目錄第一章序言 1課題研究的目的和意義 1課題的分析 1研究內(nèi)容 2第二章有限元的根本原理及其應用 5有限元分析概述 5有限元分析的優(yōu)缺點 6有限元法的優(yōu)點 6有限元分析的缺點 7第三章連桿的工作條件及載荷確實定 83.1.連桿的結(jié)構(gòu)和布置 8柴油機一般采用斜連桿的原因 10連桿的工作條件及受力 11連桿的材料及制造工藝 12第四章連桿的建模 16軟件介紹 16概述 164.1.2SolidWorks軟件的特點 174.1.3SolidWorks軟件的應用 18連桿模型的建立 18創(chuàng)立連桿的幾何模型 19連桿的力學模型的建立 33第五章計算結(jié)果及其分析 41最大拉伸情況的結(jié)果與分析 41連桿受拉時應力結(jié)果 41連桿受拉時應變結(jié)果 42連桿受拉時位移結(jié)果 44最大壓縮情況的結(jié)果與分析 45連桿受壓時應力結(jié)果 45連桿受壓時應變結(jié)果 46連桿受壓時位移結(jié)果 47分析總結(jié) 47引用文獻 50附錄(英文翻譯) 52第一章序言課題研究的目的和意義連桿是發(fā)動機中傳遞動力的重要零件，它把活塞的直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動，并將作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工作過程中要承受裝配載荷〔包括軸瓦過盈及螺栓預緊力〕和交變工作載荷〔包括氣體爆發(fā)壓力及慣性力〕的作用，工作條件比擬苛刻?，F(xiàn)代汽車正向著環(huán)保節(jié)能方向開展，這就要求發(fā)動機連桿在滿足強度和剛度的根底上，應具有尺寸小、重量輕的特點。本文通過SolidWorks這個三維制圖軟件制作連桿的三維模型，然后通過COSMOSWorks軟件，對連桿模型進行網(wǎng)格劃分、加載和約束的處理，然后再進行計算分析，得出柴油機連桿在受拉和受壓的兩種工況下的應力、應變等分析結(jié)果。為連桿的設(shè)計和制造提供了一定的數(shù)據(jù)資料，具有一定程度的工程實用價值。近幾年，隨著我國汽車工業(yè)的高速開展以及對環(huán)境保護工作的日漸重視，參照國外先進機型設(shè)計開發(fā)并引進關(guān)鍵的生產(chǎn)制造技術(shù)是目前迅速提高我國內(nèi)燃機制造及開發(fā)水平有效措施。在人們普遍重視的汽車各種性能指標中，發(fā)動機的性能顯得尤為重要。現(xiàn)在，我國各大汽車集團的主機廠發(fā)動機鍛鋼連桿制造技術(shù)與國外差距不大，不管從鍛件的強度，外表強化技術(shù)，還是尺寸精度及產(chǎn)品的穩(wěn)定性方面，都接近國外興旺國家的水平，但在連桿輕量化方面，我國還相當落后。因此，對連桿進行三維建模及有限元分析具有其積極的意義。隨著計算機技術(shù)的迅速開展，特別是有限元方法和分析軟件的日益成熟，在連桿等發(fā)動機零部件的研制開發(fā)工作中，對其進行計算機數(shù)值模擬己成為輔助設(shè)計的重要手段。連桿是發(fā)動機的主要運動受力元件之一，它在工作中所受的各種外載荷復雜且作周期性變化。而且，即使是同一類型的連桿，每根連桿的物性參數(shù)、幾何形狀也存在差異。因此，在分析連桿的應力和應變時，要考慮這些不確定的因素，才能得到更符合實際的結(jié)果。目前，隨著計算機技術(shù)的迅猛開展，有限元法己日趨成熟實用，所應用的領(lǐng)域越來越廣并發(fā)揮出越來越重要的作用。此方法已成為工程技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的一個強有力的計算分析工具，其在發(fā)動機零部件的設(shè)計分析中的應用亦有了很大的進展。其中研究連桿的應力、應變時，目前最常用的方法是有限元方法。要進行有限元分析，首先要建立三維實體模型。本文采用Solidworks進行建模。Solidworks是第一個在Windows操作系統(tǒng)下開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，包含了CAD/CAM/CAE功能的集成化軟件，全面滿足設(shè)計，分析，制造，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的一體化要求。其根本設(shè)計流程為“實體造型(零件)—虛擬(裝配體)—二維圖紙(工程圖)”。COSMOSWorks是一種基于有限元分析技術(shù)的設(shè)計分析軟件，是SARC公司工程分析軟件產(chǎn)品之一。SRAC公司成立于1982年，是將有限元分析帶入到桌面計算的先驅(qū)。1995年SARC公司與SolidWorks公司合做開發(fā)了COSMOSWorks軟件，從而進入了工程界主流有限元分析軟件的市場。隨著汽車工業(yè)制造技術(shù)的開展，對于汽車發(fā)動機的動力性能及可靠性要求越來越高，而連桿的強度、剛度對提高發(fā)動機的動力性及可靠性至關(guān)重要，因此國內(nèi)外各大汽車公司對發(fā)動機連桿用材料及制造技術(shù)的研究都非常重視。首先，本課題通過查閱收集國內(nèi)外連桿的相關(guān)資料，了解該領(lǐng)域的研究動態(tài)。使我對連桿的結(jié)構(gòu)、連桿的材料、連桿的制造工藝、以及連桿的開展趨勢都有了一定程度的了解。連桿在發(fā)動機中直接與活塞銷、曲柄銷連接，通過彈性接觸傳遞力的關(guān)系，所以，連桿的受力情況與活塞銷、曲柄銷有極大的關(guān)系。本論文對分析對象與別的構(gòu)件間的接觸問題，采用簡化處理，因為連桿體和連桿蓋用連桿螺栓緊緊固連在一起，所以在連桿靜強度分析計算將桿身與桿蓋合作為一個整體，這種分析模型雖然無法準確反映螺栓預緊力及各零件之間的相互作用與影響，但是對桿身局部的應力計算是方便有效的。本文以德國工程機械柴油機連桿為研究對象，采用SolidWorks軟件建立了包括連桿體、連桿蓋、連桿螺栓在內(nèi)的三維有限元分析實體模型，采用COSMOSWorks軟件建立連桿的靜強度有限元分析模型，用高品質(zhì)的實體網(wǎng)格對整個三維實體模型進行了網(wǎng)格劃分，連桿大頭與連桿套的接觸面的接觸條件定義為無穿透的接觸類型，整個連桿的約束條件為將連桿大頭采用固定約束，連桿小頭采用軸向約束，從而限制的剛體的位移，然后通過COSMOSWorks軟件在最大受拉和最大受壓工況下分別進行有限元分析計算。對連桿的在最大受拉和最大受壓工況下的應力、應變、位移等進行了簡略研究，并且對兩種工況下的結(jié)果進行了比照分析。

第二章有限元的根本原理及其應用本課題分析的核心思想是有限元法，所以有必要簡單介紹一下有限元的根本原理及其當前在工程設(shè)計和零件加工中的應用。有限元法是把連續(xù)的彈性體劃分為有限大小的、彼此只在有限個節(jié)點相連的、有限個單元的組合體來研究的。也就是設(shè)想把原來的結(jié)構(gòu)用一個離散結(jié)構(gòu)來代替，作為真實結(jié)構(gòu)的力學模型，以后的數(shù)值計算就在這個模型上進行。這種把實際連續(xù)體劃分為離散結(jié)構(gòu)的過程，叫做有限元離散化，這些有限大小的單元，稱為有限元，各單元間連接的點稱為節(jié)點。所謂有限元法，其根本思想可從力學和數(shù)學兩個角度來闡述。從力學角度來闡述，就是通過離散化的手段，把一復雜的連續(xù)體變成離散的單元;從數(shù)學角度來闡述，就是通過離散手段，把偏微分方程或者變分方程變成代數(shù)方程求解。離散就是把要分析的某連續(xù)體人為地分割成有限個單元，單元間通過節(jié)點連接起來。復雜的連續(xù)體經(jīng)此離散化，可視為假設(shè)干單元的組合體。對每個單元，選取適當?shù)牟逯岛瘮?shù)，使得該函數(shù)在子域內(nèi)部、在子域分界面上(內(nèi)部邊界)以及子域與外界分界面(外部邊界)上都滿足一定的條件。單元組合體在外載荷作用下處十平衡狀態(tài)時，列出一系列以節(jié)點位移為未知量的線性方程組。利用計算機解出節(jié)點位移后，再用彈性力學的有關(guān)公式，計算出各單元的應力、應變，當各單元小到一定程度，那么它就代表連續(xù)體各處的真實情況。內(nèi)燃機要完成其獨特的功能，大局部零件結(jié)構(gòu)復雜，工作條件惡劣，這些零件的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計是一件非常困難的工作。如連桿、活塞、缸蓋、機體等零件，傳統(tǒng)的設(shè)計方法所用的材料力學公式不能計算出這些復雜零件的應力。