基于MeshFree的曲軸連桿機構(gòu)有限元仿真分析

曲軸連桿機構(gòu)是發(fā)動機中的關(guān)鍵機構(gòu)，針對連桿的計算分析在早期多采用經(jīng)驗公式，關(guān)于有限元的理論和方法出現(xiàn)后，迅速在連桿分析上得到了廣泛應(yīng)用。最早的連桿有限元分析模型是將曲軸連桿模型簡化為梁模型進(jìn)行仿真計算，現(xiàn)在的有限元分析軟件已經(jīng)完全可以進(jìn)行三維實體模型的仿真計算。在曲軸連桿機構(gòu)的設(shè)計中，希望曲軸連桿機構(gòu)有較高的可靠性和較長的使用壽命，而且曲軸連桿機構(gòu)在運動過程中會承受較大的沖擊載荷，使各運動件承受過大的載荷，并造成過大的振動，同時也會加速磨損，降低性能。因此，本文針對曲軸連桿機構(gòu)通過MeshFree進(jìn)行相應(yīng)部件的受力分析，從而得知外載荷作用下的應(yīng)力分布趨勢及應(yīng)力集中點，為曲軸連桿機構(gòu)的設(shè)計提供參考。

1.建立有限元模型

首先采用三維建模軟件UG NX建立曲軸連桿機構(gòu)的三維模型，如圖1所示，模型中保留了主要零件結(jié)構(gòu)：曲軸、連桿、連桿蓋和活塞，曲軸兩端采用軸套約束，從而模擬實際轉(zhuǎn)動，將各零件裝配完成并通過中間格式Parasolid（.x_t）導(dǎo)出

                         圖1 曲軸連桿機構(gòu)的三維模型

在MeshFree中建立新項目，并選擇分析類型為非線性靜力分析，導(dǎo)入已有的Parasolid（.x_t）模型，并勾選搜索接觸面。

2.建立接觸

導(dǎo)入Parasolid（.x_t）格式模型后，MeshFree自動創(chuàng)建接觸對：曲軸與軸套、曲軸與連桿、曲軸與連桿蓋、連桿與連桿蓋、連桿與活塞銷、活塞與活塞銷，將各接觸對接觸類型改為滑動接觸，連桿與連桿蓋仍為焊接接觸，如圖2所示。

                               圖2 建立接觸對

3.材料屬性賦予

連桿、連桿蓋和活塞普遍使用的材料是鋁硅合金，它的特點是密度小、具有較高的導(dǎo)熱性、與氣缸的匹配較好，而且可以降低活塞和氣缸間的摩擦功損失；曲軸主要承受復(fù)雜的彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷和一定的沖擊載荷，局部軸徑表面還受磨損，曲軸通常采用球墨鑄鐵和鍛鋼，在本文中采用45鋼，曲軸軸套同樣采用45鋼，其具體材料參數(shù)如表1所示。

               表1 材料屬性

零件	材料	彈性模量 GPa	泊松比	密度 kg/m3	熱膨脹系數(shù)
曲軸 軸套	45鋼	210	0.3	7850	1.2e-5
連桿 連桿蓋 活塞	鋁硅合金	73.08	0.33	2790	2.3e-5

在MeshFree中，賦予材料屬性后的模型如圖3所示。

                           圖3 材料屬性賦予

4.邊界條件及載荷

為了模擬曲軸活塞在某一瞬時實際受力情況，對軸套施加完全固定約束，對活塞施加徑向約束，即活塞只能沿軸向運動；為了模擬連桿蓋與連桿的螺栓連接，采用MeshFree提供的剛性連接約束將連桿蓋與連桿上的螺栓孔約束為一體；為了模擬發(fā)動機做功沖程，在活塞頂部施加壓力載荷1.5Mpa，施加邊界條件及載荷后的有限元模型如圖4所示。

                           圖4 邊界條件及載荷

5.仿真分析

在分析控制里面將使用內(nèi)存改為4GB，并運行分析，經(jīng)過短暫的計算，得到某一瞬時曲軸連桿機構(gòu)應(yīng)力和變形結(jié)果如圖5、圖6所示。

                               圖5 應(yīng)力結(jié)果

從應(yīng)力云圖中可以看出，在某一瞬時，整個模型最大應(yīng)力為61.77MPa，位于曲軸軸肩部位，此處為曲軸與軸套接觸邊界，往往出現(xiàn)應(yīng)力集中，符合實際情況。

                              圖6 變形結(jié)果

從變形云圖中可以看出，在某一瞬時，整個模型最大變形量為0.043mm，位于活塞頂面。

6.與Abaqus仿真結(jié)果對比分析

在Abaqus中采用與MeshFree相同的仿真參數(shù)進(jìn)行計算，經(jīng)過計算得到最終變形云圖如圖7所示。

                            圖7 Abaqus變形結(jié)果

Abaqus仿真得到的最大變形為0.042mm，與MeshFree所得變形結(jié)果0.043mm對比可知二者誤差僅有2.4%，且MeshFree計算時間明顯小于Abaqus，因此MeshFree對快速設(shè)計及優(yōu)化有重要幫助。

動畫及仿真文件.zip