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以往的連桿有限元分析大都將連桿計(jì)算模型簡(jiǎn)化成二維平面問(wèn)題來(lái)處理，隨著機(jī)械類(lèi)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)軟件技術(shù)的發(fā)展，許多復(fù)雜工程問(wèn)題可應(yīng)用有限元分析處理。連桿三維有限元分析時(shí)因單元數(shù)多、計(jì)算量大，分析一般只針對(duì)連桿，不包括活塞銷(xiāo)和曲軸連桿軸頸。連桿受力經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，會(huì)方便地實(shí)現(xiàn)建模、網(wǎng)格劃分、計(jì)算分析等，但過(guò)多的簡(jiǎn)化處理會(huì)影響計(jì)算精度。
連桿有限元分析中，接觸問(wèn)題一直是個(gè)難點(diǎn)。連桿與活塞銷(xiāo)、曲軸等零件組裝成一個(gè)系統(tǒng)，各零件間存在接觸應(yīng)力。本研究中采用接觸法，在考慮到活塞銷(xiāo)和曲軸連桿軸頸的同時(shí)，在連桿與活塞銷(xiāo)、連桿與曲軸連桿軸頸間建立彈性接觸對(duì)，用接觸對(duì)來(lái)模擬零件間的連接關(guān)系，使分析模型盡量與連桿的實(shí)際狀況相同，達(dá)到準(zhǔn)確分析的目的。
柴油機(jī)一般工作條件惡劣，大部分零件，如機(jī)體、連桿、缸蓋、活塞等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)這些零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)是一件非常困難的工作。有些無(wú)法僅靠材料力學(xué)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)。而利用有限元法則可對(duì)受載荷方式和結(jié)構(gòu)形狀都十分復(fù)雜的零件進(jìn)行分析。本研究中利用功能強(qiáng)大的abaqus有限元分析軟件對(duì)連桿進(jìn)行分析，其分析結(jié)果與實(shí)際情況非常接近。
柴油機(jī)連桿的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：大端內(nèi)徑70mm，外徑104mm，小端內(nèi)徑36mm，外徑54mm，小端厚29mm，大端厚29mm，桿身厚2mm，大小端孔中心距210mm。
建立準(zhǔn)確的模型是有限元分析結(jié)果可靠的前提條件。但由于連桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模和分析會(huì)較為困難，因此要適當(dāng)簡(jiǎn)化。不考慮連桿蓋和連桿體之間的接觸方式，將兩者做成一體。根據(jù)連桿的對(duì)稱(chēng)平面，直接應(yīng)用abaqus軟件對(duì)連桿建立實(shí)體模型。
在abaqus軟件中建好模型后，對(duì)復(fù)雜部位采用三維實(shí)體單元C3D10M對(duì)連桿進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，調(diào)整桿身、大端及連桿身和小端圓弧連接等的種子密度細(xì)化網(wǎng)格，共劃分出37314個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)60709個(gè)。對(duì)比較規(guī)則的軸瓦和襯套形狀采用C3D8I三維實(shí)體單元?jiǎng)澐�，軸瓦共劃分出1215個(gè)單元，2700個(gè)節(jié)點(diǎn)，襯套共劃分出1740個(gè)單元，3712個(gè)節(jié)點(diǎn)。
進(jìn)入Interaction創(chuàng)建軸瓦和大端、襯套和小端之間的過(guò)盈接觸，分別選取軸瓦、襯套外圓柱面為主面，大端、小端內(nèi)孔面為從面。
連桿做復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)，承受壓、拉交變應(yīng)力，運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)連桿全程運(yùn)動(dòng)仿真分析可知，連桿在膨脹沖程開(kāi)始的上止點(diǎn)位置附近受最大壓力，在進(jìn)氣沖程開(kāi)始的上止點(diǎn)附近承受最大拉伸力，選取這兩種位置進(jìn)行應(yīng)力分析校核連桿疲勞強(qiáng)度。
(1)位移邊界條件正確的位移邊界條件是分析的重要因素，直接影響計(jì)算精度和結(jié)果的正確性，取1/2連桿建模，在對(duì)稱(chēng)面上定義對(duì)稱(chēng)邊界條件，固定約束軸瓦。
(2)模型加載根據(jù)分析實(shí)體的具體情況對(duì)模型加載，ABAQUS自動(dòng)將載荷轉(zhuǎn)化到節(jié)點(diǎn)和單元上。將活塞組產(chǎn)生的離心載荷和燃?xì)鈮嚎s力處理成作用在大端的合力，連桿的慣性力施加在每個(gè)單元上。將連桿小頭所受的最大拉力和最大壓力以面壓力加在小頭孔和大頭內(nèi)表面上。
從應(yīng)力圖可看出，連桿大端應(yīng)力較小，大端內(nèi)表面應(yīng)力集中作用不明顯；桿身和連桿大端過(guò)渡處外側(cè)面應(yīng)力較大；受應(yīng)力集中影響，小端內(nèi)表面有最大應(yīng)力。經(jīng)abaqus查詢(xún)桿身最大應(yīng)力存在桿身和大端圓弧連接表面的3788號(hào)節(jié)點(diǎn)上，最大應(yīng)力值為365.3MPa。40Cr材料的屈服極限為800MPa，取許用安全系數(shù)，許用應(yīng)力為533MPa，在最大的壓縮工況下，最大應(yīng)力為320.22MPa，小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。
壓縮載荷主要分布在連桿小端的下端內(nèi)側(cè)150范圍表面和大端的上端內(nèi)側(cè)150范圍表面。經(jīng)驗(yàn)表明，連桿破壞一般發(fā)生在連桿大小端與連桿桿身過(guò)渡圓弧處，因該處相對(duì)較薄弱，應(yīng)力集中較大。實(shí)際工作中，大小端的過(guò)渡區(qū)由于長(zhǎng)時(shí)間變載荷作用，是常發(fā)生疲勞的部位。在各種疲勞計(jì)算中，單向受力(如拉工況)產(chǎn)生的應(yīng)力不能完全決定疲勞壽命。跟最大壓縮工況一樣創(chuàng)建Job。
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