有限元法以其獨特的特點，可以對結(jié)構(gòu)形狀和受載荷方式都十分復雜的零件進行分析，因而被廣泛地運用在內(nèi)燃機工程中，成為有限元法工程應用的一個重要內(nèi)容。有限元法應用于內(nèi)燃機工程的目的可分為兩類:一類是進行結(jié)構(gòu)分析，內(nèi)燃機的一些零部件時常發(fā)生損壞，用有限元法來分析和研究結(jié)構(gòu)損壞的原因，找出危險區(qū)域和部位，提出相應的改良設(shè)計方案。一類是進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在進行內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以預先對一些可能的結(jié)構(gòu)方案進行有限元分析計算，再根據(jù)對計算結(jié)果的分析和比擬，選取最正確的合理方案?；钊?、連桿、曲軸、機體、缸蓋、進排氣等零部件的設(shè)計上己廣泛地應用了有限元分析，它不僅可以計算零部件的靜、動態(tài)應力下的強度問題，還可以計算活塞的溫度場和應力、缸蓋的熱應力等。有限元法在內(nèi)燃機工程上的運用，縮短了內(nèi)燃機的開發(fā)周期和本錢，提高了內(nèi)燃機的可靠性、經(jīng)濟性。FEA不是唯一的數(shù)值分析工具，在工程領(lǐng)域還有其它的數(shù)值分析方法如有限差分法、邊界元法和有限體積法。然而，由于FEA的多功能性和高數(shù)值性能，它占據(jù)了絕大多數(shù)工程分析的軟件市場，而其它方法那么被歸入小規(guī)模的應用。使用FEA，通過不同方法理想化集合體，我們能夠分析任何形狀的模型，并且得到預期的精度。作為一個強有力的工程分析工具，F(xiàn)EA可以解決從簡單到復雜的各種問題。一方面，設(shè)計工程師使用FEA在產(chǎn)品研發(fā)過程中分析設(shè)計改良，由于時間和可用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)的限制，需要對所分析的模型做許多簡化。另一方面，專家們使用FEA來解決一些非常深奧的問題，如車輛碰撞動力學、金屬成形和生物結(jié)構(gòu)分析。不管工程多么復雜或者應用領(lǐng)域多廣泛，無論是結(jié)構(gòu)、熱傳導或者聲學分析，所有FEA的第一步總是相同的，都是從幾何模型開始。2.2有限元分析的優(yōu)缺點2.2.1有限元法的優(yōu)點有限元的優(yōu)點十清楚顯，主要表現(xiàn)在:(1)整個系統(tǒng)離散成為有限個單元，并將整個系統(tǒng)的方程轉(zhuǎn)換成一組線性聯(lián)立方程，從而可用多種方法對其求解。(2)邊界條件不進入單個有限元的方程。而是在得到整體代數(shù)方程后再引入邊界條件，這樣，內(nèi)部和邊界上的單元都能夠采用場變量模型，而且，當邊界條件改變時，內(nèi)部場變量模型不需要改變。(3)有限元法考慮了物體的多維連續(xù)性，不僅在離散過程中把物體看成連續(xù)的，而且不需要用分別的插值過程把近似求解推廣到連續(xù)體中的每一點。(4)有限元法不需要適用十整個物體的插值函數(shù)，而只需要對每個子域或單元采用各自的插值函數(shù)，這就使得其對復雜形狀的物體也適用。(5)有限元法能很容易求解非均勻連續(xù)介質(zhì)，而其他方法處理非均勻連續(xù)介質(zhì)較困難。(6)有限元法適用線性和非線性的場合。2.2.2有限元分析的缺點(1)有限元計算分析，尤其在對復雜問題的分析上，所耗的計算資源(內(nèi)存，時間，磁盤空間)是相當大的。(2)對無限區(qū)域的處理，有限元法比擬困難。(3)雖然有限元軟件有自動劃分網(wǎng)格的功能，但具體采用什么樣的單元，網(wǎng)格的合理大小等有些問題還要依賴于經(jīng)驗。(4)有限元分析所得結(jié)果并不是計算機輔助工程的全部，而且一個完整的機械設(shè)計不能單獨使用有限元分析來完成，必須結(jié)合其它分析和工程實踐才能完成整個工程設(shè)計。

第三章連桿的工作條件及載荷確實定建立準確而可靠的有限元計算模型是決定有限元分析結(jié)果準確性的首要環(huán)節(jié)。然而，實際的工程問題往往是非常復雜的，在有限元分析中，做完全符合實際的力學模型往往是較困難的，這就要求在建立計算模型的過程中，做種種必要的簡化，沒有這種簡化，這類結(jié)構(gòu)的有限元法分析往往變得異常困難，有時甚至是不可能的。這種簡化的結(jié)果，使得計算模型只能近似的反映工程實際問題，或者說計算模型在不同程度上都具有一定的近似性。但做出合理的簡化是科學的，也是必然的。一般來說，這種力學模型的近似性所引起的誤差要比有限元法本身的計算誤差大得多。從這個意義上來說，在建立有限元計算模型之前，必須對所要研究的對象(連桿)進行深入的分析，掌握其結(jié)構(gòu)上的特點及其工作環(huán)境，并對它在工作時所受到的載荷有明確的認識，在此根底上才能做出科學合理的簡化。在連桿的有限元計算中，處理作用于連桿上的載荷是一件極為重要的工作。由于作用于連桿上的載荷系統(tǒng)一般都比擬復雜，特別是某些載荷沿邊界的分布規(guī)律難以用理論或測量的方法來確定，而往往是采用一些假定的分布規(guī)律來模擬。因此如何正確的模擬這些載荷的分布規(guī)律，是有限元法計算中不容無視的問題。3.1.連桿的結(jié)構(gòu)和布置連桿組件包括連桿體、連桿蓋、小頭襯套、連桿軸瓦及緊固螺栓等件。連桿上接活塞，下連曲軸，將活塞的往復直線運動轉(zhuǎn)換為曲軸的回轉(zhuǎn)運動，使缸內(nèi)燃油燃燒所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榍S輸出的機械功。連桿組的運動情況比擬復雜:小頭局部隨活塞組作往復直線運動，大頭局部隨曲軸的曲柄銷作旋轉(zhuǎn)運動，桿身局部作由往復運動和擺動所組成的復合運動。因此連桿的受力情況十分復雜，在其桿身的每一個截面上都會有彎矩、剪力和法向力，但彎矩和剪力都不大，桿身的主要載荷是交變的拉壓載荷。下面來了解一下和它相連的結(jié)構(gòu)，如以下圖3.1所示：[圖3.1.]連桿的布置形式一般有以下幾種：[3-1a][3-1b][3-1c]1．并列式連桿布置(圖3—1a2．主副連桿布置形式(3—1b)。3．叉形造桿布置形式(圖3—1c3.2柴油機一般采用斜連桿的原因連桿大頭按剖分面的方向可分為平切口和斜切口兩種。平切口連桿的剖分面垂直于連桿軸線，如圖3-2a和3-2b所示。一般汽油機連桿大頭尺寸都小于氣缸直徑，可以采用平切口。柴油機的連桿，由于受力較大，其大頭的尺寸往往超過氣缸直徑。為使連桿大頭能通過氣缸，便于拆裝，一般采用斜切口連桿，如圖3-2c所示[3-2a][3-2b]斜切口式連桿的大頭剖分面與連桿軸線成30°—60°(常用45°)夾角。平切口的連桿蓋與連桿的定位，是利用連桿螺栓上精加工的圓柱凸臺或光圓柱局部，與經(jīng)過精加工的螺栓孔來保證的。斜切口連桿在工作中受到慣性力的拉伸，在切口方向也有一個較大的橫向分力。因此在斜切口連桿上必須采用可靠的定位措施。斜切口連桿常用的定位方法有：3-2c斜切口連桿的定位方式示意圖a)止口定位b)套筒定位c)鋸齒定位3.3連桿的工作條件及受力連桿是發(fā)動機中傳遞動力的重要組件，它承受燃料燃燒時產(chǎn)生的氣體力，它把活塞的直線運動變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動并將作用在活塞上的力傳給曲軸以對外輸出功率。由于活塞往復運動的速度不斷變化，使活塞在上、下止點處速度為零，在中間附近為最大，因而使活塞組件及隨活塞一起作往復運動的連桿小頭產(chǎn)生往復慣性力。曲軸及裝在曲軸銷上的連桿大頭由于不停地旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心慣性力。由此可見，連桿在發(fā)動機工作時，作較為復雜的平面運動，[14]要承受拉、壓及慣性力等各種載荷，其受力較為復雜。它承受著襯套裝配預緊力、連桿螺栓預緊力、作用在連桿小端的最大拉伸載荷(活塞組件及連桿本身的慣性力)和最大壓縮載荷(氣體爆發(fā)壓力和慣性力的共同作用)。連桿在工作過程中最危險的工況為燃氣壓力爆發(fā)時的最大壓縮工況和活塞組件及連桿本身的慣性力所引起的最大拉伸工況，此時連桿處于曲軸轉(zhuǎn)角為0度或360度位置。就一般而論，連桿在工作中主要受到以下四種力的作用(1).作用于活塞的氣體作用力(2).活塞組件的慣性力:活塞組件中所有零件(包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷、活塞銷卡環(huán))均以加速度作變速往復直線運動;(3).