基于ANSYS的汽车发动机连杆的有限元分析

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基于ANSYS的车架有限元分析报告

汽车经过130多年的发展，安全与节能已成为汽车设计的重要容。

在汽车结构中，车架作为整车的基体和主要承载部件，具有支撑连接汽车各零部件和承受来自汽车、外各种载荷的作用，其结构性能直接关系到整车性能的好坏。

本文以某运油车车架为研究对象，运用CATIA软件对车架模型进行简化与建立，利用ANSYS软件对车架模型进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束，并对车架进行了弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，并分析位移与应力图，为汽车安全与节能设计提供了理论支持。

同时对车架也进行了模态分析，得出车架的固有频率与振型，提高整车设计水平，对避免共振与提高乘坐舒适性提供了理论基础。

关键字：车架,有限元，ANSYS, 静态分析，模态分析The automobile which has developed for 130 years, security and energy saving has become the leading content for automobile deign. Among the many complex structures in automobile, the frame of the vehicle is the basic part and the main bearing part. It has the function of connecting all parts of the vehicle together and subjecting various loads from inside and outside the vehicle. The performance of frame structure affects whether the automobile property is good or not.In this paper, the frame of a fuel tanker is studied. We simplify and establish the model of frame by CATIA. The parameter of the frame is defined. The model of frame is meshed by ANSYS. Add the force and freedom of the model of frame by ANSYS. The static analysis of the frame includes the situation of bending, torsion, barking and swerve by ANSYS. According to the figure of displacement and stress, it provide theoretical support for the automobile design of security and energy saving. At the same time, the modal analysis of the frame is also studied. Based on the frame of natural frequency and vibration mode, it provide theoretical basis for avoiding resonance and improving ride comfort and improve the level of vehicle design.Keywords: Frame, Finite element, ANSYS, Static analysis, Modal analysis目录1 绪论 (1)1.1 概述 (1)1.2 研究背景 (1)1.3 有限元法的应用与发展 (2)1.4 选题的目的与意义 (2)1.5 本文的主要研究容 (3)2 基于CATIA与ANSYS的车架有限元建模 (4)2.1 有限元法简介 (4)2.2 CATIA软件简介 (6)2.3 车架几何模型建立 (7)2.3.1车架几何模型简化 (7)2.3.2 车架几何模型建立 (7)2.4 车架有限元模型建立 (10)2.4.1 网格划分前处理 (10)2.4.2 车架有限元网格的划分 (10)3 车架有限元静态分析 (13)3.1 汽车车架刚度理论 (13)3.1.1 汽车车架弯曲刚度 (13)3.1.2 汽车车架扭转刚度 (13)3.2 车架载荷分类与处理 (13)3.2.1 静载荷 (13)3.2.2 动载荷 (14)3.3 车架工况的有限元分析 (14)3.3.1 满载弯曲工况 (14)3.3.2 满载扭转工况 (16)3.3.3 紧急制动工况 (18)3.3.4 紧急转弯工况 (19)4 车架有限元模态分析 (21)4.1 模态分析简介 (21)4.2 模态分析基本理论 (21)4.3 车架的模态分析 (22)4.4 车架模态分析结果评价 (27)结论 (29)致 (31)参考文献 (32)1 绪论1.1 概述最初汽车的发展，通常运用经验判断和试验仿真进行结构分析。

8 有限元分析上机指导书之八 ANSYS连杆建模实践

6.52.50.51.8 0.31.0R1.4R0.40.745oSpline through six control C LC LCrank pinWrist pinAll dimensions in inches45o0.20.4 0.34.74.0 3.2有限元分析实验指导书之八二维单元的使用（连杆分析）1. 进入ANSYS 工作目录,将 “c -rod” 作为jobname 。

