本文利用三维计算机辅助设计软件Pro/E建立连杆的三维几何模型,并保存为IGES格式的文件。
在ANSYS Workbench集成环境下,通过reader模式将IGES格式的文件导入至Workbench中建立连杆的有限元模型,通过计算得出了该连杆的模态分布情况以及每一模态下的振型,分析计算结果并指出了连杆的薄弱环节。
2连杆有限元模型的建立对实体结构进行三维建模时,常采用以下方法:(1)在ANSYS或ANSYS Workbench中直接建模,适用于结构比较简单的模型。
(2)在三维CAD软件中建立三维模型,通过与分析软件的接口将模型导入,适用于较复杂的模型,但导入后模型容易出错,给下一步网格的划分带来困难,且修复模型需要浪费很多时间和精力。
(3)在三维CAD软件中建立三维模型,使用CAD接口以plug-in或reader模式读入到Workbench中,此法可以正确无误地导入三维模型,而且可以直接以AWE为平台直接对结构划分网格并进行相应的分析。
本文采用第三种方法,利用Pro/E建立连杆的三维几何模型,并保存为IGES格式的文件。通过reader模式导入至Workbench中。在对几何模型进行网格划分时采用Workbench中的默认选项,将连杆分为9275个单元、15253个节点,划分网格后的连杆有限元模型如所示。坐标系取沿连杆的长度方向为X轴,连杆大头圆孔的中心线方向为Y轴,Z轴由右手定则确定。
3连杆的有限元求解与结果分析连杆做平面运动,两端受到活塞销和曲柄销的限制。为此在两端孔轴线上定义圆柱坐标系,孔端上的点有绕轴转动的自由度,模态是由系统的固有特性决定的、与外载荷无关,故不需设置载荷边界条件。利用上面建立的三维有限元模型对EQ1141G空压机连杆进行动态特性分析,分析截止频率采用默认形式。截取了连杆的20阶模态。
由计算结果可以看出,该连杆的模态比较密集,在100~2000 Hz间有9阶模态。除了300~400 Hz、500~600 Hz、700~1000 Hz、1300~1400 Hz、1800~2500 Hz、2900~3400 Hz之外的每100频段内都有1阶模态,而在2000~4100 Hz之间的模态主要分布在3400~4100 Hz频段内,共有7阶模态,并且相邻两阶模态之间相差不是很大。车用压缩机处于变工况、变转速条件,连杆在工作过程中需承受活塞传递的气体力、往复运动质量的惯性力及自身摆动产生的惯性力、此外还有大小头轴承过盈产生的装配应力及螺栓的预紧力。惯性力变化与压缩机的转速有关,其频率通常是压缩机的驱动源――发动机基频的谐次,而气体力在某种程度上可以看作脉冲激励,其频率范围很宽。
可以看出,在1700 Hz以下的前8阶模态内,连杆的振动形式多样,集中表现为弯曲振动。第1阶、第2阶和第3阶分别为绕X轴、Z轴和Y轴的弯曲振动,并稍带扭转;第4阶为连杆小头的局部振动;第5阶和第6阶模态分别为绕Z轴和Y轴的1阶、2阶的弯曲振动;第7阶为连杆的弯扭复合振动;第8阶为绕Z轴的2阶、3阶的弯曲振动。在所有的整体振型下,连杆的大、小头圆孔都存在失圆现象。孔的失圆会使大头与曲轴连杆轴颈、小头与活塞销失去正常配合,导致常见的抱瓦、烧瓦、减磨材料疲劳脱落等一系列故障。连杆的弯曲振动会使活塞相对于气套、轴颈相对于轴承发生歪斜,产生附加应力,引起裂纹和损坏。
由振型图还可知,弯曲振动和弯扭复合振动时,连杆的结构形状变化大,而且有显著的节点位置。
第1阶、第2阶、第3阶弯曲振型的节点在连杆的中部,第5阶弯扭复合振型的节点位置与第6阶弯曲振型的节点位置基本相同,节点位置有2个,分别在连杆杆身与连杆小头结合部分和连杆杆身与大头结合部分;第7阶弯扭复合振动时节点在杆身中间,出现应力集中;第8阶弯曲振型的节点有2个,分别在连杆中部和接近小头的部位。所以,在对连杆进行设计时,不仅要考虑杆身与大、小头的连接部位应力集中的影响,更要考虑杆身的中间部位及连杆动态特性对其疲劳强度的影响。
4结论(1)连杆的动态特性分析是静态设计的补充和发展,是对连杆结构进行合理设计、提高其使用可靠性的重要手段。
(2)该连杆的模态密集,特别是第1、第2阶模态频率偏低,在工作过程中受到空压机激励的作用,比较容易引起共振响应,导致连杆某些部位动应力过大,应在设计改进中予以重视。
(3)连杆的应力集中一般在大、小头连接部位,但杆身的中部应力集中现象也较明显,因此应改变传统的设计观念,在设计时充分考虑连杆的中部。
(4)因弯曲振动易产生裂纹,所以在设计时应充分考虑,避免产生过多的弯曲振动,减少疲劳损伤,以提高连杆的使用寿命。
(5)用有限元法对连杆进行动态特性分析是行之有效的。