連桿慣性力(4).預緊載荷:連桿螺栓裝配預緊力和連桿襯套過盈裝配產(chǎn)生的預緊力。3.4連桿的材料及制造工藝為了保證連桿的疲勞強度，要求連桿的材料要具有良好的綜合力學性能及工藝性能。以往連桿材料幾乎普遍采用碳素調(diào)質(zhì)鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼，20世紀70年代由于石油危機，為節(jié)省能源，歐美和日本開始大量應用非調(diào)質(zhì)鋼，并取得很大的進展。隨著汽車工業(yè)制造技術(shù)的開展，對于汽車發(fā)動機的動力性能及可靠性要求越來越高，而連桿的強度、剛度對提高發(fā)動機的動力性及可靠性至關(guān)重要，因此國內(nèi)外各大汽車公司對發(fā)動機連桿用材料及制造技術(shù)的研究都非常重視。連桿用材料碳素鋼和合金鋼碳素調(diào)質(zhì)鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼是連桿用鋼的傳統(tǒng)鋼種，通常小功率的發(fā)動機采用碳素調(diào)質(zhì)鋼，大功率的發(fā)動機采用合金調(diào)質(zhì)鋼。碳素鋼的碳含量范圍通常是0.40%~0.55%，合金鋼主要添加的合金元素是鉻、錳、鉬、硼，可單獨添加或復合添加。碳素鋼連桿的調(diào)質(zhì)硬度一般在229~269HBS，合金鋼連桿的調(diào)質(zhì)硬度可到達300HBS，但最高不超過330HBS，這主要是考慮后續(xù)的機械加工。調(diào)質(zhì)連桿具有足夠的強度和塑性，一般碳素鋼抗拉強度可到達800MPa以上，沖擊韌度在60J/cm2以上；合金鋼調(diào)質(zhì)鋼抗拉強度可到達900MPa以上，沖擊韌度在80J/cm2以上，可滿足連桿的可靠性要求。我國汽車發(fā)動機調(diào)質(zhì)鋼連桿所用材料牌號和技術(shù)指標見表1。美國汽車發(fā)動機調(diào)質(zhì)鋼連桿所用材料牌號和技術(shù)指標見表2。日本及其它國家調(diào)質(zhì)鋼連桿所用材料牌號和技術(shù)指標見表3。調(diào)質(zhì)鋼連桿的制造工序是，棒料經(jīng)過剪切，熱鍛成形，調(diào)質(zhì)處理，強力噴丸、機械加工，裝配和檢測。我國在調(diào)質(zhì)鋼應用方面與國外差距不大，但在鍛造技術(shù)方面與國外比還有一些差距。2.非調(diào)質(zhì)鋼非調(diào)質(zhì)鋼的強化機理是在中碳鋼的根底上添加釩、鈦、鈮等微合金元素，通過控制軋制或控制鍛造過程的冷卻速度，使其在基體組織中彌散析出碳、氮的化合物使其得到強化。非調(diào)質(zhì)鋼省略了鍛后的熱處理，從而節(jié)省了能源，減少了生產(chǎn)工序，降低了本錢。另外，由于省略了調(diào)質(zhì)工序，防止了零件在熱處理工序中產(chǎn)生的淬火裂紋和變形等一系列的質(zhì)量問題，對提高產(chǎn)品質(zhì)量有一定的好處。非調(diào)質(zhì)鋼按其強韌性可以分4類。早在20世紀60年代，美國在SAE1140鋼的根底上提高錳含量并添加微合金元素，鍛造后不經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理即應用于轎車發(fā)動機連桿的制造中。70年代初期，德國、日本各鋼鐵公司和汽車制造廠家對非調(diào)質(zhì)鋼進行了大量的研究工作并開發(fā)了一系列鋼種，應用于汽車曲軸、半軸、輪轂軸、發(fā)動機連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂等的生產(chǎn)中。20世紀80年代初，我國開始研究非調(diào)質(zhì)鋼，開發(fā)了十多個鋼種，主要是釩系、錳釩系、錳釩氮系。另外，從切削角度每個系列都開發(fā)了添加易切削元素的鋼種。其中，用于發(fā)動機連桿的鋼種35MnVS、35MnVN、40MnV、48MnV等，這些鋼種的強度級別都在900MPa以下。通過疲勞試驗，其結(jié)果說明，非調(diào)質(zhì)鋼連桿的疲勞強度與相同級別的調(diào)質(zhì)鋼相當。非調(diào)質(zhì)鋼由于其添加的是微合金元素，因此材料的本錢不高。作為一種廉價的節(jié)能鋼種，非調(diào)質(zhì)鋼正在逐步的取代調(diào)質(zhì)鋼，國外幾乎完全采用非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)連桿。另外，隨著發(fā)動機輕量化的要求，連桿的設(shè)計應力提高，中碳錳釩系列非調(diào)質(zhì)鋼的強度無法滿足要求，再者裂解技術(shù)的應用現(xiàn)在正在擴大，C70S6系列的鋼種的應用會越來越多。目前德國在該鋼種的根底上開發(fā)了強度級別更高的鋼種，正在推廣應用。對于非調(diào)質(zhì)鋼，由于鍛造后不再進行其他熱處理，鍛造工序決定了連桿最終的力學性能，因此控制鍛造加熱溫度和鍛造后冷卻速度是保證非調(diào)質(zhì)鋼連桿性能的重要環(huán)節(jié)。一般要求采用感應加熱，鍛造后要有控冷裝置。我國發(fā)動機連桿制造企業(yè)在鍛造加熱和鍛后控制方面近年已經(jīng)取得長足的進步，具備了應用非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)連桿的條件，將來非調(diào)質(zhì)鋼有望完全取代調(diào)質(zhì)鋼制造發(fā)動機連桿。3.粉末冶金連桿粉末燒結(jié)鍛造工藝在20世紀60年代就已出現(xiàn)。當時，美國、日本及歐洲的一些國家均進行了大量的試驗研究工作。由于當時金屬粉末的種類極少，又受到本錢的限制，開展不快。隨著金屬粉末、合金粉末的開發(fā)及相關(guān)工業(yè)的開展，粉末燒結(jié)鍛造工藝也相應的得到開展，并且逐漸的應用到汽車結(jié)構(gòu)件的制造之中。用粉末燒結(jié)鍛造工藝生產(chǎn)汽車發(fā)動機連桿零件，最早是美國通用汽車公司進行這方面的試驗并取得成功，但當時沒有到達批量生產(chǎn)。隨后，日本豐田汽車公司采用成分為Fe-2Cu的合金粉末生產(chǎn)汽車發(fā)動機連桿，并與鍛鋼連桿進行了拉壓疲勞性能比照試驗。結(jié)果說明，粉末燒結(jié)鍛造連桿與鍛鋼連桿具有等同的疲勞性能。另外，采用4100S金屬粉末，添加鈦合金，使連桿的整體質(zhì)量減輕到原來鍛鋼連桿質(zhì)量的65％~80％，并且通過了發(fā)動機臺架試驗。目前，豐田汽車粉末冶金連桿已經(jīng)商品化。英國、瑞士、德國合作，選用一種成分為的合金粉末試制發(fā)動機連桿，并通過零件拉壓疲勞性能試驗及發(fā)動機臺架試驗。德國還采用成分為Fe-(0.35~~~0.25)Cr-(0.2~0.3)Ni粉末冶金連桿，用在Porsche928高性能發(fā)動機上。粉末冶金鍛造連桿的強度、韌性能到達鍛鋼連桿的水平，是通過以下兩個方面得到保證的，一是通過鍛造提高粉坯的密度，二是通過添加合金元素，使粉末鍛造連桿具有足夠的淬透性，保證熱處理后零件的質(zhì)量。粉末燒結(jié)鍛造連桿的特點是經(jīng)濟效益顯著，一般認為粉末燒結(jié)鍛造連桿與鍛鋼連桿相比，材料可節(jié)約40%，生產(chǎn)本錢可降低10%，能源消耗可節(jié)約50%。國內(nèi)燒結(jié)鍛造技術(shù)還很落后，專用的粉末冶金壓機及燒結(jié)爐的應用還不普遍。金屬粉末的品種少，質(zhì)量差且不穩(wěn)定。另外，燒結(jié)保護氣體還需進一步地研究改良，這些都影響著我國超高密度粉末冶金零件的開展，是今后急需研究和改良的課題。4.鈦合金連桿用鈦合金制造發(fā)動機連桿主要考慮的是輕量化，金屬鈦的密度為/cm3，僅為鋼鐵材料的58％，因此用鈦合金制造汽車發(fā)動機連桿，可大幅度地降低連桿的質(zhì)量。金屬鈦的抗拉強度比擬低，僅有250~300MPa，生產(chǎn)中要添加合金元素來強化基體，通常是添加鋁和礬。因此，影響鈦合金硬度和強度的主要因素是合金中的鋁和釩含量，鋁釩含量越高，合金的硬度，強度越高。對于鈦合金，也可以象鋼鐵材料那樣，用熱處理的方法改變金屬組織，調(diào)整性能，使之到達使用要求。鈦合金的疲勞性能也與屈服強度、抗拉強度有一定的關(guān)系。從試驗結(jié)果看，屈服強度在850MPa以下的鈦合金，疲勞強度與屈服強度呈正比；但屈服強度在850MPa以上的鈦合金，疲勞強度與屈服強度成為極限狀態(tài)。