1阶、2阶弯曲振动;第1阶、第6阶模态分别为1阶、2阶扭转振动;第5阶为连杆大头的局部振动;第8阶为连杆小头的局部振动;第9阶为连杆的弯扭复合振动1在所有的整体振型下,连杆的大小头圆孔都存在失圆现象1孔的失圆会使大头与曲轴连杆轴颈、小头与活塞销失去正常配合,导致常见的抱瓦、烧瓦、减磨材料疲劳脱落等一系列故障1连杆的弯曲振动会使活塞相对于气套、轴颈相对于轴承发生歪斜,产生附加应力,引起裂纹和损坏1由振型图还能知道,扭转振动和弯扭复合振动时,连杆的结构形状变化最大,而且有显著的节点位置1第1阶扭转振型的节点在连杆的中部靠近大头的部位;第6阶扭转振型的节点有2个,分别在大小头与杆身的交接处1第2阶1阶弯曲振动的节点位置在连杆杆身的中心位置;第4阶2阶弯曲振动的节点位置有2个,分别在连杆杆身与连杆小头结合部和连杆杆身与连杆大头接合部1第4阶第9阶弯扭复合振型的节点位置与第6阶扭转振型的节点位置基本相同1所以,在对连杆进行设计时,杆身与大小头的连接部位不仅要考虑应力集中的影响,还要考虑连杆动态特性对其疲劳强度的影响[3]1此外,杆身的中部出现节点,也是传统设计时很难考虑到的问题14 结 论①用有限元计算法对连杆进行动态特性分析是行之有效的1②该连杆的模态密集,特别是第1、第2阶模态频率偏低,在工作过程中受到发动机激励的作用比较容易引起共振响应,导致连杆某些部位动应力过大,应在设计改进中予以重视1 ③连杆的动态特性分析是静态设计的补充和发展,是对连杆结构进行合理设计,提高使用可靠性的重要手段1④连杆的动态设计不仅要满足连杆自身的需要,还应与曲轴和机体3者所组成的激励传递系统的动态特性有机的结合起来统一考虑1(下转第53页)・04・车辆与动力技术2000年 D evelop m en t of the D r ive Pattern Sof tware ofStandard 8301M odeL I U Zhao 2du , HU H ai , SH I Kai 2b in , GAO L i 2p ing(N ati onal L ab of A uto Perfo rniance and Em issi on T est ,Beijing Institute of T echno logy ,Beijing 100081,Ch ina )Abstract :In th is p aper ,the developm en t of the drive pattern softw are of standard 8301m ode is p resen ted .T he drive m odes ,the drive p attern in structi on s such as gear changes ,clu tch off and ex ternal con tro l signals ,speed to lerance and ti m e to lerance etc of the softw are are m et the dem ands in GB 14761—1999“L i m its and m easu rem en t m ethods fo r em issi on s of po l 2lu tan ts from m o to r veh icles ”.It has h igh ly functi on s ,especially in the veh icle velocity data acqu isiti on and con tro ls to the CFV -CV S ,and is easy to be called and ex ited .Key words :em issi on ;standard 8301m ode ;drive p attern softw are ;m easu rem en t m ethod (上接第40页)参考文献:[1] Shohei .Svkoh .R esearch and investigati on on the fatigue fractures of the m ain parts of the diesel en 2gines [A ].P roceedings 18#internati onal congress on com busti on engines ,T ianjin ,1989.[2] M r .T .Yo sh ikaw a ,et al.D esign considerati on fo r m aj o r component under the h igh com busti on p res 2sure of diesel engines [A ].P roceedings 18#internati onal congress on com busti on engines ,T ianjin ,19891[3] 王勖成,邵 敏1有限元法基本原理与数值算法[M ]1北京:清华大学出版社,19881The F i n ite Elem en t M odal Analysis of 4108QD iesel Eng i ne Connecti ng RodHAN Song 2tao , HAO Zh i 2yong(Schoo l of M echanical Engineering ,T ianjin U niversity ,T ianjin 300072,Ch ina )Abstract :In th is p aper ,3D fin ite elem en t m ethod is u sed to analyze the dynam ic character 2istics of the connecting rod of 4108Q diesel engine .T h rough analysis ,the m odes and the as 2sociated m odal shap es are know n .T he p ap er po in ts ou t the w eakness of the connecting rod .T he references are offered fo r the connecting rod design of h igh p erfo r m ance engine in the fu 2tu re .Key words :engine ;connecting rod ;fin ite elem en t m ethod ;dynam ic characteristics ・35・ 第4期刘昭度等:8301工况法司机软件开发。
