第3章多载荷条件静力学实例精讲—发动机连杆分析.

第3章多载荷条件静力学实例精讲—发动机连杆分析本章内容简介本实例以汽车发动机连杆部件为研究对象，在建立有限元模型和定义边界约束条件的基础上，依次创建了最大拉伸状态、最大压缩状态及施加螺栓预紧力、过盈装配共4个子工况的仿真模型，利用NXNastran提供的线弹性静力学解算器，通过解算后既可以对每个子工况条件的解算结果进行分析，还可以对子工况进行任意组合，可以快速解算出各个组合载荷工况条件下的结果，为比较和分析各个子工况及其组合工况对发动机连杆力学性能影响规律的研究提供了便利。本章节主要内容:基础知识问题描述问题分析操作步骤本节小结3.1基础知识结构线性静力学分析是产品/零件结构分析最为基础的部分，主要用于解算线性和某些非线性（例如缝隙和接触单元）结构的问题，用于计算结构或者零部件中由于静态或者稳态载荷而引起的位移、应变、应力和各种作用力，这些载荷可以是外部作用力和压力、稳态惯性力（重力和离心力）、强制（非零）位移、温度（热应变）。UGNX高级仿真支持的线性静力学分析的解算器主要有：（1）NXNastran-SOL101LinearStatics–GlobalConstraints，全局约束：该解算类型可以创建具有唯一载荷的子工况，但是每个子工况均使用相同的约束条件（包括接触条件）。（2）NXNastran-SOL101LinearStatics–SubcaseConstraints，多个约束：该解算类型可以创建多个子工况，每个子工况既包含唯一的载荷又包含唯一的约束，设置不同子工况参数并提交解算作业时，解算器将在一次运行中求解每个子工况。（3）NXNastran-SOL101SuperElements，主要用来求解超单元的线性静态分析。3.2问题描述如图所示为汽车发动机连杆部件及连杆曲轴系统的工作示意图。本例使用的连杆部件主要由连杆主体、连杆盖以及起连接作用的连接螺栓装配而成。汽车发动机连杆部件连杆曲轴系统的工作示意图工况条件本例中采用线弹性静力计算连杆的极限刚度与强度，并考察不同工作状态（不同工况）及装配工艺对连杆强度与刚度的影响，从而为连杆组设计和优化提供必要的依据。3.3问题分析本实例中主要研究连杆组的静强度与静刚度问题，由于连杆组是在一个平面内运动工作的，约束住连杆体的中间部位即可，其承受的极限载荷主要作用在连杆组的大头孔、小头孔的内壁。螺栓连接使用螺栓单元，建立在连杆体与大端的连接孔内，对其施加轴向预紧力。为简化分析，在小头孔，大头孔中使用局部圆柱坐标系，施加径向的载荷近似于余弦载荷。在本例中，给定内孔面压力载荷，来替代装配过盈量所仿真生成的过盈接触压力。选择相应子工况载荷的组合，利用组合功能快速查看组合工况下的求解结果。3.4操作步骤创建有限元模型的解算方案设置有限元模型基本参数划分有限元模型网格建立螺栓连接单元创建仿真模型创建载荷创建分析子工况求解后处理：分析四种载荷对连杆组产生的变形和应力影响（1）创建有限元模型的解算方案依次左键单击【开始】和【高级仿真】，在【仿真导航器】窗口分级树中，单击【ConnectingRod.prt】节点，新建FEM和仿真，进入创建有限元模型的环境。注意在【仿真导航器】窗口出现了相关数据节点，可以查看各个节点的含义。（2）设置有限元模型基本参数自定义材料创建物理属性网格属性定义1)自定义材料单击工具栏中的【材料属性】图标，弹出【指派材料（指定材料）】对话框；设置相关参数单击确定2)创建物理属性单击工具栏中的【物理属性】图标，弹出【物理属性表管理器】对话框单击【创建】选择材料单击【确定】3)网格属性定义单击工具栏中的【网格收集器（俗称为：网格属性定义）】图标，弹出【网格捕集器】对话框单击【确定】（3)划分有限元模型网格单击工具栏中的【3D四面体网格】图标，弹出【3D四面体网格】对话框；设置相关参数