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发动机连杆载荷与强度4632299永利皇宫网址_首页欢迎您

发布于:2022-11-22 19:55
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      发动机的核心运动部件主要包括曲轴、连杆和活塞等,这些零部件组成了典型的机械多体系统,其对发动机的动力学性能具有重要影响。在发动机运行过程中,这些零部件受到高温、高压和交变载荷的作用,其动力学响应、强度等问题一直是人们关注的问题。体积小、轻量化和高功率密度是现代车用发动机的发展趋势,其活塞连杆和曲轴等运动部件承受越来越高的热负荷和机械负荷,工作条件越来越苛刻。由曲轴、连杆和活塞等构成的多体系统包含了活塞的直线往复运动,曲轴的定轴转动和连杆的高速复合运动,加之高压、摩擦和惯性力与力矩的影响,使这一系统工作中的动力学特性和承受的载荷变化非常复杂,而准确地分析和预测不同工况下的动力学响应和载荷特性是发动机可靠性设计与结构优化的前提。对连杆通常分析5种机械载荷(工况),即衬套装配预紧力、轴瓦装配预紧力、连杆螺栓预紧力、最大拉伸载荷(最大惯性力工况)和最大压缩载荷(气体最高燃烧压力工况)。其中,前3种载荷可以采用有限元分析的接触算法进行静力学计算;而后2种载荷本质上是动态载荷问题,需要首先求解惯性力。曲轴、连杆和活塞构成了典型的柔性多体系统,其特点是系统在宏观大范围刚体运动的同时,还发生微观小量级的弹性变形。刚柔藕合作用既影响宏观动力学行为,也影响构件的交变应力,从而引发疲劳寿命问题。考虑完全刚柔藕合作用的多体系统动力学方程往往较难建立且不易解算。而从工程角度考虑,由于曲轴、连杆和活塞的刚度均较大,因此系统的宏观刚体运动对构件的弹性变形影响较大,而这也是决定构件强度的重要因素。
      本文提出了一种基于“惯性释放”和“载荷现象叠加”的方法,既实现了系统的多刚体动力学建模与仿真,又可完成任意时刻连杆动态载荷和应力场的快速计算。多刚体仿真的初始条件和边界条件为实测的气缸压力、负载和真实的几何模型数据,确保了仿真结果的正确性,得到做功行程内连杆的载徐时间历程,并进一步分析了惯性载荷对零部件应力场的影响。采用有限元法计算得到了连杆随时间变化的应力场,同时基于应力场对连杆进行了疲劳寿命预测。
      本文以479Q汽油机为例,建立关键部件的三维模型,为后续的多体动力学建模提供几何模型。
      采用有限元软件对479Q发动机曲轴、连杆等机构进行三维几何建模,为了节省分析时间且不影响分析精度,建模时需要省略一些不重要的环节。对连杆螺栓、曲轴等部件根据质量和转动惯量等效的原则进行了适当的简化,同时在建模时建立与约束副相对应的定位点,并以格式的文件导出。
      多刚体系统基本上将没有相对运动的零件或部件称为“体”,认为其具有3个平动和3个转动自由度,降低了自由度数目。尤其对于做平面运动的刚体,只有2个平动自由度和1个转动自由度。刚体由其几何特性参数(刚体的几何形状、铰接点、载荷作用位置、结果的输出点等)、材料特性参数(材料密度、摩擦系数)和质量特性参数(质量、质心和转动惯量)等来描述。刚体之间的铰链用来描述各刚体之间的相互连接关系,主要有滑移铰、转动铰、虎克铰、刚性铰、球铰、弹簧阻尼连接等。最终的控制方程基本采用拉格朗日方程或凯恩方程等。


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