2. 创建两个圆面：– Main Menu > Preprocessor > -Modeling- Create > -Areas- Circle > By Dimensions ... • RAD1 = 1.4 • RAD2 = 1 • THETA1 = 0• THETA2 = 180, 单击[Apply]• 然后设置THETA1 = 45,再单击[OK]3. 打开面:编号– Utility Menu > PlotCtrls > Numbering ... • 设置面号on, 然后单击[OK]4. 创建两个矩形面:– Main Menu > Preprocessor > -Modeling- Create > -Areas- Rectangle > By Dimensions ... • X1 = -0.3, X2 = 0.3, Y1 = 1.2, Y2 = 1.8, 单击[Apply] • X1 = -1.8, X2 = -1.2, Y1 = 0, Y2 = 0.3, 单击 [OK]5. 偏移工作平面到给定位置 (X=6.5):– Utility Menu > WorkPlane > Offset WP to > XYZ Locations + • 在ANSYS 输入窗口输入6.5 • [OK]6. 将激活的坐标系设置为工作平面坐标系:– Utility Menu > WorkPlane > Change Active CS to > Working Plane7. 创建另两个圆面:–Main Menu > Preprocessor > -Modeling- Create > -Areas- Circle > By Dimensions ...•RAD1 = 0.7•RAD2 = 0.4•THETA1 = 0•THETA2 = 180, 然后单击[Apply]•第二个圆THETA2 = 135, 然后单击[OK]8. 对面组分别执行布尔运算:–Main Menu > Preprocessor > -Modeling- Operate > -Booleans- Overlap > Areas + •首先选择左侧面组, 单击[Apply]•然后选择右侧面组, 单击[OK]9. 将激活的坐标系设置为总体笛卡尔坐标系:–Utility Menu > WorkPlane > Change Active CS to > Global Cartesian10. 定义四个新的关键点:–Main Menu > Preprocessor > -Modeling- Create > Keypoints > In Active CS …•第一个关键点, X=2.5, Y=0.5, 单击[Apply]•第二个关键点, X=3.25, Y=0.4, 单击[Apply]•第三个关键点, X=4, Y=0.33, 单击[Apply]•第四个关键点, X=4.75, Y=0.28, 单击[OK]11. 将激活的坐标系设置为总体柱坐标系:–Utility Menu > WorkPlane > Change Active CS to > Global Cylindrical12. 通过一系列关键点创建多义线:–Main Menu > Preprocessor > -Modeling- Create > -Lines- Splines > With Options > Spline thru KPs +•如图按顺序拾取六个关键点, 然后单击[OK]•XV1 = 1•YV1 = 135•XV6 = 1•YV6 = 45•[OK]13. 在关键点1和18之间创建直线:–Main Menu > Preprocessor > -Modeling- Create > -Lines- Lines > Straight Line + •拾取如图的两个关键点, 然后单击[OK]14. 打开线的编号并画线:–Utility Menu > PlotCtrls > Numbering ...•打开线的编号, 单击[OK]–Utility Menu > Plot > Lines15.由前面定义的线6, 1, 7, 25创建一个新的面:–Main Menu > Preprocessor > -Modeling- Create > -Areas- Arbitrary > By Lines + •拾取四条线(6, 1, 7, and 25),然后单击[OK]16. 放大连杆的左面部分:–Utility Menu > PlotCtrls > Pan, Zoom, Rotate …•[Box Zoom]17. 创建三个线倒角:–Main Menu > Preprocessor > -Modeling- Create > -Lines- Line Fillet + •拾取线36 和40,然后单击[Apply]•RAD = .25,然后单击[Apply]•拾取线40 和31, 然后单击[Apply]•[Apply]•拾取线30和39, 然后单击[OK]•[OK]–Utility Menu > Plot > Lines18. 由前面定义的三个线倒角创建新的面:–Main Menu > Preprocessor > -Modeling- Create > -Areas- Arbitrary > By Lines + •拾取线12, 10, 及13, 单击[Apply]•拾取线17, 15, 及19, 单击[Apply]•拾取线23, 21, 及24, 单击[OK]–Utility Menu > Plot > Areas19. 将面加起来形成一个面:–Main Menu > Preprocessor > -Modeling- Operate > Add > Areas + •[Pick All]20. 使模型充满整个图形窗口:–Utility Menu > PlotCtrls > Pan, Zoom, Rotate …•[Fit]21. 关闭线及面的编号:–Utility Menu > PlotCtrls > Numbering ...•关闭线及面的编号, 单击[OK]–Utility Menu > Plot > Areas22. 将激活的坐标系设置为总体笛卡尔坐标系:–Utility Menu > WorkPlane > Change Active CS to > Global Cartesian –Or issue:CSYS,023.将面沿X－Z面进行映射(在Y 方向):–Main Menu > Preprocessor > -Modeling- Reflect > Areas + •[Pick All]•选择X-Z面, 单击[OK]24. 将面加起来形成一个面:–Main Menu > Preprocessor > -Modeling- Operate > Add > Areas + •[Pick All]25. 关闭工作平面:–Utility Menu > WorkPlane > Display Working Plane26. 存储数据库并离开ANSYS:–拾取“SAVE_DB”–拾取“QUIT” 选择“Quit - No Save!”[OK27.选取93号壳单元Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete>Add>28.设置壳单元厚度为0.3Main Menu>Preprocessor>Real Constants>Add/Edit/Delete>Add>ok29.设置材料参数Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models30.分网Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool31.施加约束Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Lines 选取小孔边缘，约束小孔的所有自由度32.加载Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Pressure>On Lines选取大孔的半个边缘，33.显示壳单元的厚度旋转模型，使模型显示成薄片状勾选Display of element后，能显示0.3的壁厚。

