汽车发动机连杆结构强度仿真分析

□ 冒小萍

上海联宏创能信息科技有限公司 上海 200125

1 分析背景

传统的产品设计往往比较依赖设计师的经验,即使是创新,通常也不是从无到有,而是在前人经验的基础上进行优化,然后设计出新的产品,制造出物理样品,进行试验,根据试验的结果解决问题,继续优化,再制造样品,试验分析。如此重复的设计优化迭代拉长了产品的上市周期,在人力和物力的投入方面也是巨大的。随着计算机技术和数值计算方法的发展,借助计算机辅助工程技术进行产品设计和虚拟验证已成为重要的手段。

在汽车发动机运行过程中,处于核心位置的机构是曲轴连杆机构,发挥着能量转换的作用。在高强度、高负荷的运转中,曲轴连杆机构需要可靠的强度,否则极易导致事故。曲轴连杆机构能够将以活塞为主体的运动转换为以曲轴为中心的运动,同时将直线运动转变为曲线运动,由此,曲轴连杆机构的工作环境十分恶劣。汽车发动机运行时,连杆通过活塞销连接活塞,将作用在活塞上的力传递至曲轴。连杆在工作中面临往复力和剧烈的交变动载荷,长期作用下,连杆表面易产生裂纹。

传统的连杆设计以经验设计和理论设计为基础,基于数学模型和力学公式进行计算,很难模拟真实复杂的工况,难以获得精确的强度结果。有限元法是目前计算机辅助工程软件普遍采用的数值计算方法,可以对结构形状和受载方式均十分复杂的零件进行分析,被广泛运用在工程中,对连杆结构强度的校核同样可以起到重要的作用。

业内普遍认为,20世纪60年代初出现的有限元法是计算力学诞生的标志。有限元法在传统里茨法的基础上,利用变分原理导出代数方程组求解。有限元法将连续介质离散为有限个单元来进行数值计算,通过对连续体的离散化,在每个单元上建立岔子函数,进而建立整个求解区域上的函数,利用节点位移求出应力分量。

有限元法实现了统一的计算模型、离散方法、数值求解、程序设计方法,能够广泛适用求解复杂结构的力学问题。目前,商业化的有限元程序软件很多,已经成为产品研发人员不可或缺的计算工具,Simcenter 3D软件便是其中之一。笔者基于Simcenter 3D软件,完成汽车发动机连杆结构强度仿真分析,并对设计方案的改进进行进一步验证。

2 计算机辅助工程仿真工程应用概述

在产品的设计中引入计算机辅助工程仿真分析,通过建立与产品系统相一致的仿真模型,能够从系统的设计早期开始对各种不同的设计方案进行评价和验证,及时发现问题,进而最大程度降低试验风险。

开展产品计算机辅助工程仿真工程应用的意义主要有两方面。

第一,拓宽现有产品的开发思路,通过引入仿真验证,提高产品设计质量。

在产品设计过程中增加仿真验证手段,除了可以显著提高开发效率,还可以有效改善设计开发的流程。

传统设计开发流程如图1所示,引入仿真分析的产品设计开发流程如图2所示。在传统设计开发流程中,一般在完成系统设计后通过试验验证的方法检验产品质量。通过试验发现设计存在问题时,对方案和算法进行修改,然后重新进行试验。

在设计开发流程中引入多学科仿真分析后,在进行实际试验之前,可以通过仿真软件建立完整的系统模型,对设计方案进行虚拟验证。发现设计问题时,可以及时进行改进,这样能够最大程度降低风险,避免重复设计工作。

第二,能够显著提高开发效率,降低设计和试验风险,节省试验成本。

相比试验验证,仿真分析的一大优势在于灵活性好、效率高,并且不受时间地点的限制。通过建模仿真,在设计流程的早期阶段就可以评价系统整体性能和精度,并对系统设计进行必要的改进,能够有效避免完全依赖于物理试验的风险。由于在试验之前已对系统方案进行了虚拟验证和改进,因此还可以显著减少试验次数,降低试验成本。