也就是說，屈服強度在850MPa以上的鈦合金，不管屈服強度多高，疲勞強度與屈服強度850MPa的鈦合金相差不大。鈦合金的切削性能較差，通常要添加易切削元素硫和稀土，形成硫和稀土的化合物以解決切削問題。通常，添加易切削元素對鈦合金的疲勞性能沒有不利的影響，但屈服強度在850MPa以上的鈦合金，添加易切削元素會降低高負荷下合金的疲勞性能。這是因為在高負荷情況下，易切合金中的硫化物會促進疲勞裂紋的萌生和擴展，降低了材料的疲勞性能。日本采用化學成分為Ti-3Al-2V的鈦合金生產(chǎn)連桿，其抗拉強度可達800MPa、屈服強度可達600MPa，相當于45調(diào)質(zhì)鋼的強度水平。Ti-3Al-2V易切削鈦合金連桿的疲勞極限在430MPa左右，與45調(diào)質(zhì)鋼和800MPa級的非調(diào)質(zhì)鋼的疲勞極限相當。鈦合金連桿比鋼制連桿的質(zhì)量可減輕30％，由此可使連桿的往復慣性力大幅度的降低。通過對發(fā)動機在各種不同轉(zhuǎn)速下曲軸連桿間最小油膜厚度的測量結(jié)果，鈦合金連桿和鋼制連桿在保持油膜厚度相同的條件下，應用鈦合金連桿的發(fā)動機轉(zhuǎn)速比用鋼制連桿的發(fā)動機提高700r/min，由此可使發(fā)動機的輸出功率大幅度提高。鈦合金連桿還可顯著地降低發(fā)動機的噪聲，有利于環(huán)保。由于鈦合金的本錢比擬高，目前應用的范圍有限，通常是用在一些高性能賽車上。現(xiàn)狀分析汽車技術(shù)的開展，對發(fā)動機的性能提出的要求越來越高，連桿是發(fā)動機的關(guān)鍵零件之一，對連桿的要求是高強度、輕量化、低本錢。我國各大汽車集團的主機廠發(fā)動機鍛鋼連桿制造技術(shù)與國外差距不大，不管從鍛件的強度，外表強化技術(shù)，還是尺寸精度及產(chǎn)品的穩(wěn)定性方面，都接近國外興旺國家的水平。配件廠近年技術(shù)有所提升，但還存在一些問題，鍛件成形及控冷技術(shù)落后，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。在連桿輕量化方面，我國還相當落后，鈦合金連桿，纖維強化鋁合金連桿、粉末冶金鍛造連桿的研究還沒有開展，是今后要開展的課題

第四章連桿的建模4.1SolidWorks軟件介紹【1】【6】因為本論文要應用到該制圖軟件，所以接下來簡要介紹一下本文的三維建模軟件。4概述美國SolidWorks公司是一家專門從事開發(fā)三維機械設(shè)計軟件的高科技公司，公司宗旨是讓產(chǎn)品開發(fā)過程中的每一個人都能感受三維的力量，公司主導產(chǎn)品是世界領(lǐng)先水平的三維設(shè)計軟件--SolidWorks。90年代初，國際微機市場發(fā)生了根本性的變化，微機性能大幅提高，而價格一路下滑，微機卓越的性能足以運行三維CAD軟件。為了開發(fā)世界空白的基于微機平臺的三維CAD系統(tǒng)，在CAD行業(yè)從事多年的資深人士創(chuàng)立了SolidWorks公司，并于1995年成功推出了SolidWorks軟件，引起世界相關(guān)領(lǐng)域的一片贊嘆。在SolidWorks軟件的促動下，1998年開始，國內(nèi)、外也陸續(xù)推出了相關(guān)軟件；原來運行在UNIX操作系統(tǒng)的工作站CAD軟件，也從1999年開始，將其程序移植到Windows操作系統(tǒng)中。SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，該系統(tǒng)在1999年獲得全球微機平臺CAD系統(tǒng)評比第一名，從1995年至今，已經(jīng)累計獲得二十多項國際大獎。易學易用的SolidWorks軟件擁有全球最大的3D社區(qū)，已為歐、美興旺地區(qū)的3D標準。SolidWorks軟件極為開放的API接口使得眾多的公司在其上開發(fā)適應于各種特殊需求的產(chǎn)品,并擁有全球最多的CertifiedPartner和SolutionPartner。鑒于SolidWorks軟件處于世界領(lǐng)先的特殊地位，目前已有200多個國際應用軟件與其集成，共同推動基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM集成系統(tǒng)的應用，從而使用戶在開發(fā)自身產(chǎn)品時獲得一個高新技術(shù)、真正開放的解決方案。使用SolidWorks軟件，可以迅速培養(yǎng)一批高水平的設(shè)計人員，有效提高企業(yè)的整體設(shè)計水平，從而大大增強企業(yè)的競爭力三維實體建模是時下產(chǎn)品設(shè)計的主流，在眾多三維CAD軟件(如Catia,Pro/E,I-DEAS,UG等)中，SolidWorks軟件獨樹一幟，成為設(shè)計師首選的軟件之一。該軟件是成立于1993年的SolidWorks公司運用特征造型理念和基于Windows系統(tǒng)設(shè)計的原創(chuàng)三維機械CAD軟件，以其優(yōu)秀的技術(shù)創(chuàng)新和卓越的性能價格比贏得了設(shè)計師和機械工程師的喜愛。SolidWorks95是SolidWorks公司在1995年推出的第一個基于Wincl+vs操作系統(tǒng)及特征建模的實體造型系統(tǒng)。1997年推出的SolidWorks97支持Internet技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提供了VB,VC++和其他支持OLE的開發(fā)語言接日;并目以Wincl+vs為平臺，集成了MotionWorks(動態(tài)仿真軟件),CosmosWorks(工程分析軟件)、Sun}CAM(數(shù)控加工軟件)以及Sm}TeonWorks(工程數(shù)據(jù)竹理軟件)等。2000年SolidWorks2000問世，在文件竹理、大圖面工程繪圖的性能、大裝配處理的速度、使用方便性、復雜曲面造型以及繪圖效率等方面進行了較大的提高和改良。2003年推出的SolidWorks2003為廣闊用戶提供了更具實用性的平臺軟件及增值產(chǎn)品。4SolidWorks軟件的特點功能強大、易學易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點，使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。(1)基于特征及參數(shù)化的造型SolidWorks裝配體由零件組成，而零件由特征組成。這種特征造型方法，直觀地展示人們所熟悉的二維物體，表達設(shè)計者的設(shè)計意圖。(2)巧妙地解決了多重關(guān)聯(lián)性創(chuàng)作過程包含三維與二維交替的過程，因此完整的設(shè)計文件包括零件文件、裝配文件和二者的工程圖文件。SolidWorks軟件成功的處理了創(chuàng)作過程中存在多重關(guān)聯(lián)性，使得設(shè)計過程順暢、簡單及準確。(3)易學易用如果熟悉微軟的Windows系統(tǒng)，那根本上就可以用SolidWorks來搞設(shè)計了SolidWorks獨有的拖拽功能使你能在比擬短的時間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計。SolidWorks資源管理器是同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks，你能在比擬短的時間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場。在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中，設(shè)計過程最簡便、最方便的莫過于SolidWorks了。就象美國著名咨詢公司Daratech所評論的那樣：在基于Windows平臺的三維CAD軟件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市場快速增長的領(lǐng)導者。在無與倫比的設(shè)計功能和易學易用的操作〔包括Windows風格的拖/放、點/擊、剪切/粘帖〕，使用SolidWorks，整個產(chǎn)品設(shè)計是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計、裝配設(shè)計和工程圖之間的是全相關(guān)的。4SolidWorks軟件的應用(1)在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域SolidWorks豐富的功能和特點使其在引領(lǐng)新時尚的工業(yè)設(shè)計中日益重要。