单击应用划分网格后示意图1）分析单元质量单击工具栏中的【单元质量】图标，弹出【单元质量】对话框：设置相关参数（4）建立螺栓连接单元单击【螺栓连接】命令，弹出【螺栓连接】定义窗口，依次操作如下；设置相关参数单击应用设置相关参数在【杆单元】的【单元属性】中的【类型】中选择【CBAR】，新建【网格收集器】、【物理属性】等操作，依次设置各个参数；1）设置螺栓单元的物理属性及网格属性设置相关参数网格属性物理属性创建新截面单击【前截面】右侧的【显示截面管理器】图标，弹出【梁截面管理器】对话框；2）设置螺栓单元截面属性设置相关参数单击确定（5）创建仿真模型在【仿真导航器】窗口分级树中右键单击【ch03_ConnectingRod_fem1.fem】节点，找到【显示仿真】选择【ch03_ConnectingRod_sim1.sim】模型，进入仿真模型操作环境。1）建立接触关系在工具栏中单击【仿真对象类型】图标，单击弹出的【面对面粘合】图标，弹出【面对面粘合】对话框；设置相关参数单击确定创建面对单击命令单击确定设置相关参数单击工具栏中【约束类型】中的【固定约束】命令，弹出【固定约束（Fixed）】对话框；2）施加边界约束固定约束施加示意图选取对象2019/12/20（6）创建载荷1）单击工具栏中的【载荷类型】图标右侧的小三角形符号，单击其中的【螺栓预紧力】图标；螺栓预紧力施加示意图单击确定设置相关参数2019/12/202）施加过盈接触压力单击工具栏中的【载荷类型】图标右侧的小三角形符号，单击其中的【压力】图标，弹出对话框；单击应用设置相关参数单击确定定义小端的压力定义大端的压力2019/12/203）施加最大压缩载荷单击工具栏中的【载荷类型】图标右侧的小三角形图标，单击其中的【力】图标，弹出对话框；单击应用设置相关参数单击确定定义小端的压力定义大端的压力2019/12/204）施加最大拉伸载荷单击工具栏中的【载荷类型】图标右侧的小三角形图标，单击其中的【力】图标，弹出对话框；单击应用设置相关参数单击确定定义小端的拉力定义大端的拉力（7）创建分析子工况1）创建螺栓预紧力分析子工况；在【仿真导航器】窗口的分级树中将【Subcase-StaticLoads(1)】节点名称修改为【Subcase-BoltPre-Load】，使其处于激活状态，加入将相应载荷，该工况用于模拟所施加的螺栓预紧力对连杆组工作时的作用效果。修改仿真导航器名称修改名称2）创建过盈接触应力分析子工况在【仿真导航器】窗口分级树中单击【Solution1】节点，右键单击弹出的【新建子工况】命令，弹出【创建解算方案步骤或子工况】，将【解算方案】的【名称】中修改为【Subcase-ContactForce】，其他参数和选项均为默认，加入相应载荷；修改名称单击确定3）创建最大压缩力子工况参照上面的操作方法，创建【Subcase-MaxCompressionPressure】节点，并且它处于当前激活状态（节点显示为蓝颜色），加入相应的载荷；修改名称单击确定4）创建最大拉伸力子工况参照上面的操作方法，创建【Subcase-MaxTensileForce】节点，并且它处于当前激活状态（节点显示为蓝颜色），加入相应的载荷；修改名称单击确定仿真导航器工况及载荷新增节点（8）求解在仿真导航器窗口的分级树中，单击【Solution1】节点，新建求解对话框，设置相关参数，返回求解对话框。单击【求解】对话框【确定】按钮，等完成分析作业后，关闭各个信息窗口，双击出现的【结果】节点，即可进入后处理分析环境；后处理导航器新增节点1）在【后处理导航器】窗口分级树中，单击【Subcase-BoltPre-Load】，查看位移【幅值】云图及VonMises应力云图。