3 计算机辅助工程连杆仿真分析意义

连杆是汽车发动机的重要构件和主要运动件,连杆的可靠性和寿命在很大程度上影响汽车发动机的寿命。对连杆进行设计时,要求在保证足够强度、刚度、稳定性的前提下,尽可能实现质量轻、体积小、形状合理,并最大限度减缓过渡区的应力集中。将计算机辅助工程应用于连杆结构强度仿真分析,主要意义有三方面。

第一,获取连杆设计的薄弱位置。

连杆在工作过程中承受的载荷比较复杂,包括拉伸力、爆发压力,以及离心载荷、弯曲载荷等交变载荷,连杆极易发生疲劳损伤。通过计算机辅助工程,可以模拟并分析连杆的失效原因和薄弱位置,通过应力集中和局部强度、刚度分析结果,获得连杆设计不合理的区域,对连杆结构进行优化。

第二,对多种设计方案进行分析和比较,选择最佳设计方案。

与物理试验相比,对连杆结构强度进行计算机辅助工程仿真分析,可以方便比较多种设计方案。如今,很多计算机辅助工程软件都拥有功能丰富的三维模型编辑修改功能,对连杆三维模型进行设计更改后,可以很快回到计算机辅助工程仿真环境进行优化验证,及时对比多种设计方案的优劣,选出最佳设计方案,整个分析比较过程具有高效、经济、简单、直观的特点。计算机辅助工程软件除可以对连杆进行单学科仿真外,还能够进行多学科耦合分析,如热流固耦合分析等,进而更加全面真实地再现连杆的工况。

第三,提炼连杆分析流程,形成企业知识库。

借助计算机辅助工程,逐步建立企业的仿真流程和标准,以及标准的连杆分析库,并且对常规结构建立标准的分析流程,可以提高企业的整体研发能力。利用分析专家的专业知识,在企业推广计算机辅助工程仿真分析的全面应用,可以为整个研发体系提供指导,同时扩展辐射应用至整个企业。还可以进一步开发建立连杆的仿真向导流程,有利于实现分析的标准化和分析的流程固化。

4 Simcenter 3D软件概述

Simcenter 3D软件是西门子工业软件公司开发的设计仿真一体化软件,采用领先的前沿建模技术和先进的仿真前后处理方法,结合业界NASTRAN、Samcef标准解算器,提供完全的适合连杆的仿真解决方案,使工程师在设计阶段就能够及时评估连杆的安全性、可靠性,为连杆优化和设计方案的更改提供依据。在设计仿真一体化解决方案中,连杆参数化数据、仿真前处理数据都能够得到重用,最大程度提升设计效率和产品市场竞争力。计算机辅助设计、计算机辅助工程一体化平台高度集成在同一环境中,无数据交换之忧,所有分析过程基于同一软件完成。软件采用关联文件管理分析数据,保证数据的实时更新。通过集成化协同式前后处理器,保持连杆三维模型数据与有限元模型之间的协同性,连杆的设计发生改变可以快速实现对有限元模型的更新,而不需要重新导入模型和网格划分,所有材料属性、物理属性不需要变更,从而快速计算得到分析结果。

5 连杆建模

对连杆杆身、连杆盖、轴瓦、衬套、螺栓进行建模,采用接触法对连杆进行有限元分析,得到连杆的应力分布情况,并对优化前后连杆设计方案进行仿真结果对比,解决连杆的可靠性问题。在有限元分析中,接触问题是个难点。连杆运动时,与轴瓦、衬套、活塞销、曲轴等组成一个系统,这些零件之间接触面上的接触力非常关键,如果接触压力不足,容易造成系统失效。为了准确模拟实际工况,笔者采用Simcenter 3D软件非线性分析,评估连杆盖、轴瓦、衬套与连杆在不同工况下的接触压力,轴瓦、衬套的变形,以及连杆的高周疲劳安全因数。

Simcenter 3D软件包含专业的计算机辅助设计三维建模和模型简化处理功能,采用Simcenter 3D软件完成连杆三维建模,如图3所示。为了便于添加载荷,将轴瓦和衬套对称分为两部分,分割边界如图4所示。

