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： 新能源1002 姓 名： 学 号： 指导教师： 潘剑锋
2014年 1月
前 言
随着生活水平的提高，人们为了出行方便，汽车的性能要求也越来越高。而提高发动机性能，一方面可以降低噪音，增强发动机效率；另一方面也可以节约能源，有利于环保。连杆作为发动机活塞运动的主要部件，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，连杆在工作过程中始终承受着剧烈的动载荷作用。这就对其性能有极高的要求。而连杆的强度与任性也是决定发动机性能的因素之一。
为了保证连杆的疲劳强度， 要求连杆的材料要具有良好的综合力学性能及工艺性能。以往连杆材料几乎普遍采用碳素调质钢和合金调质钢，20世纪70年代由于石油危机，为节省能源，欧美 和日本开始大量应用非调质钢，并取得很大的进展。
随着汽车工业制造技术的发展，对于汽车发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要，因此国内外各大汽车公司对发动机连杆用材料及制造技术的研究都非常 重视。
在满足性能指标的前提下， 连杆的材料和制造技术关联很大，非调质钢的应用就是考虑节省调质工序。近年来，采取裂解连杆体和连杆盖分界面技术可以大幅度地减少机械加工工序，由此开发了高强度低韧性的高碳非调质钢和粉末冶金锻件，以满足工艺的需要。
目 录
前 言 ..................................................................................................... 2 —设计任务— .................................................................................... 4 一、连杆概况 .................................................................................... 4
1、连杆结构特点 ...................................................................... 4 2、工作工作环境 ...................................................................... 5 3、连杆设计要求 ...................................................................... 5 二、三维建模 .................................................................................... 6
1、二维图纸 .............................................................................. 6 2、UG三维建模模型 ................................................................ 6 三、基于ANSYS对连杆有限元分析 ............................................. 7
1、材料性能参数确定： .......................................................... 7 2、导入连杆三维模型 .............................................................. 7 3、设置单元属性 ...................................................................... 7 4、网格划分 .............................................................................. 8 5、设置载荷和约束 .................................................................. 9 6、求解及结论分析 ................................................................ 10 1）位移变化图 ........................................................................ 10 2）应力应变结果图 ................................................................ 10 四、课程设计总结： ...................................................................... 12 五、参考文献 .................................................................................. 13
—设计任务—
设计任务1、分析连杆工作环境，性能要求以及材料等； 2、根据图纸进行三维实体建模； 3、对模型进行有限元分析； 4、根据有限元分析的结果进行强度分析。 一、连杆概况 1、连杆结构特点
连杆的作用是传递活塞与曲轴间的作用力,并将活塞的往复运动 转化为曲轴的旋转运动,连杆应保证足够的强度和刚度。
发动机连杆为模锻件，由连杆小头、杆身和连杆大头三部分组成。 连杆大头是分开的，一半为连杆盖，另一半与杆身为一体，通过连杆 螺栓连接起来。连杆大头孔内分别装有轴瓦。由于连杆体与连杆盖的 结合面是与大、小头孔中心连线倾斜，故称为斜剖式连杆。连杆小头 装有青铜衬套，通过活塞销与活塞连接。连杆大头是可分开式，内装 半圆形轴瓦，大头与曲轴连杆轴连。