基于AWE的发动机连杆有限元分析

ＦＥＡｆｏｒＣｏｎｎｅｃｔｉｎｇＲｏｄｏｆＥｎｇｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＡＷＥ
ＷＡＮＧＹｕ－ｌｉｎ
【ＣｉｖｉｌＡｖｉａｔｉｏｎＦｌｉｇｈｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａＸｉｎｊｉｎＳｕｂ — Ｃｏｌｌｅｇｅ，ＳｉｅｈｕａｎＣｈｅｎｇｄｕ６１１４３０，Ｃｈｉｎａ）
摘
要：连杆作为航空活塞发动机组成的重要传动零件之一，在交变载荷的作用下，连杆容易发生疲劳断裂。以某型航
空发动机连杆为研究对象，采用Ｐｒｏ／Ｅ建立连杆的三维模型，将模型导入到ＡＮＳＹＳＷＯＲＫＢＥＮＣＨ软件中，采用智能网格划分法进行网格划分。通过连杆载荷的受力分析，建立连杆受到最大拉伸与最大压缩两种工况的有限元模型，采用
要的。将连杆体与连杆盖看为一整体，不考虑螺栓的联接与衬套、
轴瓦与连杆的接触。
连接活塞与曲轴，将活塞的往复直线运动转化成曲轴的旋转运动
机械设计与制造
２２４ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第７期
２０１３年７月
基于ＡＷＥ的发动机连杆有限元分析
王裕林（中国民航飞行学院新津分院，四川成都６１】４３０）
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｅｎｇｉｎｅ；ＣｏｎｎｅｃｔｉｎｇＲｏｄ；ＡＮＳＹＳ；ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅ￣ｏｄ

发动机连杆三维实体建模和有限元分析

第１５卷第３期
２０１３年５月
交
通
科技
与
经
济
Ｖ０ｌ＿１５。Ｎｏ．３
Ｍａｙ，２０１３
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＥｃｏｎｏｍｙｉｎＡｒｅａｓｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ
发动机连杆三维实体建模和有限元分析
刘龙超，朱荣福
（１．北京亚新科天纬油泵油嘴股份有限公司研究所，北京１ＯＯ１６６；２．黑龙江工程学院汽车与交通工程学院，黑龙江哈尔滨
１５００５０）
摘
要：应用Ｐｍ／Ｅ建立发动机连杆的三维实体模型，将简化后的模型导入ＡＮＳＹＳ软件中，再进行网格划分。施
ＬＩＵＬｏｎｇ — ｃｈａｏ．ＺＨＵＲｏｎｇ — ｆｕ。
（１．ＡＳＩＭＣＯＴｉａｎｗｅｉＦｕｅｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＳｔｏｃｋＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１６６，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅａｎｄＴｒａｆｆｉｃ
方程组数值解的数值技术。大多数实际问题非常复杂，很难得到准确解，通过有限元法用简单的问
作，要求比较精确。通常要对影响计算结果极小的