连杆模型采用四面体结合六面体网格划分,目的是提高网格精度和控制网格规模,有利于缩短求解时间。当然,非线性分析求解时间在正常情况下要比线性分析求解时间长。在模型边上添加边密度控制,在关键接触面上采用二维种子网格进行网格密度控制和三维网格划分引导。连杆模型网格密度控制如图5所示,网格划分如图6所示,整体网格大小为2 mm,局部采用1 mm网格单元。

连杆杆身、连杆盖的材料为36MnVS4合金结构钢,弹性模量为207 GPa,泊松比为0.3,屈服强度为750 MPa,抗拉强度为950 MPa。轴瓦、衬套、螺栓的钢材料,弹性模量为211 GPa,泊松比为0.277。

6 分析工况

对连杆结构强度分析时,主要载荷有衬套过盈接触力、轴瓦装配接触力、螺栓预紧力、最大拉伸载荷、最大压缩载荷。通常认为,连杆在工作过程中最危险的工况是最大拉伸工况和爆发压力最大压缩工况。笔者分析装配工况、拉伸工况和压缩工况,拉伸工况即装配及往复惯性力工况,压缩工况即装配及爆发工况。对于每个工况,定义轴瓦与连杆大头的过盈接触、衬套与连杆小头的过盈接触、螺栓与连杆盖的接触、连杆杆身与连杆盖的接触,摩擦因数设置为0.2。计算参数见表1,三种工况的载荷和边界条件如图7所示。

表1 计算参数

7 分析结果

7.1 整体非线性应力

在分析中不关注螺栓自身的应力,因此只显示连杆、衬套、轴瓦的应力情况。三种工况下连杆整体非线性应力分布云图如图8所示。结果显示,装配工况最大等效应力为709.38 MPa,拉伸工况最大等效应力为726.92 MPa,压缩工况最大等效应力为802.97 MPa,每个工况下衬套与连杆小头接触位置、螺栓与连杆盖接触位置应力较大。

7.2 接触压力

对连杆结构强度分析需要关注各部分的接触性能,连杆杆身与连杆盖要求保持接触,存在接触压力,不分离,连杆杆身与轴瓦、连杆杆身与衬套之间要求接触良好,接触压力超过10MPa。三种工况连杆接触压力分布云图如图9所示,显示连杆各部分接触均满足要求。

7.3 轴瓦与衬套变形

拉伸工况下轴瓦和衬套的变形分别如图10、图11所示。根据变形云图,轴瓦和衬套的变形结果见表2。

表2 轴瓦与衬套变形结果 μm

7.4 疲劳安全因数

将三种工况结合起来计算疲劳安全因数,得到连杆疲劳安全因数分布云图,如图12所示。连杆的疲劳安全因数不低于1.41,满足设计要求。

8 设计方案优化

回到Simcenter 3D软件的计算机辅助设计建模环境,对连杆进行局部优化。Simcenter 3D软件计算机辅助设计功能实际上就是NX软件,NX软件具有同步建模技术,可以通过标注三维尺寸进行数值修改、外表面拓扑几何关系修改,对外表面进行移动、旋转、删除、复制等,对现有三维几何模型进行调整。修改后,回到Simcenter 3D软件仿真环境,可以直接更新网格,材料参数、载荷和约束边界条件、非线性分析参数设置均可保留,直接求解就可以获得新的分析结果。由此可见,Simcenter 3D软件是典型的计算机辅助设计、计算机辅助工程一体化仿真工具,特别适合对多种设计方案进行对比。

设计方案优化后,连杆疲劳安全因数分布云图如13所示。连杆的疲劳安全因数从优化前的1.41提高到优化后的1.52,满足设计要求。

9 结束语

计算机辅助工程技术的出现,为工程设计领域提供了一种强有力的计算工具。连杆的有限元计算从最初的平面连续模型发展到如今的复杂三维实体模型,预测性能和设计技术大幅改进,设计可靠性大大提高。笔者对汽车发动机连杆结构强度进行仿真分析,确认Simcenter 3D软件可以加快仿真进程,完全满足连杆的多设计方案验证需求。