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連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的重要零部件，將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使作用在活塞上的燃?xì)饬鬟f給曲軸來(lái)對(duì)外輸出。其運(yùn)行工況相當(dāng)復(fù)雜整體承受著壓縮、拉伸和彎曲等交變載荷。一旦連桿發(fā)生斷裂失效，將使整機(jī)受到嚴(yán)重破壞。因此進(jìn)行有限元分析強(qiáng)度校核和安全系數(shù)的計(jì)算已成為連桿設(shè)計(jì)中必不可少的步驟。在連桿的靜力學(xué)計(jì)算中，大多通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算幾個(gè)危險(xiǎn)工況下連桿所承受載荷。這里通過建立連桿和缸套的剛?cè)狁詈夏Ｐ停紤]了油膜潤(rùn)滑條件，獲取作用在連桿上一個(gè)周期內(nèi)的循環(huán)載荷。恢復(fù)連桿在多體動(dòng)力學(xué)。計(jì)算中所忽略的特征，建立三維多體裝配模型來(lái)模擬位移邊界條件，用接觸對(duì)來(lái)模擬零件間的連接關(guān)系來(lái)傳遞力和力矩，將多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算所得的邊界條件加載于連桿上，計(jì)算得到與實(shí)際較為吻合的應(yīng)力分布規(guī)律和變形趨勢(shì)，根據(jù)應(yīng)力求出幾個(gè)危險(xiǎn)截面安全系數(shù)來(lái)判斷該設(shè)計(jì)的合理性。該研究方法提高了連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了理論依據(jù)，達(dá)到了分析的目的。
多體動(dòng)力學(xué)仿真是指對(duì)通過一定方式相聯(lián)接的多個(gè)物體(包括剛體彈性體、柔性體、質(zhì)點(diǎn)等)構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確地分析求解的過程。連桿在多體動(dòng)力學(xué)仿真中是主要計(jì)算的對(duì)象，其為復(fù)雜的彈性連續(xù)體，它的彈性特征對(duì)整個(gè)多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算影響比較大。本文是通過有限元子結(jié)構(gòu)縮減得到連桿的柔性體模型的。通過UG進(jìn)行連桿三維實(shí)體模型的建模，忽略小頭油孔特征。利用HYPERMESH對(duì)連桿進(jìn)行網(wǎng)格劃分、RBE2約束及材料屬性的賦予等前處理，連桿體模型采用四面體8節(jié)點(diǎn)單元;襯套和軸瓦采用六面體8節(jié)點(diǎn)單元，在軸線方向上均勻生成7個(gè)節(jié)點(diǎn)，小頭在圓周方向上生成60個(gè)節(jié)點(diǎn)，大頭在圓周方向上生成80個(gè)節(jié)點(diǎn)，并應(yīng)用RBE2單元對(duì)連桿的小頭建立MPC約束。
為了計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中連桿各節(jié)點(diǎn)的載荷，需要建立連桿機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ汀７治瞿Ｐ桶ǜ滋住⑶N、活塞銷、連桿整體模型和連桿軸承。其中，曲柄銷和活塞銷模型均采用五個(gè)質(zhì)量點(diǎn)代替；缸套用剛體代替；連桿軸承采用ehd2類型的軸承模型，該模型充分考慮了非線性油膜特性、軸承幾何形狀、軸瓦變形和機(jī)油填充率等對(duì)軸承性能的影響。該連桿的EXCITE動(dòng)力學(xué)模型如圖所示。基于某發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下缸壓測(cè)試數(shù)據(jù)，選取轉(zhuǎn)速1000r/min，2000r/min，3000r/min，4000r/min四個(gè)轉(zhuǎn)速，缸壓曲線如圖所示：最大爆發(fā)壓力發(fā)生在4000r/min，最大接近16MPa。在AVL-EXCITE軟件中將機(jī)油類型，缸內(nèi)壓力曲線和供油壓力等數(shù)據(jù)輸入后進(jìn)行計(jì)算。仿真一個(gè)工作循環(huán)，仿真步數(shù)720步，得到連桿小頭的載荷曲線如圖所示。
有限元計(jì)算模型包括活塞、連桿體、連桿蓋、活塞銷、襯套、軸瓦、螺栓、曲軸。由于分析對(duì)象為連桿體與連桿蓋，建模時(shí)除連桿體與連桿蓋，其它部件做必要的簡(jiǎn)化。選取最大拉伸、最大壓縮、裝配三個(gè)工況進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。運(yùn)用ABAQUS前處理模塊對(duì)各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)于形狀較簡(jiǎn)單的活塞銷、曲柄銷采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。其他的零件皆采用一階四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。由于連桿在小頭與桿身過渡處、大頭與桿身過渡處、小頭油孔和大頭凸臺(tái)存在應(yīng)力集中，此處采用較精細(xì)的網(wǎng)格來(lái)提高網(wǎng)格質(zhì)量，使計(jì)算結(jié)果更趨精確。為加快收斂速度和降低對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求，其他部件則采用相對(duì)較大的網(wǎng)格來(lái)劃分。建立接觸對(duì)如表所示。連桿組件只受連桿螺栓預(yù)緊力、襯套過盈裝配預(yù)緊力、軸瓦過盈裝配預(yù)緊力，觀察在非工作狀態(tài)下連桿大小頭的變形模式。經(jīng)過計(jì)算得到螺栓的預(yù)緊力F=41602N。連桿小頭直徑為a，上偏差為+0.01mm，下偏差為-0.01mm；連桿小頭襯套直徑為a，上偏差為0.062mm，下偏差為0.046mm。計(jì)算并取平均值可得連桿小頭徑向過盈量為0.054mm。計(jì)算并取平均值可得軸瓦徑向過盈量為0.0956mm。邊界約束與載荷的施加裝配工況過盈量通過計(jì)算得到，從多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果提取最大拉壓載荷。在活塞頂面建立MPC，通過MPC約束，將一個(gè)點(diǎn)上的受力傳遞給活塞頂面的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，由活塞與活塞銷、活塞銷與連桿小頭的接觸將力傳遞給連桿小頭，從而引起連桿體的應(yīng)力和形變。這種加載方法有助于載荷的施加，并且與連桿受力的真實(shí)情況相近。計(jì)算模型的剛體位移約束采用如下方法：連桿大頭孔通過軸瓦與曲軸連接，曲軸兩端面采用全約束；對(duì)活塞銷斷面一節(jié)點(diǎn)施加點(diǎn)對(duì)地的z方向上的彈性約束來(lái)進(jìn)行位移協(xié)調(diào)。
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