常用的工業(yè)設(shè)計(IndustrialDesi})中的步驟總要分為機械造型設(shè)計和機械工程設(shè)計兩步:造型設(shè)計采用Photoshop3Drnax,mayor等軟件完成，然后用機械設(shè)計軟件如}UTOCAD,ProE,UG等出工程圖，由于兩類軟件存在中間轉(zhuǎn)換的問題，設(shè)計思路過程被割裂為一，對于產(chǎn)品設(shè)計理念的表達存在極大地缺陷。而應用SolidWorks軟件后，藝術(shù)造型設(shè)計和機械工程設(shè)計都可以在一個軟件中完成，有效地將設(shè)計思路合為一體。(2)在機械設(shè)計領(lǐng)域SolidWorks軟件廣泛用于汽車、重工業(yè)枚具、離散制造、紡織機械等設(shè)計中。(3)在教育領(lǐng)域三維CAD教育己經(jīng)成為主流，SolidWorks以其Windows界面、完全漢化、易學易用、開放性的功能特點成為教育領(lǐng)域中的首選CAD教學軟件。4.2連桿模型的建立首先建立準確、可靠的計算模型，是應用有限元法進行分析的重要步驟之一。在進行有限元分析時，應盡量按照實物來建立有限元分析模型，但對結(jié)構(gòu)復雜的物體，完全按照實物結(jié)構(gòu)來建立計算模型、進行有限元分析有時會變得非常困難，甚至是不可能的，因此可進行適當?shù)暮喕?。一般來說，因模型帶來的誤差要比有限元計算方法本身的誤差大得多。所以，結(jié)構(gòu)有限元計算的準確性在很大程度上取決于計算模型的準確性。同樣，對本課題而言，模型的建立也是分析的根底，共分兩種模型:幾何模型和力學模型?？茖W的力學模型是分析結(jié)果準確與否的根底，而正確的幾何模型是形成科學力學模型的關(guān)鍵。本幾何模型的建立采用具有強大的三維建模功能、在工程設(shè)計中被廣泛使用的SolidWorks軟件,而力學模型在COSMOSWorks中進行。4創(chuàng)立連桿的幾何模型4.1建模的簡化連桿是內(nèi)燃機重要零件之一，在工作中承受著活塞上氣體壓力、活塞和連桿小頭的往復慣性力以及本身擺動時的橫向慣性力作用，處于拉、壓和彎曲等交變應力狀態(tài)。因此在復雜的靜、動載荷下，其強度分析向來為內(nèi)燃機設(shè)計所關(guān)注。為研究外載荷對連桿整體應力、應變的影響，以及考慮到主要研究對象是連桿，所以對連桿建立了詳細的實體模型，而對螺栓和一些局部復雜結(jié)構(gòu)采取了簡化處理。例如建模時，對結(jié)果影響很小的過渡圓角、油孔和定位槽都忽略不計。連桿在工作時要承受周期性變化的外力作用，所以在進行靜力分析時應選擇連桿承受最大拉力和最大壓力兩種倩況進行計算。這樣，既能得到兩個危險情況下連桿的應力和應變分布情況，又可以用此計算結(jié)果來近似地進行連桿疲勞強度的計算。本文采用將SolidWorks軟件建立連桿三維模型。然后將模型通過COSMOSWorks進行計算分析。以下是建模時的簡化應用原理。(1)由于連桿中具有直徑較小的油孔，假設(shè)在建模時予以考慮，那么會使建模變得十分復雜，節(jié)點、單元劇增致使解算時間難以接受，因此在有限元分析中通常將小油孔予以忽略。(2)發(fā)動機連桿是由連桿體、連桿蓋、連桿螺栓、連桿軸瓦等構(gòu)成。連桿螺栓以很大的預緊力將連桿體和連桿蓋固連在一起，因此本論文在創(chuàng)立力學模型時，將其看做一個整體，而簡化處理了螺栓預緊力。(3)考慮到連桿體和連桿蓋間的接觸方式，可將連桿體和連桿蓋用接觸單元連為一個整體。4.2創(chuàng)立步驟(1)雙擊的圖標，從彈出的對話框里選擇“零件”圖標，選擇“前視基準面”，然后點擊“草圖繪制”按鈕，進入草圖繪制環(huán)境。在此基準面上創(chuàng)立如下草圖：(2)點擊“退出草圖”按鈕，然后點擊“特征”按鈕，右邊工具條里出現(xiàn)“拉伸凸臺/基體”按鈕，點擊此按鈕，然后在彈出的對話框里選擇如下:右邊顯示如下：在拉伸1對話框里點擊按鈕后，顯示如下三維圖形：(3)接下來還是選擇“前視基準面”，再點擊“草圖繪制”按鈕，在前視基準面上繪制如下草圖，并且設(shè)置圓的參數(shù)：中央創(chuàng)立,半徑30。(4)然后點擊“拉伸凸臺/基體”按鈕，設(shè)置如下參數(shù)：點擊按鈕，得到(5)選擇“拉伸2”的圓柱面做為基準面，點擊“草圖繪制”(6)點擊“特征”按鈕，再選擇按鈕，彈出“切除-拉伸”對話框，設(shè)置參數(shù)如下，(7)點擊，得到以下圖(8)選擇前視基準面，點擊“繪制草圖”按鈕，進入草圖繪制環(huán)境，在前視基準面上繪制如下草圖：(9)然后點擊“拉伸凸臺/基體”按鈕，設(shè)置如下參數(shù)：(10)點擊，得到(11)在拉伸1基準面上繪制如下草圖：(12)選擇“特征”按鈕中的拉伸/切除，設(shè)置參數(shù)如下然后點擊。(13)在連桿相對的另一個面上重復步驟(11)~(12)后，得到以下圖：(14)保存此零件名為“零件100”(15)重新創(chuàng)立一個零件圖，在前視基準面上進行草圖繪制，繪制如下草圖：(16)點擊“特征”按鈕，然后點擊“拉伸凸臺/基體”按鈕，設(shè)置如下參數(shù)后點擊得到：(17)在上一步得到的立體圖的前視基準面上進行草圖繪制，如下所示(18)點擊“特征”按鈕，然后點擊“拉伸凸臺/基體”按鈕，設(shè)置如下參數(shù)(19)點擊后，再此零件前視基準面為基準面，進行草圖繪制，并且繪制如下草圖：(20)選擇“特征”按鈕中的“拉伸/切除”按鈕，點擊后，得到以下圖:保存此零件名為“零件101”(21)接下來進行零件體的裝配。翻開第(14)步保存的零件和(20)步的零件。然后點擊“新建”按鈕，在彈出的對話框里點擊“裝配體”進入裝配界面，在如下方框里點擊“零件100”(22)然后點擊“插入零部件”按鈕再次跳出插入零部件對話框，將“零件101”拖動到右邊界面，點擊“配合”按鈕，跳出“配合”對話框，選擇要重和的邊線、面、或點，進行兩次配合后得到以下圖：(23)點擊工具欄上的【插入】按鈕中的“裝配體特征”下的“孔”，再點擊“孔”下的“向?qū)А?，彈出“孔?guī)格”對話框，設(shè)置如下參數(shù)，點擊“位置”按鈕選擇相應位置，得到以下圖(24)在toolbox中選擇相應的螺栓，得到最終的模型：4連桿的力學模型的建立本論文采用COSMOSWorks來建立連桿的有限元模型，所以接下來先介紹一下COSMOSWorks。4.1COSMOSWorks簡介4.1.1COSMOSWorks的特點及功能[7][19]COSMOSWorks是SRAC公司推出的套強大的有限元分析軟件，該公司一直至力于有限元CAE技術(shù)的研究和開展。早期的有限元技術(shù)高高在上，只有些國家的部門如宇航，軍事部門才可以使用，而此后的些有限元分析軟件也都存在界面不友好、難學難用的缺點，且要求的設(shè)備昂貴。雖然用的范圍大了些，但也都是集中在大學和一些研究機構(gòu)，只有少數(shù)專業(yè)人員才能有時機接觸，普通的工程師可望而不可及。然而自COSMOS出現(xiàn)后，有限元分析的大門終于向普通工程師敞開了，把高高在上在上的有限元技術(shù)平民化，它易學易用，簡潔直觀，能夠在普通的PC機上運行，不需要專業(yè)的有限元經(jīng)驗。普通的工程師都叫以進行工程分析，迅速得到分析結(jié)果，從而最大限度地縮短設(shè)計周期，降低測試本錢，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加大利潤空間。4在應用COSMOSworks時，我們也應該遵循有限元分析的一般流程。大概步驟如下：建立數(shù)學模型。COSMOSWorks對來自solidworks的零件和裝配件的幾何模型進行分析。該幾何模型必須能用正確的、適度小的有限單元進行網(wǎng)格劃分。這個小的概念，并不是指單元尺寸，而是通過網(wǎng)格中單元的數(shù)量來表示。這對網(wǎng)格的要求有著極其重要的意義。我們必須確保CAD幾何模型的網(wǎng)格劃分，并且確保產(chǎn)生的網(wǎng)格能確保得到我們感興趣的數(shù)據(jù)，如位移、應力等。建立有限元模型。通過離散化過程，將數(shù)學模型剖分成有限單元，這一過程稱為網(wǎng)格劃分。離散化在視覺上即是將幾何模型劃分成網(wǎng)格。然而，載荷和支撐在網(wǎng)格劃分后也需要離散化，離散化的載荷和支撐將施加到有限單元網(wǎng)格的節(jié)點上。求解有限元模型。創(chuàng)立了有限單元模型后，使用COSMOSWorks的求解器的出需要的數(shù)據(jù)。結(jié)果分析。