连杆课程设计

连杆课程设计说明书院别：能源与动力工程学院专业：热能与动力工程班级：工程热物理0902姓名：学号：指导教师：2013年1月目录前言：一、连杆概况-------------------------------------------------------------- 31.连杆的结构特点---------------------------------------------------- 42.连杆工作情况-------------------------------------------------------43.连杆设计要求-------------------------------------------------------44.连杆的材料选用----------------------------------------------------5二、连杆PROE建模----------------------------------------------------51.建模步骤----------------------------------------------------------- 52.建模最终图-------------------------------------------------------12三、连杆ANSYS有限元分析----------------------------------------121.导入模型------------------------------------------------------------122.创建网格------------------------------------------------------------133.设置载荷和约束---------------------------------------------------144.求解------------------------------------------------------------------145应力应变结果显示------------------------------------------------15四、总结-------------------------------------------------------------------16五、参考文献-------------------------------------------------------------16前言连杆是发动机中的主要传动部件之一，它把作用于活塞顶面的膨胀的压力传递给曲轴，又受曲轴的驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。

基于ANSYS的汽车传动轴有限元分析与优化设计

摘要ANSYS 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。

因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

传动轴是最常件的零件，该零件结构较为简单，操作方便，加工精度高，价格低廉，因此得到了广泛的使用。

目前很多传动轴都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。

.本设计是基于ANSYS 软件来汽车传动轴行分析。

与传统的计算相比，借助于计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。

设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。

对零件的设计和优化有很大的参考作用。

正是因为上述优点，我在本设计中运用UG 来建立三维模型。

再将此模型导入ANSYS 软件来对其进行分析。

关键词：传动轴，三维建模，ANSYS，动静态分析A b st r ac tANSYS (f i n i t e e l e m e n t) package i s a m u l t i-p ur po s e f i n i t e e l e m e n t method for computer des i gn program that can be used to s o l ve the structure, fluid, e l ec tr i c i ty,e l ec tr o m ag n et i cf i e l ds and co lli s i on problems. So it can be applied to the followingi ndus tr i es: aerospace, au tom o t i v e,bi o m ed i ca l,b r i dge s,c on s tr uc t i on,e l ec tr o ni cs,h ea vy machinery, mi cro-el e ct r o m echa ni ca l systems, sports equipment and so on.Tr an s mi ss i on s h a f t i s the most common a r egu l a r part, the part structure i s s i m p l e, convenient o pera t i on, high pr ec i s i on, low pr i c es, it has been w i d e l y used. At pr ese n t, many have made the appro pr i at e Tr an s mi ss i on s h a f t i mpr o v e m e n t s,it has been gr ea t l y enhanced app li c a bi li ty.The des i gn i s based on ANSYS s o f t ware to Tr an s m i ss i on s ha f t by the line of s p i nd l e. Compared with the tr adi t i on a l c a l cu l at i on,computer-based f i n i t e e l e m e n t an a l y s i s method can be f a s t er and more accurate r es u l t s.Set the correct m o de l,dividing the right grid, and set a reasonable s o l ut i on process, an a ly t i ca l m o de l can ac curat e l y access t h e various parts of the stress and de f o r m at i on r es u l t s. On the part of the des i gn a ndop t i mi za t i on has great r ef ere n c e.It i s because of these advantages, the use of this des i gn in my UG to crea t et h r ee-di m e ns i on a l model Tr a ns m i ss i on s h a f t. Then this model was i n tr o duce d by t h e ANSYS s o f t wa r e to i t s line of a n a ly s i s.Key Words: Tr an smiss i on s h af t，t h r ee-d i me n si on al mo d e li ng，ANSYS，d y n am i c and s t a t i c a n al y s i s目录摘要.............................................................................................................................. - 1 -Abs tr ac t ............................................................................................................................. -2 -目录.............................................................................................................................. - 2 -第1 