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有限元模拟连杆
模型为现实汽车发动机的连杆。最初连杆的形状和实际尺寸如图1。三维有限元网格生成SOLID95使用元素类型。为生成三维网格ANSYS商业包装使用。弹性模量泊松比为0.3。采用三维有限元网格的初始模型见图2。
.连杆的最初形状.三维有限元网格模型
边界条件 载荷和约束
通常设计过程中使用最糟的负载。文献资料表明,调查使用最大惯性负载、惯性载荷,或活塞装配的惯性负荷作为最大扭矩载荷的极端，相对应的另一个作为设计荷载相应的压载荷的极端。因此,在此研究中,假设曲柄及活塞销端都在拉伸加载下接触表面分布正弦载荷。这是基于韦伯斯特的实验结果et.al[1]。给出了接触表面的正常的压力：
负荷分布在夹角180~ ，给出的总负荷为： （2）
因此恒定的压力为： （3）
r为曲轴或活塞销的半径，t为曲轴或活塞销接触的表面。
假设在连杆、曲轴端和活塞销加载的载荷在120~的接触表面为均匀载荷。常规压力为：
在本研究中,对四个有限元模型进行了分析。有限元都进行了拉伸和压缩载荷分析。两种不同的情况各自进行了分析,一个与载荷应用在曲柄端,限制在活塞销端,另一个在活塞销端加载,限制在曲柄端。这四个案例都显示在图3至6。当拉伸载荷的曲柄应用到最后,活塞销内表面沿180(即完全抑制。X,Y,Z,此表面各节点设置为零。同样的,当连杆在轴压载荷作用下,120度的接触面积的完全抑制。
图3.曲柄端拉伸载荷分布180°活塞端固定
图4活塞端拉伸载荷分布180°曲轴端固定
图5曲轴端的载荷分布在120°活塞端超过120°
图6.分布在活塞端的载荷在120内曲轴端超过120
有限元模型的验证
为了验证有限元模型、应力区沿一半连杆的长度(如下比较两个条件下抗压载荷应用。首先,应用在均布荷载作用下活塞销端,而约束曲柄端。第二,应用在均布荷载作用下曲柄端,而约束活塞销端。从载荷的大小相同的两个条件下,我们会认为在两个条件下这里的应力是同一地点远离加载和制约因素(如中间)。一个类似的比较也用与拉伸载荷。在两种条件下有很好的一致性关于压缩和拉伸载荷。
分析方法和优化技术
上述的三维有限元模型应用于结合数值形状优化程序以优化连杆的形状。用有限元法进行的优化程序,利用ANSYS商业包装。优化程序执行某一特定计划摘要利用ANSYS的参数化设计语言。
目标函数解决连杆最小化体积的问题,降低连杆的重量将会降低惯性载荷及提高其发动机的性能。减小连杆的体积将会在剩于最大应力的约束帮助下得到连杆达到的初始形状要或者低于初始值。
连杆是与当前引擎现里有一个连杆可互换的。这需要外形尺寸相近的连杆用于维修。这些不变的尺寸:曲柄销孔的直径,连杆的整体厚度,曲柄活塞销的中心距。把这些事实考虑进去,形状优化设计变量表示在图1。这些设计变量是说明如下:
a) t 是曲柄和活塞销之间槽的厚度。这个变量设计开始从最初的厚度(10毫米)到为零,这意着这个筋节空心的。
b) R1和R2连杆的曲轴端的外半径。
c) R3和R4连杆的活塞端的外半径。
d)Y1和Y2 是曲柄截面的两个半径。