有限元分析提供了很詳實的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用各種形式表達，在熟悉理解各種假設(shè)、簡化約定以及前面三步產(chǎn)生的誤差(建立數(shù)學模型、建立有限元模型、求解有限元模型)。4有限元分析具有優(yōu)缺點，做為一種有限元分析軟件，COSMOSWorks在有其明顯的優(yōu)點條件下自然也有其缺點。COSMOSWorksDesigner分析是在以下假設(shè)下進行的(1)線形材料在所有COSMOSWorks所使用的材料中，都是線形材料，即應力與應變成線形關(guān)系。(2)小變形任何機構(gòu)在加載下都會變形，這個小不是指剛體變形的形狀很小，而是這個變形是否顯著改變了結(jié)構(gòu)剛度。小變形分析假設(shè)在變形過程中結(jié)構(gòu)的剛度仍保持不變，大變形就要考慮引起的結(jié)構(gòu)剛度的改變。(3)靜態(tài)載荷假設(shè)所有的載荷和約束不隨時間而改變。這個限制條件意味著加載過程十分緩慢，以至于可以忽略慣性效應。盡管所有的載荷實際上是變化的，但是對設(shè)計分析而言，大多數(shù)情況下將它們看成靜態(tài)載荷。4.2創(chuàng)立連桿的力學模型4連桿的工作條件是在較高的溫度下，承受很大的周期沖擊力，對其要求是:有足夠的強度和剛度，有較好的韌性和較高的疲勞強度，重量輕，慣性力小。為此，本論文對整個連桿配合體都采用合金鋼進行分析。材料特性見以下圖：4載荷的施加方式對連桿的局部應力有著重要的影響。本連桿為斜口，在添加載荷時，本文采取了連桿大頭壓縮載荷和連桿小頭拉伸載荷均按120°范圍內(nèi)法向均布載荷處理，連桿大頭拉伸載荷和連桿小頭壓縮載荷均按180°范圍內(nèi)成法向均布分布。在連桿大頭與連桿蓋用螺栓連接的接觸面上通過選擇局部接觸選項，來定義相觸面組類型為無穿透，并在相觸面組對話框里選擇節(jié)到曲面。邊界載荷約束如下所示，因為本文只研究連桿最大受拉狀況和最大受壓狀況下的連桿變形、應力、應變情況，因此載荷分布如下所示：(1)最大拉伸狀況：小頭加載120°的13588N的力，大頭180°的28445N的力(2)最大壓縮狀況：小頭加載180°的93784N的力，大頭加載120°的78927N的力4本論文對連桿采取的約束方式為，假設(shè)連桿大頭的曲柄銷是不動的，所以對連桿采取的約束是在連桿大頭完全固定約束，不存在自由度，另外對連桿小頭添加了軸向的約束。具體約束情況如以下圖所示:4網(wǎng)格劃分是將連續(xù)的模型剖分成有限單元通過離散化過程，將數(shù)學模型剖分成有限單元，這一過程稱為網(wǎng)格劃分。離散化在視覺上即是將幾何模型劃分成網(wǎng)格。然而，載荷和支撐在網(wǎng)格劃分后也需要離散化，離散化的載荷和支撐將施加到有限單元網(wǎng)格的節(jié)點上。COSMOSWorks提供了4種單元類型：一階實體四面體單元、二階實體四面體單元、一階三角形殼單元、二階三角形殼單元。某些類型的形狀可以是可單元也可以是實體單元。本文采用實體單元進行分析，它有三個自由度，并且采用高品質(zhì)單元。最大拉伸狀況:最大壓縮狀況:

第五章計算結(jié)果及其分析5.1最大拉伸情況的結(jié)果與分析主要研究連桿的應力、應變、位移的危險部位和變形。5連桿受拉時應力結(jié)果根據(jù)連桿強度的研究資料及使用實踐經(jīng)驗【17】可知，連桿破害處一般發(fā)生在連桿小頭與連桿體過渡弧處，桿身與大頭過渡處以及大頭蓋兩側(cè)螺栓頭下的小圓角處，因為連桿大、小頭孔處相比照擬薄弱，因而造成該處應力很大，連桿在拉伸狀況下的最大峰值就出現(xiàn)在該處。從圖中我們可以清楚的看到連桿在受拉情況下的應力分布，可見最大拉伸情況下最大應力在連桿小頭與桿身的過渡區(qū)域。這與其它理論研究相符合。5連桿受拉時應變結(jié)果連桿破害處一般發(fā)生在連桿小頭與連桿體過渡弧處，桿身與大頭過渡處以及大頭蓋兩側(cè)螺栓頭下的小圓角處，由圖可見最大應變結(jié)果5連桿受拉時位移結(jié)果由平面應變狀態(tài)理論【19】：載荷作用處的變形往往較大，且最大變形發(fā)生在構(gòu)件的表層。從位移圖可見連桿小頭外側(cè)應變最大，位移值為沿連桿小頭到大頭應變逐漸減小，這是符合應變理論的。5.2最大壓縮情況的結(jié)果與分析5連桿受壓時應力結(jié)果由圖可知，最大應力出現(xiàn)在連桿小頭與桿身過渡接觸處，其附近區(qū)域受應力較大。這是因為在壓縮情況下，影響連桿應力分布的主要是活塞銷和曲柄銷對它的壓縮載荷，而這個壓縮載荷分布在連桿小頭孔的下端內(nèi)側(cè)180°范圍外表和大頭孔內(nèi)側(cè)120°范圍外表，因而，根據(jù)桿件受壓理論[19]可知:在壓縮載荷分布在連桿小頭孔的下端內(nèi)側(cè)180°范圍外表和大頭孔內(nèi)側(cè)120度范圍內(nèi)，連桿的應力較大，剩余的連桿小頭與大頭的外表部位應力較小，分析結(jié)果顯示最大應力值為2.89689e+008N/m^2在連桿小頭與桿身連接處，與理論符合。。5連桿受壓時應變結(jié)果，如圖中應變云圖看出，受壓時，此部位比擬危險。5連桿受壓時位移結(jié)果通過有限元分析，可計算出連桿各節(jié)點的位移，上圖是連桿在最大壓力工況下時的位移圖。由圖可見，最大壓縮情況時，最大變形出現(xiàn)在如下圖的部位，連桿小頭頂部處，最大位移為。5.3分析總結(jié)本論文通過對一臺柴油發(fā)動機的連桿進行有限元分析，對連桿的三維建模軟件，本文應用的有限元分析軟件，有限元的根本知識都進行了簡略的介紹，以及對有限元軟件的分析結(jié)果進行了簡略的分析。有限元方法是工程設(shè)計、開發(fā)領(lǐng)域中一種實用、可靠的方法。在有限元分析中，科學的力學模型、準確的邊界條件約束決定著分析結(jié)果的準確度。本論文將連桿強度分析計算采取桿身與桿蓋合并為一個整體，這種分析模型對桿身局部的應力計算是方便有效的。從分析的結(jié)果圖中，可以總結(jié)出德國工程機械發(fā)動機連桿的幾種分析結(jié)果在承受最大拉力工況下，其承受的最大應力值出現(xiàn)在連桿小頭與連桿體過渡弧處，而且這區(qū)域附近應力云圖顯示呈紅黃色，說明該區(qū)域在最大拉伸下是比擬危險的部位。在承受最大壓力工況下，連桿與桿身過渡處，以及壓力作用在連桿小頭處的鄰近區(qū)域，應力云圖顏色為黃色，有的區(qū)域還呈紅色，所以這些部位在連桿承受最大壓力時是容易發(fā)生斷裂問題的地方。同時，從連桿在最大拉伸工況下和最大壓力工況下時的位移圖的云圖可見，在以上兩種工況下，最大位移出現(xiàn)連桿小頭頂部處，其附近顏色呈現(xiàn)黃色或者紅色，這些區(qū)域在受壓和受拉時位移都較大，是比擬危險的部位。因此從兩種情況下的應力和位移分布圖可以看出，連桿大、小頭與桿身的過渡區(qū)是應力最嚴重的地方，所以在設(shè)計連桿時，這些區(qū)域應該注意。

致謝在整個畢業(yè)設(shè)計過程中，指導教師龔堰玨老師給了極大的支持和幫助，從課題的選擇、課題的進行到課題的解決，無不傾注著龔老師的心血，每當我們遇到困難時，龔老師總是能認識的幫助我們找出困難的所在，并及時的指導我們解決問題。在此，特別向龔同時，我還要感謝所有幫助過我的人，祝福他們身體健康，萬事如意！機械042袁昆波

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附錄(英文翻譯)汽車發(fā)動機連桿是一件高產(chǎn)量產(chǎn)品，也是發(fā)動機中關(guān)鍵的組成元件。它連接了往復式活塞和旋轉(zhuǎn)的曲柄，并將活塞的運動轉(zhuǎn)化成曲柄的旋轉(zhuǎn)運動。每一輛使用內(nèi)燃機式發(fā)動機的汽車至少需要一根連桿。連桿數(shù)取決于發(fā)動機中的汽缸數(shù)。應用于汽車中的連桿一般由可鍛壓鋼或者粉末金屬鍛造而成，雖然它們也可以通過鑄造而成，但是鑄造會產(chǎn)生不利于連桿持久性和疲勞度的通風孔。相比于鑄造的連桿件，鍛造工藝具有不產(chǎn)生通風孔的優(yōu)點(Gupta,1993)。在鍛造過程中，不管是粉末鍛造還是沖鍛，每種制造工藝都有其缺點和優(yōu)點。粉末金屬鍛造的坯件具有接近于網(wǎng)狀的優(yōu)點，從而減少了金屬材料的浪費。可是，粉末金屬鍛造的坯件花費的本錢相對較高，這是由原材料的高本錢和復雜的制造工藝造成的。假設(shè)采用鍛鋼，花費的本錢會相對較低，而且零件粗加工制造過程本身能有效降低生產(chǎn)本錢?？刂泼髁慵淖罱K尺寸在最小公差內(nèi)，會使加工變得高支出，因為毛坯還留有很多多余的材料(Repgen,1998)。