EXCITE中连杆偏磨的分析实例
2010-07-12 22:29:32 作者：□ 三一重工股份有限公司 杨平 汤玉平 方传青 来源：智造网—助力中国制造业创新—idnovo.com.cn
l 连杆作为发动机曲柄连杆机构中的重要组成部分，在工作过程中承受着多种复杂载荷的作用力，所以要保证发动机工作的可靠性，必须保证连杆强度和刚度方面的要求。EXCITE作为发动机领域专业的动力学仿真软件，通过对 系统的建模，能够较好地快速反映出各部件的工作情况，为解决实际故障和指导
设计
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提供较好的帮助。
近十年来，内燃机发展最突出的是寿命大幅度提高，高寿命是内燃机技术发展的总和。内燃机中的核心机构，莫过于其曲柄连杆机构，在该机构中连杆的作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞组上的燃气压力传给曲轴。所以，连杆除上下运动外，还左右摆动作复杂的平面运动。连杆工作时，主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷，要求它应有足够的疲劳强度和结构刚度。
一、EXCITE软件介绍
奥地利AVL李斯特公司是全球规模最大的从事内燃机设计开发、动力总成研究分析以及有关测试系统和设备开发制造的完全独立的公司。其先进模拟技术部门(AST)致力于动力总成及汽车的CAE分析软件的开发和应用，遵循现代软件的专业开发
流程
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，通过研发、测试和客户联合研究，反复认证所有软件，从而使软件达到了严格的质量要求，成为发动机性能评估、改进或全新设计等
工程
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项目中最为重要的工具之一。
EXCITE作为AVL中的一个重要模块，在曲轴动力学求解方面，通过压缩的结构化模型，能够在仿真过程中具有更高的运算效率、较低的工作量和硬件要求。通过计算发动机非线性多体动力学，求得零部件动力学响应：位移、速度、加速度，及相互作用力和力矩。最后通过仿真获得各种所需的分析结果前提下，基于有限元模型的应力恢复，能够获得不同转角位置处部件的应力，通过对比分析来获得其安全系数，是否具有应力集中现象，为解决实际问题，提供帮助。
二、实例分析
1.问题描述
某摩托车一款发动机，在高速7500rpm运行一段时间后，连杆大头会出现偏磨现象，且油槽处也有一定的磨损。具体位置如图1所示。
2.模型和载荷
由于连杆为对称模型，所以采用四分之一部分来建立完全对称的有限元模型，如图2所示。为便于分析油槽处应力情况，所以在建模时保留其完整性，且在压缩节点时，按照每排一个来进行。通过实验实测发动机在7500rpm时的缸压(见图3)，并在EXCITE分析中加载其缸压载荷，对连杆进行强度分析，连杆材料为20CrMo。
3.EXCITE建模分析步骤
1)由于只需要分析连杆的磨损情况，所以仅建立连杆的有限元模型，采用专业有限元前处理软件如：patran/nastrn， 产生模型文本文件*.bdf，并设定其主自由度，设定关心的结构模态和频率，外载频率和响应频率成分，决定缩减的模态数量，通过有限元计算获得其刚度和质量矩阵。
2)设定好发动机的的相关参数，如转速、缸数、缸径、行程和连杆长等，并设定这个系统中曲轴的旋转轴和活塞运动的轴向，如图4所示。
3)指定载荷的加载情况。由于缸压作用在活塞顶部，在整个系统简化的模型中等价于将缸压施加在连杆小头，如图5 所示，缸压大小如图3所示。
4)定义单元连接。根据几何连接关系，定义好各单元之间的连接关系，保证节点与节点连接关系正确，并指定其刚度和质量矩阵位置，三维几何连接关系如图6所示。
5)在EXCITE中创建模型，并进行仿真，输出计算结果。通过设定系统参数、连接关系后，先进行模型的创建。创建成功后，再设定仿真的周期，仿真步长等参数。最后输出关注的结果文件，并通过后处理模块，对结果进行分析。
EXCITE中连杆分析模型如图7所示。当发动机在7500rpm、最大缸压为5.64MPa时，对一个循环工况进行加载(开始第一个行程为作功行程)，得到曲轴在转角位10°时， 连杆所对应的最大应力结果，如图8所示。
三、结果分析
通过分析发动机在一个循环里的做功，可以发现：在最大气缸爆发压力时，连杆此时应力最大，且最大应力出现在连杆小头附近，最大应力为112MPa，远小于其屈服应力，所以连杆的强度满足要求。但是连杆大头位置处出现应力集中现象，如图9所示，此位置正与实际偏磨相符。并且连杆大头油槽处，在曲轴转过15°和转过80°时有明显的应力集中现象发生，如图10所示。
在所有条件都为对称分布和加载的情况下，连杆在运行过程中会出现横向弯曲现象，且横向比侧向弯曲要大，从而导致偏磨现象的出现。判断主要原因是由于连杆的横向刚度不够引起的。
1.改进措施
通过上面对发动机做功过程的动力学分析，可以发现计算现象与实际情况基本相符，且判断主要是由于连杆的刚度不足引起，现对连杆做些修改，提高其刚度，具体模型的对比如图11和图12所示。
2.刚度计算
约束连杆大头内圈所有节点自由度，在小头分别加载横向和侧向单位力来考察其两个方向的刚度情况，具体如图13所示，结果如
表
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所示。
3.改进结果
1)改进后的连杆刚度大大提高，尤其是在Y向。
2)侧磨位置、油槽处同样出现应力集中，但是应力值明显下降。
3)通过实验，无偏磨现象的发生。
四、结论
通过分析我们发现：连杆在做功的过程中，都会有一定程度的横向和侧向变形，只是由于连杆这两向的刚度不同，所以在分析结果中，才会出现某个方向的刚度不够，导致变形较大。所以在设计时，可以根据机型的要求，来设计连杆在两个方向的刚度，只要控制在一定的范围内，侧磨或弯曲的现象就可以得到控制。
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