章绪论..................................................................................................................... - 4 -1.1 选题的目的和意义............................................................................................. - 4 -- 2 -1.2 选题的研究现状及发展趋势.............................................................................. - 4 -1.3 传动轴知识........................................................................................................ - 5 -1.4 传动轴的结构特点............................................................................................. - 5 -1.5 传动轴重要部件................................................................................................. - 6 -1.6 传动轴常用类型................................................................................................ - 7 -第2 章本课题任务和研究方法...................................................................................... - 8 -2.1 课题任务............................................................................................................ - 8 -2.2 分析方法............................................................................................................. - 8 -3.3 本课题的研究方法............................................................................................. - 9 -3.4 有限元方法介绍................................................................................................ - 9 -3.4.1 概述.................................................................................................................. - 9 -3.4.2 基本思想......................................................................................................... - 9 -3.4.3 特点................................................................................................................ -10 -3.5 ANSYS 软件简介............................................................................................. -11 -第4 章确定汽车传动轴研究对象和UG 建模............................................................. -12 -4.1 确定汽车传动轴研究对象概述........................................................................ -12 -4.2 汽车传动轴（变速箱第二轴）的3D 建模设计............................................. -14 -4.2.1 进入UG 的操作界面............................................................................ -14 -第5 章汽车传动轴的有限元分析................................................................................ -21 -5.1 有限元分析的基本步骤............................................................................ -21 -5.2 有限元分析过程与步骤........................................................................... -22 -5.2.1 转换模型格式........................................................................................ -22 -第六章总结和传动轴的优化设计分析........................................................................ -41 -结论................................................................................................................................ -41 -参考文献........................................................................................................................ -42 -致谢.............................................................................................................................. -43 -第1 章绪论1.1 选题的目的和意义随着计算机技术的日益普及和FEA 技术的蓬勃发展，人们已经广泛采用计算机有限元仿真分析来作为传动轴强度校核的方法。

车用发动机连杆有限元分析及结构设计

惯性力、连杆自身的摆动惯性力、小头上承受的燃气压力、连杆小头衬套和大头轴瓦的径向装配应力和连杆大头所承受的螺栓预紧力。 2.2 网格的划分
该连杆材料为中碳钢,密度为 7 850 kg/m3，杨氏模量为 210 GPa，泊松比为 0.3。由于连杆形状复杂且不规则，因此采用高阶四面体单元 Solid 92，进行自由网格划分，共有 159 669 个单元，247 821 个节点，图 3 为 1/2 连杆网格划分图。
力云图，如图 4 和图 5 所示。
技术
第 29 卷
致惯性力增加，下面对连杆的设计提出几点建议。（1）连杆材料的选择要保证在结构轻巧的条件
下有足够的刚度和强度，一般可选中碳钢、中碳合金钢、球墨铸铁、铸铝合金等[5]。
（2）连杆杆身应具有足够的断面积，因为连杆在高速摆动时的横向惯性力会使连杆弯曲变形。一般高速内燃机的连杆杆身断面是工字形的，考虑惯性力依不同连杆截面的变化，从小头到大头截面逐渐加大。
0 引言
就会影响到发动机的正常工作，甚至发生严重的事故，因此对其强度提出了很高的要求。以往的连杆
连杆作为车用发动机的主要零件，在工作过程设计是靠经验及参考资料,没有合理的设计依据，而中承受着急剧变化的动载荷,若其强度和刚度不够，有限元法作为一种有效的分析方法，在连杆设计中
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
2.3.2 连杆载荷处理
（1）螺栓预紧力：螺栓作为承载体系的一部分，
作用是拉紧大端和大端盖，其预紧力可采用以下公
式计算：M=0.2P0dM×10- 2 式中 M———螺栓拧紧力矩；
P0— ——螺栓预紧力； dM— ——螺栓直径。计算得螺栓预紧力约为 3 758.6 N。