（1）连杆小头 连杆小头与活塞销连接呈浮式结构，发动机工作时 活塞销与连杆小头可以相对自由转动，因此沿销的长度方向和圆周方 向的磨损比较均匀。为提高摩擦副的耐磨性，连杆小头内孔压入青铜 衬套。青铜衬套分为两段，分别从小头的两端压入。小头的顶上有一个集油孔，当曲轴旋转时，激溅起来的机油甩到活塞内腔的顶部，冷 却活塞后，落下一部分通过集油孔聚集并流入连杆的小头
内孔润滑活塞销。
（2）杆身 发动机为了在最小质量时最大的强度和刚度，连杆杆身 断面加工成“工”字形。
（3）连杆大头 连杆通过大头与曲轴上的连杆轴颈相连，连杆大头 为分形式，采用简单的平口结构形式。连杆大头轴承盖固定螺母为 自锁型螺母，其拧紧力为100~120N.M 2、工作工作环境
连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵 向和横向的惯性力。因此，连杆在一个复杂的应力状态下工作。它 既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。连杆的主要损坏形式是疲劳 断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三个高应力区 域。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能;又要 求具有足够的钢性和韧性。所以传统连杆加工工艺中其材料一般采 用45钢、40Cr或40MnB等调质钢，硬度更高。 3、连杆设计要求
连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷，因此， 在设计时应首先保证连杆具有在足够的疲劳强度和结构钢度。如果 强度不足，就会发生连杆螺栓、大头盖或杆身的断裂，造成严重事 故，同样，如果连杆组刚度不足，也会对曲柄连杆机构的工作带来 不好的影响。所以设计连杆的一个主要要求是在尽可能轻巧的结构 下保证足够的刚度和强度。为此，必须选用高强度的材料；合理的 结构形状和尺寸。
二、三维建模
1、二维图纸：对模型结构进行分析，了解每一部分所表达的形状。
2、UG三维建模模型
利用UG NX 7.0对连杆进行三维实体建模，最终结果如下所示
三、基于ANSYS对连杆有限元分析 1、材料性能参数确定： ——选用材料：40Cr ——弹性模量：2.11E+11 ——泊松比：0.277 2、导入连杆三维模型
在ANSYS中选择导入LIANGAN.prt图片，命令如下Utility Menu ：File >Import >NX 效果图如下
3、设置单元属性 单元类型：
材料属性：
4、网格划分
点击Meshing子菜单中的MeshTool，在弹出的对话框中，再点击Mesh, 然后选中之前导入的模型，点OK，创建网格完成，效果如图
5、设置载荷和约束
载荷设置：点出Solution的下拉菜单：
DefineLoads——Apply——Structural——Pressure——On Areas,选中 小孔内圆朝内的一半，点OK,在弹出的对话框内填写1000，点OK。 约束设置：点出Solution的下拉菜单：Define Loads——Apply—— Structural——Displacement——On Areas，选中大孔内圆，点OK， 在弹出的对话框中选中ALL DOF,点OK。 设置结果如
6、求解及结论分析 1）位移变化图
从位移图可看出，当小头受到力的作用的时候，会产生变形，距离施 加力位置近的变形严重，而在大头位置距离较远，受到的影响较小， 变形不明显。 2）应力应变结果图
由于几何形状对称性，受力对称，故应力图呈对称分布。杆身中部 应力大于两个圆头，小圆头外侧与连杆圆角过渡处（红色部分）应 力集中。
由图可知，在红色区域为受力最大的位置，也是变形最严重的位置。 分析结论：
由应力应变及位移变化可知，当连杆在静止不动，小头施加力的 时候，会造成连杆变形，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，因为连杆是对称结构，力施 加在对称线上，所以其形变与应力应变也是对称的。这与实际情况是 相吻合的。但是，因为连杆正常的工作环境不可能静止不动，也不可 能只有小头受力，所以在实际的过程中,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模型 的建立、分析结果是客观的、较为真实地反映了汽车连杆的受力情况
四、课程设计总结：
为期两周的课程设计转眼间接近尾声，我感觉这是大学里收获最 大的一次课设，本次的设计题目是发动机部件的三维建模ANSYS软 件的有限元分析，我选的是连杆的分析。这一次的设计中真的算得 上是困难重重。
首先是三维模型的建立 ，由于并不熟悉UG的画法，所以每画一
个细节要重复很多遍，有的时候可能已经完成了大部分的建模，突然 发现下一步没办法处理了，往往我的选择就是删掉图形，重新开始， 就这样自己摸索着去完成连杆的三维建模，尽管可能最后的图形与实 际的有一点点出入，但是我相信我可以画的越来越好，同时也熟悉了 UG软件一些常用的功能，懂得了如何去使用它们。
其次是ANSYS软件的使用，这一项内容可谓是最困难的，这是 一个完全陌生的软件，不懂得它的工作原理，不懂得它的分析对象， 而且软件的所有菜单都是英文，每天从早到晚的在图书馆泡着，参阅 各种工具书，去熟悉软件的基本功能，熟悉实体模型的分析过程。至 始至终都是靠自己自学来完成。
这一次的课设，收获很大，熟悉了一些软件的使用，明白了什么 是有限元分析，如何利用ANSYS进行有限元分析，以及从分析结果 中获得改进措施。对于我们来说，这不再是一次简单的课设，同时也 是为了即将参加工作的我们提高能力的过程，为日后更好的工作打下 良好的基础。
五、参考文献
[1]郝宝林．发动机曲柄连杆机构建模与仿真[J]．哈尔滨工业大学学报，2006．6．
[2]杨连生．内燃机设计[M]．北京：中国农业机械出版社，1980．6． [3]任重．ANSYS使用分析教程．北京：北京大学出版社，2003． [4]王定标．CAD/CAE/CAM技术与应用．北京：化学工业出版社，2005........忽略此处.......
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