目前，粉末金屬鍛造產(chǎn)業(yè)占有了美國連桿市場的大半局部市場份額。根據(jù)2000年的一份未出版的市場分析，它對歐洲和北美連桿市場進行了比擬，顯示出歐洲78%的連桿(年總產(chǎn)量約80萬根)都由鋼鍛造而成，與之相反，北美只有43%(年總產(chǎn)量約100萬根)由鋼鍛造而成。為了奪回美國市場，鋼鐵工業(yè)已經(jīng)集中關(guān)注生產(chǎn)工藝和新型剛材的開展。美國鋼鐵研究所建立了一個致力于兩方面的研究工程。第一方面是比擬鍛鋼連桿和粉末鍛造連桿的疲勞強度，第二方面是優(yōu)化鍛鋼連桿的重量和制造本錢。這個研究工程的第一方面是已在題為“鍛鋼連桿和粉末冶金連桿的疲勞行為和壽命周期預測”的研究生論文中解決(AfzalA.,2004)。因為連桿產(chǎn)量很大，所以對連桿的重量或者體積進行優(yōu)化將大量的節(jié)省本錢，這是符合邏輯的。同時，這也能實現(xiàn)客觀地減少發(fā)動機組件的重量，從而減少了連桿的慣性質(zhì)量，并且減少了發(fā)動機的重量，提高了發(fā)動機的動力性能和燃油經(jīng)濟性能。連桿承受著復雜的載荷，它承受了高達10的8次方到10的9次方次數(shù)的高速循環(huán)載荷，從因燃燒而產(chǎn)生的高壓縮負荷到因慣性而產(chǎn)生的高強度負荷。因此，這種零件的耐久性是關(guān)鍵的表現(xiàn)。因為這些因素，所以關(guān)于連桿的研究課題有不同的方法，如生產(chǎn)工藝、材料、仿真表現(xiàn)、疲勞等。至于目前的研究，調(diào)查研究有限元建模技巧、優(yōu)化技巧、生產(chǎn)工藝的開展、新材料、以及疲勞模型和制造本錢的分析是很有必要的。這篇簡短的文獻調(diào)查了這些方面。Webster等人(1983年)對一個高速柴油發(fā)動機的連桿做了三維有限元分析。在這項分析中，他們使用了由試驗中測得的最大壓縮負荷以及本質(zhì)上是活塞裝配體的慣性載荷的最大拉伸載荷。散布在活塞銷末端和曲柄末端的載荷是通實試驗確定的，他們對連桿蓋單獨建模，而對預緊螺栓用梁單元和多點約束方程建立模型。Repgen(1998年)的一份研究報告中，基于在分別由粉末金屬和C-70鋼(裂解鋼)制成的相同的零件上完成的疲勞試驗，它注明鍛鋼零件的疲勞強度比粉末金屬零件高21%，同時，他還注明，裂解工藝和傳統(tǒng)的鍛鋼工藝相比，能降低25%的本錢。這些事實說明，裂解鋼材料將是鍛鋼連桿的選用材料。他也提到了其它兩種鋼正在被測試，一種是改造過的微合金鋼，另一種是改造過的碳鋼。Repgen論述的其它問題是防止沿著連桿和桿帽間的分界線的跳動點的必要性，還有是化學合成物中的濃度和制造過程中減少微觀結(jié)構(gòu)的變化以及近似于網(wǎng)狀的毛坯產(chǎn)品的需要。Park等人(2003年)調(diào)查研究了各種鍛造情況下的微觀機構(gòu)行為，由此推薦快速冷卻用以得到細的晶粒尺寸和更低的網(wǎng)狀純鐵含量。他們從研究中總結(jié)出，當和拉刀切口和線切割切口相比擬時，激光切口展現(xiàn)出了最好的裂解結(jié)果。他們優(yōu)化了裂解參數(shù)，例如用液壓壓力、夾具設(shè)置和基于時間延遲缸體裂解的形狀、不同的裂解應力和圓度。他們用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗比擬了裂解高碳鋼(0.7%C)和碳鋼(0.48%C),從而得出結(jié)論，前者具有比后者相同或者更好的疲勞強度?；诶瓑浩谠囼?，他們對裂解高碳合金鋼和粉末金屬經(jīng)行了比擬，發(fā)現(xiàn)了前者的疲勞強度高于后者18%。Sarihan和Song(1990年)用由壓縮氣體負荷相對應的最大扭矩和拉伸負荷相對應的最大慣性負荷所組成的周期疲勞負荷，對腕銷末端進行了優(yōu)化。顯然，他們在發(fā)動機運行的整個過程中采用了最大負載。為了設(shè)計疲勞，他們采用了交變的八面體應力和平均八面體應力以修改古德曼方程，此外他們還建立了一個近似的設(shè)計外表，并且對這個設(shè)計外表進行了優(yōu)化。目標和約束功能被更新用以得到更精確的數(shù)值，這個過程不斷的重復，直至數(shù)值到達了收斂性要求。他們也包括用于限制微動疲勞的約束。平均和交變的零件上的應力通過使用八面體剪應力的最大和最小值計算得出的。他們的實驗減少了連桿約27%的重量。Yoo等人(1984年)用彈性變微分方程，連續(xù)力學材料導數(shù)觀念和可變伴隨矩陣方法來計算形狀設(shè)計的靈敏度應力。計算所得結(jié)果應用于迭代優(yōu)化算法、最速下降法，實現(xiàn)了從數(shù)值上解決優(yōu)化設(shè)計問題。對形狀設(shè)計靈敏度的分析應用到了連桿的例子。應力約束施加在主慣性應力和沖擊載荷。但是疲勞強度沒有解決，其它的約束是一個厚度上遠離零，這樣能在連桿頸部減少20%的重量。Hippoliti(1993年)使用Piaggio設(shè)計連桿的方法報道了他的設(shè)計連桿的方法，這合并成了一段優(yōu)化會話。無論怎樣，這篇報道中既沒有討論優(yōu)化設(shè)計的細節(jié)也沒有討論優(yōu)化是在哪些負荷下進行的。由作者開展的使用二維平面應力和三維方法的兩種有限元程序，都和實驗結(jié)果進行了比擬，顯示結(jié)果與實驗結(jié)果非常一致，他們開展的優(yōu)化程序基于二維方法。El-Sayed和Lund(1990年)提出了在優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)中，考慮把疲勞壽命作為一種約束。他們還論證了SAE關(guān)鍵孔試樣的概念。在這一方法中，一種常規(guī)的計算壽命的方法和去除了應力極限，各種限制施加在零件的壽命上作為計算使用的有限元分析結(jié)果。Pai(1996年)提出了一種用疲勞壽命約束優(yōu)化承受著周期性負荷的連桿的形狀的方法。它由從氣體負荷中去除慣性負荷作為一個極值和由活塞裝配體產(chǎn)生的峰值慣性負載作為另一個極值所構(gòu)成。疲勞壽命定義為起始裂縫總的數(shù)量和裂縫擴展的壽命，這是通過斷裂力學原那么得到的。這種方法首先使用有限元程序計算出連桿中的位移和應力，這些被用在別離的程序中來計算連桿總的壽命。應力和壽命被用在一個優(yōu)化程序以計算目標函數(shù)和約束。這樣，與最初的零件相比，能減少28%的重量。Sonsino和Esper(1994年)已經(jīng)討論過燒結(jié)連桿的疲勞設(shè)計，但是沒有進行連桿的優(yōu)化設(shè)計。他們設(shè)計了一根連桿，這根連桿的負載振幅是Fa=19.2KN，以及在連桿的不同區(qū)域設(shè)置了不同的負荷比率(R),例如，在桿部：Fm=-2.2KN和R=-1.26,在活塞銷末端:Fm=-5.5KN和R=-0.42.他們經(jīng)行了初步的有限元分析后得出了初步的原型，疲勞測試和實驗分析都是在這個原型上進行的。這個原型基于他們提出的最終形狀的結(jié)果。為了證明他們的設(shè)計對于疲勞是足夠的，他們在關(guān)鍵的位置計算出了許可的應力振幅范圍，并且考慮到R比率、應力集中、統(tǒng)計平安因素，確認了最大應力幅值低于許可的應力幅值。至于優(yōu)化研究，Seragetal(1989)開發(fā)了近似數(shù)學公式，像目標函數(shù)和約束函數(shù)一樣，來定義連桿的重量和本錢。他通過幾何規(guī)劃方法實現(xiàn)了優(yōu)化。約束被施加在壓縮應力上，還有曲柄和活塞銷端部所承受著的負荷上，然而沒有解決疲勞問題。本錢函數(shù)是通過一些幾何參數(shù)的指數(shù)形式表現(xiàn)出來的。Folgar等人(1987年)，利用有限元分析技術(shù)開發(fā)了一種纖維FP/金屬基復合材料連桿，通過運動學分析得到了載荷，但在設(shè)計階段中沒有解決疲勞問題。他們在發(fā)動機最大負荷條件下確定了設(shè)計載荷(曲柄和活塞銷端部的載荷)，顯然，在設(shè)計中曲柄和活塞銷端部是設(shè)計成能承受不同載荷的。他們對原型進行了疲勞測試，在不同載荷下對曲柄和活塞銷端部進行了靜態(tài)測試，但是失敗了。Balasubramaniam等人(1991年),利用梅賽得斯-奔馳發(fā)動機部件的例子，報道了計算方法。他們認為二維有限元模型能夠到達快速趨勢報表，而三維有限元模型能夠更精確的調(diào)查研究。作用于連桿的不同載荷被用來進行模擬，通過疊加得到實際應力分布。這些載荷包括慣性負荷、燃燒負荷、適合軸瓦的應力、以及螺栓預緊力，他們沒有專門論述優(yōu)化和疲勞方面。