双击节点（9）后处理：分析四种载荷对连杆组产生的变形和应力影响双击节点选择【编辑后处理视图】命令，可以对后处理中的【显示】、【图例】、【文本】等内容进行相关参数设置；单击【编辑后处理视图】命令，弹出相应的对话框；选取不同的项目编辑相应的结果2）编辑后处理视图平滑绘图编辑通过勾选【单元】子节点前面方框内的【对号】，显示和查看所关心单元的结果，可以通过勾选【注释】命令中的【Minimum】和【Maximum】在窗口中显示计算结果的最大值和最小值；也可以通过单击窗口命令中的【新建注释】来查看。勾选方框3）查看连杆组变形和应力的最大值与最小值云图注释对话框按照上面所述的方法，得到【Subcase-BoltPre-Load】工况下连杆组在受螺栓预紧力作用下的变形及VonMises情况，并得到其最大值与最小值；变形云图4）螺栓预紧力作用下的变形及VonMises云图应力云图5）过盈接触压力作用下的变形及VonMises云图按照上面所述的方法，得到【Subcase-ContactForce】工况下连杆组在受过盈接触压力作用下的变形及VonMises情况，并得到其最大值与最小值变形云图应力云图6）受最大压缩力作用下的变形及VonMises云图按照上面所述的方法，得到【Subcase–MaxCompressionPressure】工况下连杆组在受最大压缩力作用下的变形及VonMises情况，并得到其最大值与最小值变形云图应力云图7）受最大拉伸力作用下的变形及VonMises云图按照上面所述的方法，得到【Subcase–MaxTensileForce】工况下连杆组在受最大拉伸力作用下的变形及VonMises情况，并得到其最大值与最小值变形云图应力云图8）其他查看分析结果操作通过在窗口菜单上选择【标识结果】命令来查看自己关心部位的分析结果，也可以在窗口菜单上选择【播放】图标，通过播放动画的形式来查看模型变形及应力变化的情况，具体请参见随书光盘中的操作演示。单击工具栏中的【返回仿真】命令，退出【后处理】显示模式，完成该次计算结果的数据查看、评判和记录等操作。（10）后处理：分析各载荷工况组合对连杆组产生的变形和应力效果1）在【仿真导航器】窗口分级树中，单击【结果】节点，右键单击弹出的【组合载荷工况】命令，弹出【载荷工况复合】对话框；设置相关参数单击确定2)建立【组合载荷工况2】按照上面所述的方法，建立【组合载荷工况2】;设置相关参数单击确定3)查看组合载荷Combination1的计算结果双击【结果】查看【Combination1】组合载荷的计算结果，得到连杆组在承受螺栓预紧力、过盈接触力与最大压缩力综合作用下的变形与应力情况载荷组合1连杆组的变形情况载荷组合1连杆组的应力情况4)查看组合载荷Combination2的计算结果双击【结果】查看【Combination2】组合载荷的计算结果，得到连杆组在承受螺栓预紧力、过盈接触力与最大压缩力综合作用下的变形与应力情况载荷组合1连杆组的变形情况载荷组合1连杆组的应力情况5)返回到模型,退出【后处理】显示模式单击工具栏中的【返回到模型】命令，退出【后处理】显示模式，完成此次计算和初步分析的操作。上述实例模型源文件和相应输出结果请参考随书光盘Book_CD\Part\Part_CAE_finish\Ch03_ConnectingRod文件夹中相关文件，操作过程的演示请参考影像文件Book_CD\AVI\Ch03_ConnectingRod_AVI。3.5本章小结本实例以连杆组装配部件为研究对象，在建立有限元模型和定义边界约束条件的基础上，依次创建了螺栓预紧力、过盈接触压力、最大压缩力、最大拉伸力共4个子工况的仿真模型，利用NXNastran提供的线性静力学解算器，通过解算后既可以对每个子工况条件的解算结果进行分析，并对子工况进行任意组合，可以快速解算出各个组合载荷工况条件下的结果。本实例直接给出了过盈接触应力，有关过盈配合的实际问题也可以参考本书第6章中介绍的过盈配合方法进行处理。