发动机连杆的有限元分析及结构优化

第３卷３第５期２１－（）１１１０１５下１１
２３网格划分．建模后须对模型进行网格划分。ＡＷＥ不仅具有功能强大的网格划分工具，还能进行智能化网
格划分，生成形状特性较好的单元来保证网格质量，给使用者节省了大量的时间和精力。一般情况下，采用默认网格控制即可。有时，为了获得高质量的网格，也可通过一定的控制使其尽量符
３建出连杆在摆动面及垂直摆动面方向上的截面）草图，再用扫略命令切出圆弧过渡区。最终选定
思路三进行建模，此法所建模型更接近实物，且所需指定的优化参数较少，优化耗时也较少，约
合有限元计算的要求，提高计算精度。根据所建模型，本文比较了四种不同网格尺寸对计算结果的影响，在完全采用默认控制的情况下，连杆上
图１网格划分后的实体模型
２４２约束处理．．边界约束可消除整体模型的刚性位移和确定
一
般来说，对于钢、铜、铝等塑性材料，可
根据第四强度理论，选用ＶｎＭｉｓｏｓ等效应力进行ｅ强度校核。
２４Ａ中的连杆边界处理．ＷＥ
２４１施加载荷．．
１）在最大压缩工况下，应力集中区主要分布

基于有限元的连杆衬套过盈分析求解

Ａｂｓｒｔｎｏｒｒｔｖｉｈｅｃｎｎｃｉｇｒｄｂｕｈｎｇｇｎｒｔａｎｌｓｉｅｏｍａｉｎａｒｔａｃ：Ｉｄｅｏａｏｄｔｏｅｔｎｏｓｉｅｅａｅｗｅｒａｄｐａｔｃｄｆｒｔｏｔｗｏｋ，ｔｔｂｅｗｅｎｈｅｆｔｅｉｃｎｃｉｇｒｄｂｈｎｎｈｅｓｌｅｄｂａｎｓｅｅｓｎｂｅｍａｇｔｅｆｉｔｒｅｅｅＴｈｈｅｅｉａｏｎｅｔｎｏｕｓｉｇａｄｔｍａｌｈａｅｔｇｍｕｔｍｅｔａｒａｏａｌｉｎｉｕｄｏｎｅｒｎｃ．ｆｅｔｏｒｔｃｌ
ＡｎｌｓｓａｌｉｎｏｎｎｃｉｇＲｏｓｉｇＩｅｆｒｎｅＢａｅａｙｉｎｄＳｏｕｔｏｎＣｏｅｔｎｄＢｕｈｎｎｔｒｅｅｃｓｄ
ｏｎｔｅｅｔｎＦｉｉｅＥｌｍｎ
ＦＮＸａ —ｗｉＦＮＷｅｘｎＦＮｕｎ— ｉＡｉｏｅ，Ａｎ— ｉ，ＥＧＹａｊｅ
ｃｌｕａｉｎｉｃｒｅｕａｅｎｔｅｍｅｈｄｔａｉｇｂｓｉｇａｌｎｔｅｓｐｏｌｍ，ａｄｓｌｌｈａｅｒｎｓａａｃｌｔｓａｒｄｏｔｓｄｏｈｔｏｒｔｕｈｎｓａｐａｅｓｓｒｂｅｏｉｂｅｎｒｎｍａｅｄｂａｇａｉ
（ｅｈｎｃｌｎｉｅｒｇａｄＡｔｔｎＣｌｇ，ｏｈＵｉｒｔｏｈｎ，ａｙａ３０，ｈｎ）ＭｃａｉｇｅｎｎｕｏｉｏｅｅＮａｎｅｓｙｆｉａＴｉｎ００５ＣｉａａＥｎｉｍａｏｌｖｉＣｕ１

ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用

ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用随着科学技术的不断发展，工程领域的热分析越来越重要。

热力学、热传导、热对流、辐射传热等问题是工程领域中需要解决的关键问题之一。

ANSYS有限元分析软件作为一款功能强大、使用广泛的工程分析工具，在热分析领域发挥着重要的作用。

ANSYS有限元分析软件是一种基于有限元理论的数值计算工具。

它通过将一个复杂的物理问题划分成一个个简单的子域，然后将这些子域用有限元进行离散，再通过数值计算方法求解模型的应力、应变等物理场。

在热分析中，ANSYS能够非常准确地模拟材料的温度分布、热流量分布以及传热过程等问题，为工程师提供必要的设计信息。

在热分析中，ANSYS可以解决一系列不同的问题。

首先，它可以模拟材料的温度分布。

通过定义不同的材料参数和边界条件，ANSYS可以准确地计算出材料在不同情况下的温度分布，并可以用图形的形式进行展示。

这对于工程师来说非常有用，因为他们可以根据这些温度分布来判断材料是否会出现过热或者过冷的问题，从而进行相应的调整。

其次，ANSYS还可以模拟热流量的分布。

在实际工程中，热流量的分布是一个很重要的参数。

通过分析热流量的分布情况，工程师可以判断热量的传输是否合理，从而优化设计，提高效率。

ANSYS可以非常准确地计算出热流量的分布，并提供相应的图像展示，方便工程师观察和分析。

此外，ANSYS还可以模拟热对流传热问题。

热对流传热是指通过流体的对流而传递热量的现象。

在实际工程中，热对流非常常见，比如汽车发动机的冷却系统等。

ANSYS可以根据流体的流动特性和边界条件，准确地计算出热对流传热的情况，并提供相应的结果分析。

这对于工程师来说非常重要，他们可以通过这些结果来评估流体的冷却效果是否达到设计要求。

最后，ANSYS还可以模拟辐射传热问题。

辐射传热是指通过辐射而传递热量的现象，是热传导和热对流之外的一种重要传热方式。

在一些高温环境中，辐射传热非常显著，比如高温工业炉等。

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汽车发动机连杆的有限元分析
摘要：采用ANSYS软件对汽车发动机连杆应力进行分和模态分析，计算出连杆的最大应力和应变;模态分析提取了前4阶模态，分析了连杆的固有频率、振型，找到了变形最大区域。

为连杆优化设计、结构改进和表面热处理提供理论依据。

关键词：ANSYS；连杆；模态分析；应力和应变
1 前言
连杆是汽车发动机的重要构件和主要运动件，功用是将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。

连杆工作过程中承受装配载荷和交变载荷的作用还有气缸内气体压力，惯性力、轴承摩擦和磨损等。

所以要求连杆具有足够的抗疲劳强度、抗冲击，足够的强度和刚度。

应力分析是对连杆的静力分析，分析了连杆应力分布，应变情况；模态分析研究的是连杆的动态特性，用ANSYS对连杆进行模态分析，得出了连杆前4阶的固有频率和振型，通过分析结果可知连杆存在的问题及结构的薄弱环节，为连杆优化设计、结构改进和表面热处理提供理论依据。

2连杆有限元分析的理论基础
2.1静力学分析理论
当连杆加载和约束时，利用平衡条件和边界条件将各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程：
{K}{q}={f}
式中｛K｝—整体结构的刚度矩阵；
｛q｝—节点位移列阵；
｛f｝—载荷列阵.
解该有限元方程就可以得到最后分析时所需的各单元应力及变形值。

2.2模态分析理论
模态分析研究系统是在无阻尼自由振动情况下系统的自由振动，用于确定结构的振动特性，是谐响应分析的基础，固有频率和主振型是振动系统的自然属性。

系统的运动微分方程可表示为：[M]｛X(t)｝+[K]{x(t)}=0
弹性体的自由振动可分解为一系列简谐振动的叠加，因此,式(2)的解可设为：
X(t)=φcosω（t−t0）
式中：ω为简谐振动的频率；
t为时间变量；
t0为由初始条件确定的时间常数。

