摘要:本文利用ADAMS对S195柴油机的曲柄连杆机构零件的有限元分析做了初步的探索,提出利用ADAMS和ANSYS结合的方法对内燃机曲柄连杆机构的零件进行动力学有限元分析,并做了一些尝试性研究。
关键词:曲柄连杆机构 零件 有限元分析 初步探索
0.前言
内燃机曲柄连杆机构的设计几乎涉及到内燃机设计的每一个细节,是一个很大的课题,在交变的机构动力和热负荷的耦合场中对零件进行有限元分析难度非常大。在已有的曲柄连杆机构有限元分析文件中,大多使用结构静力学进行设计分析,在与温度场耦合时,也多是使用稳态的静力学和稳态的温度场进行耦合[3]。从本质上说,内燃机的设计还是基于静态分析的。
对曲柄连杆机构进行有限元分析,虽然困难很大,但利用有限元方法结合动力分析对内燃曲柄连杆机构进行设计分析,是今后内燃机设计的必然趋势。
1.机械动力学有限元分析的理论基础[1]
动力学分析要解决的问题主要有两点,一是寻求结构的固有频率和主振型,从而了解结构的振动特性,以便更好的利用或减少振动;二是分析结构的动力响应特性,以计算结构振动时的动力响应和位移的大小及其变化规律。
有限元法可以分析结构振动问题以及动态响应问题,即在动载荷下物体的应力、应变问题。动力学问题的有限元分析同结构静力学问题一样,要把物体离散为有限个数的单元体,不过此时定义单元属性时,还必须考虑单元的惯性力和阻尼力等因素。其中,是材料的密度;是线性阻尼系数。
在动力学分析中有,,(为形状函数矩阵,为节点位移矩阵,为应变矩阵,为弹性矩阵)。只有网格划分合理,有足够的节点位移,式才是位移函数的近似表达式。单元刚度矩阵,质量矩阵及阻尼矩阵分别为:
(1)
一般来说,阻尼系数与频率有关,常采用近似的瑞雷阻尼表示:。于是在不考虑体积力时,整个结构的动力方程为:
(2)
式中:为单元节点力,当,可得自由振动时的无阻尼动力方程:
(3)
当存在结构系统的动力响应时,主要是解系统的动力方程式,以求得系统产生的位移、速度和加速度值,并进而求出结构应力。方程如下:
(4)
目前用有限元方法求解结构动力响应的方法一般有两种,即:振型叠加法和逐步积分法:
振型叠加法的基本思路是:首先对问题进行模态分析得到其固有频率和主振型;然后,将问题的位移响应看成所得主振型的线性叠加带入振动方程,利用主振型的特点将问题变换成求解一组独立的微分方程,每个自由度对应一个方程,最后求出每个方程的解(各阶响应),再将结构叠加在一起得到整个问题的解;
逐步积分法的基本思想是把求解时间域[0,T]离散为n个步长为的时间段,且认为在每个时间段上位移、速度和加速度按线性规律变化,每个时间点处满足振动方程,依次从初始状态t=0时刻到终止状态t=T时刻逐步对方程进行数值积分,计算出各个时刻的位移响应,进而计算出速度、加速度、应变和应力响应。
2 S195柴油机机械负荷的初步探讨[2]
机械负荷导致内燃机失效的例子很多,为揭示机械负荷的原因和有效解决此类问题,利用有限元方法进行零件强度分析无疑是最好的途径。目前内燃机设计中利用的有限元方法基本上是基于静力学的,其主要原因是因为无法估计内燃机工作过程中各联接轴处力的分布和变化情况。
笔者通过查阅大量内燃机设计资料和了解部分辅助设计的软件后,采用动力学分析软件ADAMS与有限元分析软件ANSYS相结合,本文主要以连杆体为例,对机构零件进行动力学有限元分析探索。
在ANSYS环境下对零件进行模态分析时,可生成ADAMS使用的柔性体模态中性文件(即.mnf文件),在ADAMS中建立多柔体模型。对多柔体模型仿真分析,可得到机构中零件的变形及连接节点上动力随时间的变化,生成载荷文件。ANSYS可直接调用此文件生成有限元分析需要的边界条件,以进行应力、应变以及疲劳寿命的评估分析和研究,这样可进行基于动力学仿真的应力应变有限元分析,提高计算精度。
要在ADAMS刚体模型中引入柔性体,必需利用ANSYS生成ADAMS/Flex模块需要的模态中性(即.mnf文件),这需要在ANSYS环境对连杆进行模态分析,这一过程并不复杂,但是要导入ADAMS中进行动力学分析,必须定义外部结点(用于定义连接),因连杆大头和小头是中心孔,需要在ANSYS中在孔中心处生成用于连接的节点(Node),并定义该处节点与周围刚性连接,然后约束连杆大头的所有自由度和连杆小头的Y和Z方向的移动自由度以及绕X轴和Y轴的旋转自由对,进行模态分析,以生成模态中性文件。需要注意的是ANSYS和ADAMS中坐标系方向应该是同一的,否则要采用人工的方法对约束方程进行转化,在不考虑连杆轴套和轴瓦前提下,连杆模态分析结果如图1:
a) 一阶固有频率 4452.7 b) 二阶固有频率 6841.0
a) First rank natural frequency b) Second rank natural frequency