1.INTRODUCTION1.1BACKGROUNDTheautomobileengineconnectingrodisahighvolumeproduction,criticalcomponent.Itconnectsreciprocatingpistontorotatingcrankshaft,transmittingthethrustofthepistontothecrankshaft.Everyvehiclethatusesaninternalcombustionenginerequiresatleastoneconnectingroddependinguponthenumberofcylindersintheengine.Connectingrodsforautomotiveapplicationsaretypicallymanufacturedbyforgingfromeitherwroughtsteelorpowderedmetal.Theycouldalsobecast.However,castingscouldhaveblow-holeswhicharedetrimentalfromdurabilityandfatiguepointsofview.Thefactthatforgingsproduceblow-hole-freeandbetterrodsgivesthemanadvantageovercastrods(Gupta,1993).Betweentheforgingprocesses,powderforgedordropforged,eachprocesshasitsownprosandcons.Powdermetalmanufacturedblankshavetheadvantageofbeingnearnetshape,reducingmaterialwaste.However,thecostoftheblankishighduetothehighmaterialcostandsophisticatedmanufacturingtechniques(Repgen,1998).Withsteelforging,thematerialisinexpensiveandtheroughpartmanufacturingprocessiscosteffective.Bringingtheparttofinaldimensionsundertighttoleranceresultsinhighexpenditureformachining,astheblankusuallycontainsmoreexcessmaterial(Repgen,1998).AsizeableportionoftheUSmarketforconnectingrodsiscurrentlyconsumedbythepowdermetalforgingindustry.AcomparisonoftheEuropeanandNorthAmericanconnectingrodmarketsindicatesthataccordingtoanunpublishedmarketanalysisfortheyear2000(Ludenbach,2002),78%oftheconnectingrodsinEurope(totalannualproduction:80millionapproximately)aresteelforgedasopposedto43%inNorthAmerica(totalannualproduction:100millionapproximately),InordertorecapturetheUSmarket,thesteelindustryhasfocusedondevelopmentofproductiontechnologyandnewsteels.AISI(AmericanIronandSteelInstitute)fundedaresearchprogramthathadtwoaspectstoaddress.Thefirstaspectwastoinvestigateandcomparefatiguestrengthofsteelforgedconnectingrodswiththatofthepowderforgedconnectingrods.Thesecondaspectwastooptimizetheweightandmanufacturingcostofthesteelforgedconnectingrod.Thefirstaspectofthisresearchprogramhasbeendealtwithinamaster’sthesisentitled“FatigueBehaviorandLifepredictionsofForgedSteelandPMConnectingRods”(AfzalA.,2004).Thiscurrentthesisdealswiththesecondaspectofthestudy,theoptimizationpart.Duetoitslargevolumeproduction,itisonlylogicalthatoptimizationoftheconnectingrodforitsweightorvolumewillresultinlarge-scalesavings.Itcanalsoachievetheobjectiveofreducingtheweightoftheenginecomponent,thusreducinginertialoads,reducingengineweightandimprovingengineperformanceandfueleconomy.1.2LITERATUREREVIEWTheconnectingrodissubjectedtoacomplexstateofloading.Itundergoeshighcyclicloadsoftheorderof108to109cycles,whichrangefromhighcompressiveloadsduetocombustion,tohightensileloadsduetoinertia.Therefore,durabilityofthiscomponentisofcriticalimportance.Duetothesefactors,theconnectingrodhasbeenthetopicofresearchfordifferentaspectssuchasproductiontechnology,materials,performancesimulation,fatigue,etc.Forthecurrentstudy,itwasnecessarytoinvestigatefiniteelementmodelingtechniques,optimizationtechniques,developmentsinproductiontechnology,newmaterials,fatiguemodeling,andmanufacturingcostanalysis.Thisbriefliteraturesurveyreviewssomeoftheseaspects.Websteretal.(1983)performedthreedimensionalfiniteelementanalysisofahigh-speeddieselengineconnectingrod.Forthisanalysistheyusedthemaximumcompressiveloadwhichwasmeasuredexperimentally,andthemaximumtensileloadwhichisessentiallytheinertialoadofthepistonassemblymass.Theloaddistributionsonthepistonpinendandcrankendweredeterminedexperimentally.Theymodeledtheconnectingrodcapseparately,andalsomodeledtheboltpretensionusingbeamelementsandmultipointconstraintequations.InastudyreportedbyRepgen(1998),basedonfatiguetestscarriedoutonidenticalcomponentsmadeofpowdermetalandC-70steel(fracturesplittingsteel),henotesthatthefatiguestrengthoftheforgedsteelpartis21%higherthanthatofthepowdermetalcomponent.Healsonotesthatusingthefr