代（3）入（2）得到特征值和特征向量分别对应系统的固有频率和主振型。

3基本分析过程
6.5
2.5
0.5
1.8 0.3
1.2
1.6
0.5
0.9
45o
中间连接点
C
C
曲柄销
活塞销
连杆几何模型（单位cm ）
45o
0.2
0.4 0.3
4.7
4.0 3.2
如图所示连杆结构，连杆厚度1.5cm ，过渡圆角0.25cm ，材料属性为弹性模量E=3.0e7（Mpa ）,泊松比0.3，材料为40Cr,密度ρ=7800kg/m 3
3.1静力学分析
根据结构特征，采用ANSYS 实体建模。

选用单元类型为Solid95, Solid95是三维20结点四面体结构实体单元，在保证精度的同时允许使用规则的形状，适用于曲线边界的建模。

图1 连杆模型
3.1.1网格划分
连杆的实体模型网路划分采用智能网络划分，划分等级为3级。

图2 网格划分图
3.1.2约束条件和施加荷载
实际工程中，汽车连杆的大头孔是与轴承配合的，而小头孔的内侧90°范围内受面压力作用。

在ANSYS中选取大孔内表面级Y=0的所有面施加对称约束，在小头孔的内侧90°范围内施加P=l 000psi面压力。

图3 连杆加载和约束示意图
3.1.3计算及结果分析
图4和图5分别为汽车连杆的位移云图和应力云图
图4 连杆位移云图
图5 连杆应力云图
结果显示，最大合位移出现在小孔内外表面；最大等效应力出现在小头孔内表面上，其值为12.9MPa。

从图中的应力和位移等直线可以看出:(1)整个连杆结构的最大应力出现在小头孔的承载区范围内，其他部位受力情况较均匀。

这与实际情况是相吻合的。

(2)最大变形
出现在小轴孔表面，而大孔的变形非常小。

在实际情况中，由于小孔是承载区，它的变形相对较大，大孔远离承载区，受影响较弱。

综合上述分析，有限元分析结果是客观的，较为真实的反应了汽车连杆的受力情况。

3.2模态分析
根据模态分析理论，低阶频率下的振动对结构影响最大。

3.2.1约束及加载
大头保留绕孔中心线的转动自由度，其他自由度约束；小头保留沿气缸方向上移动和绕孔中心线的转动自由度，其他自由度约束。

3.2.2计算及结果分析
本文分析连杆的前4阶模态，模态分析结果如表1所示，振型云图如图7所示
表1模态分析结果
阶次固有频率/Hz 振型描述
1 1.8726 水平弯曲
2 1.6700 垂直弯曲
3 2.771
4 纵向弯曲
4 2.7754 水平弯曲
图7 振型云图
由振型云图可以看出，前4阶模态内，连杆的振动形式多样，集中表现为水平弯曲、垂直弯曲和纵向扭转。

其中，前3阶模态振动最大位移均出现在连杆中部，第2、3阶模态分析的振动位移最大，第1、4阶模态的振动位移相对较小，说明第2、3阶振动幅度较大，易发生共振。

4.结论
（1）最大位移出现在连杆小头圆孔处，最大值为0.12~0.13mm，然后逐渐向内递减，到连杆大头圆孔处为最小位移。

（2）最大应力出现在杆与小头圆孔接触处，值为12.9MPa，是整个连杆最危险的部位，应采取相应的表面处理手段进行强化。

（3）利用有限元软件ANSYS对连杆进行了静力分析和模态分析，通过分析分析得到了连杆的模态和变形情况，因此，在设计连杆时，不仅要考虑杆身与大小头连接处应力集中问题，也要考虑避开共振频率的问题。

参考文献：
[1] 赵经文，王宏钰.结构有限元分析[M].北京：科学出版社，2001.
[2] 陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3] 徐兀．汽车发动机现代设计．北京：人民交通出版社，1995。