基于MeshFree的曲轴连杆机构有限元仿真分析

基于MeshFree的曲轴连杆机构有限元仿真分析

曲轴连杆机构是发动机中的关键机构，针对连杆的计算分析在早期多采用经验公式，关于有限元的理论和方法出现后，迅速在连杆分析上得到了广泛应用。最早的连杆有限元分析模型是将曲轴连杆模型简化为梁模型进行仿真计算，现在的有限元分析软件已经完全可以进行三维实体模型的仿真计算。在曲轴连杆机构的设计中，希望曲轴连杆机构有较高的可靠性和较长的使用寿命，而且曲轴连杆机构在运动过程中会承受较大的冲击载荷，使各运动件承受过大的载荷，并造成过大的振动，同时也会加速磨损，降低性能。因此，本文针对曲轴连杆机构通过MeshFree进行相应部件的受力分析，从而得知外载荷作用下的应力分布趋势及应力集中点，为曲轴连杆机构的设计提供参考。

1.建立有限元模型

首先采用三维建模软件UG NX建立曲轴连杆机构的三维模型，如图1所示，模型中保留了主要零件结构：曲轴、连杆、连杆盖和活塞，曲轴两端采用轴套约束，从而模拟实际转动，将各零件装配完成并通过中间格式Parasolid（.x_t）导出

                         图1 曲轴连杆机构的三维模型

在MeshFree中建立新项目，并选择分析类型为非线性静力分析，导入已有的Parasolid（.x_t）模型，并勾选搜索接触面。

2.建立接触

导入Parasolid（.x_t）格式模型后，MeshFree自动创建接触对：曲轴与轴套、曲轴与连杆、曲轴与连杆盖、连杆与连杆盖、连杆与活塞销、活塞与活塞销，将各接触对接触类型改为滑动接触，连杆与连杆盖仍为焊接接触，如图2所示。

                               图2 建立接触对

3.材料属性赋予

连杆、连杆盖和活塞普遍使用的材料是铝硅合金，它的特点是密度小、具有较高的导热性、与气缸的匹配较好，而且可以降低活塞和气缸间的摩擦功损失；曲轴主要承受复杂的弯曲、扭转载荷和一定的冲击载荷，局部轴径表面还受磨损，曲轴通常采用球墨铸铁和锻钢，在本文中采用45钢，曲轴轴套同样采用45钢，其具体材料参数如表1所示。

               表1 材料属性

零件	材料	弹性模量 GPa	泊松比	密度 kg/m³	热膨胀系数
曲轴 轴套	45钢	210	0.3	7850	1.2e-5
连杆 连杆盖 活塞	铝硅合金	73.08	0.33	2790	2.3e-5

在MeshFree中，赋予材料属性后的模型如图3所示。

                           图3 材料属性赋予

4.边界条件及载荷

为了模拟曲轴活塞在某一瞬时实际受力情况，对轴套施加完全固定约束，对活塞施加径向约束，即活塞只能沿轴向运动；为了模拟连杆盖与连杆的螺栓连接，采用MeshFree提供的刚性连接约束将连杆盖与连杆上的螺栓孔约束为一体；为了模拟发动机做功冲程，在活塞顶部施加压力载荷1.5Mpa，施加边界条件及载荷后的有限元模型如图4所示。

                           图4 边界条件及载荷

5.仿真分析

在分析控制里面将使用内存改为4GB，并运行分析，经过短暂的计算，得到某一瞬时曲轴连杆机构应力和变形结果如图5、图6所示。

                               图5 应力结果

从应力云图中可以看出，在某一瞬时，整个模型最大应力为61.77MPa，位于曲轴轴肩部位，此处为曲轴与轴套接触边界，往往出现应力集中，符合实际情况。

                              图6 变形结果

从变形云图中可以看出，在某一瞬时，整个模型最大变形量为0.043mm，位于活塞顶面。

6.与Abaqus仿真结果对比分析

在Abaqus中采用与MeshFree相同的仿真参数进行计算，经过计算得到最终变形云图如图7所示。

                            图7 Abaqus变形结果

Abaqus仿真得到的最大变形为0.042mm，与MeshFree所得变形结果0.043mm对比可知二者误差仅有2.4%，且MeshFree计算时间明显小于Abaqus，因此MeshFree对快速设计及优化有重要帮助。

动画及仿真文件.zip