基于Pro/MECHANICA的连杆机构应力工况论文
引言
连杆作为发动机的重要组成部件，其工作性能的好坏直接影响到整个发动机的性能，由于连杆最复杂的平面运动，在运动过程中主要承受气体压力和惯性力所产生的交变载荷，对连杆的设计要求为在保证连杆有足够的强度，刚度的基础上，尽可能的减轻连杆的质量。本文用Pro/Mechanica对连杆进行准静态分析，得出连杆的应力和变形云图，可以清楚的看到连杆的受力和变形情况，在此基础上对连杆进行了灵敏度分析，得出其主要设计参数对连杆质量的影响情况。对连杆的优化设计提供了一定的参考。
现在的大多数有限元软件虽然分析功能强大，但几何建模功能很弱，对于形状相对复杂的实体大都采用Pro/E，SOLIDWORKS，UG等三维建模功能强大的软件创建几何模型，然后以 IGES、PARA、STL 等文件格式将数据导入有限元软件进行分析。导入过程中容易造成数据丢失，致使分析结果的可信度降低，因此分析人员常常需要花费大量的时间精力修复几何模型。一般来说，因模型带来的误差要比有限元方法本身带来的误差大的多，Pro/Mechanica完全实现了几何建模和有限元分析的无缝集成，成功解决了数据丢失的问题，在工程设计领域越来越受到人们的重视。用户在Pro/E环境下创建几何模型后，直接从应用程序切换到Pro/Mechanica环境进行有限元分析，可以方便地进行模型的灵敏度分析和优化设计。
1 连杆机构的工况分析
1.1 连杆机构的建模及划分网格
某型号柴油机连杆的主要结构参数为：连杆小端孔的直径为32mm，大端孔的直径为65.5mm，大小头孔的中心距为191mm，大小端厚均为38mm，杆身厚为20mm，杆身凹槽底板厚为4mm，杆身和小端过度圆弧半径150mm，杆身和大端过度圆弧半径为100mm，杆身大端宽(杆身轮廓线延长和大孔中心线相交宽度)为28mm，杆身小端宽(杆身轮廓线延长和小孔中心线相交宽度)24mm，根据其图纸在PRO/E中对连杆体连杆盖建立三维模型，点击菜单中的应用程序Mechanica进入有限元模块，PRO/MECHANICA通过AutoGEM自动划分网格，模型图如图1所示。对于所建立的连杆模型，需要定义连杆和曲柄销的材料特性，连杆体和连杆盖材料为35CrMo，弹性模量206000Mpa,泊松比0.28，拉伸屈服应力为835Mpa，拉伸极限应力980Mpa;螺栓材料为35CrMoV，弹性模量为206000Mpa，泊松比0.28，拉伸屈服应力为930Mpa，拉伸极限应力为1080Mpa。
1.2 连杆机构的载荷计算
1)螺栓的预紧力计算
连杆螺栓把连杆体与连杆盖以较大的预紧力连接在一起，既要使连杆体与连杆盖在工作工程中不分离，还要把轴瓦以一定的过盈量压入连杆大端孔内。预紧力过大或者过小都有可能造成连杆螺栓的塑性变形或者断裂。分析过程中用PRO/MECHANICA模块中提供的.紧固件来仿真螺栓。
2)连杆小头衬套的作用力
连杆小端衬套是以一定的过盈量压入连杆小端孔内，会产生一定的压力，柴油机工作过程中由于温度升高，压力会增大。
2 连杆机构应力和灵敏度分析
2.1 最大应力工况分析
对连杆体大头孔内定义全约束，在连杆小端孔120范围内及连杆大端孔180范围内施加载荷，沿圆周方向余弦规律分布，轴向均匀分布，得到连杆的最大拉伸工况应力变形云图2，图3所示，计算得出小端的拉伸载荷为23.2898Mpa，大端的拉伸载荷为11.3782Mpa;同理得到连杆的最大压缩工况应力变形云图4，图5所示，小端的压缩载荷为41.2214Mpa，大端的压缩载荷为20.1386Mpa。
根据应力图分析可知连杆的最大应力出现在连杆盖螺栓凸台过度处，最大拉伸应力为121.75Mpa，连杆小端油孔处应力为73.06Mpa，远远小于连杆材料的抗拉强度，最大变形出现在大端盖与连杆体接触的内侧，变形量为0.0171133mm;连杆的最大压缩应力出现在连杆小端两边内侧面上，应力值为242.7Mpa，材料的屈服极限为835Mpa，安全系数为3.44，最大变形同样也出现在连杆小端两边内侧面上，变形量为0.04441mm，变形在弹性变形范围内，连杆是比较安全的。
2.2 敏感度分析
在以上静力分析的基础上，对连杆质量的影响因素进行了灵敏度分析。通过分析可知对连杆质量影响最大的为杆身的厚度，另外杆身与连杆高，缺点是：1)电源要求高(大电流);2)效率较低;3)寿命较短，不可长时间连续使用。
3 结论
本文利用三维软件Pro/E对某型号柴油机连杆建立三维实体模型，并在MECHANICA模块中对其最大受力工况进行了加载分析，得出了其受力和变形云图，可以清楚的看到连杆在最大受拉和受压工况的受力情况及变形量。分析可知此连杆在工作过程中相对安全。同时，本文还对连杆质量的影响因素进行了灵敏度分析，由分析结果可知对连杆质量影响较大的参数为连身厚度，杆身与连杆小头的过渡圆弧半径，以及杆身凹槽的圆弧半径，为连杆的优化设计了理论基础。
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