□ 冒小萍

上海聯(lián)宏創(chuàng)能信息科技有限公司 上海 200125

1 分析背景

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)往往比較依賴設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn),即使是創(chuàng)新,通常也不是從無(wú)到有,而是在前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,然后設(shè)計(jì)出新的產(chǎn)品,制造出物理樣品,進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果解決問(wèn)題,繼續(xù)優(yōu)化,再制造樣品,試驗(yàn)分析。如此重復(fù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化迭代拉長(zhǎng)了產(chǎn)品的上市周期,在人力和物力的投入方面也是巨大的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展,借助計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和虛擬驗(yàn)證已成為重要的手段。

在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,處于核心位置的機(jī)構(gòu)是曲軸連桿機(jī)構(gòu),發(fā)揮著能量轉(zhuǎn)換的作用。在高強(qiáng)度、高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)中,曲軸連桿機(jī)構(gòu)需要可靠的強(qiáng)度,否則極易導(dǎo)致事故。曲軸連桿機(jī)構(gòu)能夠?qū)⒁曰钊麨橹黧w的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為以曲軸為中心的運(yùn)動(dòng),同時(shí)將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍€運(yùn)動(dòng),由此,曲軸連桿機(jī)構(gòu)的工作環(huán)境十分惡劣。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),連桿通過(guò)活塞銷(xiāo)連接活塞,將作用在活塞上的力傳遞至曲軸。連桿在工作中面臨往復(fù)力和劇烈的交變動(dòng)載荷,長(zhǎng)期作用下,連桿表面易產(chǎn)生裂紋。

傳統(tǒng)的連桿設(shè)計(jì)以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),基于數(shù)學(xué)模型和力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算,很難模擬真實(shí)復(fù)雜的工況,難以獲得精確的強(qiáng)度結(jié)果。有限元法是目前計(jì)算機(jī)輔助工程軟件普遍采用的數(shù)值計(jì)算方法,可以對(duì)結(jié)構(gòu)形狀和受載方式均十分復(fù)雜的零件進(jìn)行分析,被廣泛運(yùn)用在工程中,對(duì)連桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核同樣可以起到重要的作用。

業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為,20世紀(jì)60年代初出現(xiàn)的有限元法是計(jì)算力學(xué)誕生的標(biāo)志。有限元法在傳統(tǒng)里茨法的基礎(chǔ)上,利用變分原理導(dǎo)出代數(shù)方程組求解。有限元法將連續(xù)介質(zhì)離散為有限個(gè)單元來(lái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,通過(guò)對(duì)連續(xù)體的離散化,在每個(gè)單元上建立岔子函數(shù),進(jìn)而建立整個(gè)求解區(qū)域上的函數(shù),利用節(jié)點(diǎn)位移求出應(yīng)力分量。

有限元法實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的計(jì)算模型、離散方法、數(shù)值求解、程序設(shè)計(jì)方法,能夠廣泛適用求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)問(wèn)題。目前,商業(yè)化的有限元程序軟件很多,已經(jīng)成為產(chǎn)品研發(fā)人員不可或缺的計(jì)算工具,Simcenter 3D軟件便是其中之一。筆者基于Simcenter 3D軟件,完成汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析,并對(duì)設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 計(jì)算機(jī)輔助工程仿真工程應(yīng)用概述

在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中引入計(jì)算機(jī)輔助工程仿真分析,通過(guò)建立與產(chǎn)品系統(tǒng)相一致的仿真模型,能夠從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)早期開(kāi)始對(duì)各種不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,進(jìn)而最大程度降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

開(kāi)展產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助工程仿真工程應(yīng)用的意義主要有兩方面。

第一,拓寬現(xiàn)有產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)思路,通過(guò)引入仿真驗(yàn)證,提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中增加仿真驗(yàn)證手段,除了可以顯著提高開(kāi)發(fā)效率,還可以有效改善設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的流程。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程如圖1所示,引入仿真分析的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程中,一般在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的方法檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題時(shí),對(duì)方案和算法進(jìn)行修改,然后重新進(jìn)行試驗(yàn)。

在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程中引入多學(xué)科仿真分析后,在進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)之前,可以通過(guò)仿真軟件建立完整的系統(tǒng)模型,對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行虛擬驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí),可以及時(shí)進(jìn)行改進(jìn),這樣能夠最大程度降低風(fēng)險(xiǎn),避免重復(fù)設(shè)計(jì)工作。

第二,能夠顯著提高開(kāi)發(fā)效率,降低設(shè)計(jì)和試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn),節(jié)省試驗(yàn)成本。

相比試驗(yàn)驗(yàn)證,仿真分析的一大優(yōu)勢(shì)在于靈活性好、效率高,并且不受時(shí)間地點(diǎn)的限制。通過(guò)建模仿真,在設(shè)計(jì)流程的早期階段就可以評(píng)價(jià)系統(tǒng)整體性能和精度,并對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的改進(jìn),能夠有效避免完全依賴于物理試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。由于在試驗(yàn)之前已對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行了虛擬驗(yàn)證和改進(jìn),因此還可以顯著減少試驗(yàn)次數(shù),降低試驗(yàn)成本。

3 計(jì)算機(jī)輔助工程連桿仿真分析意義

連桿是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要構(gòu)件和主要運(yùn)動(dòng)件,連桿的可靠性和壽命在很大程度上影響汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。對(duì)連桿進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),要求在保證足夠強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的前提下,盡可能實(shí)現(xiàn)質(zhì)量輕、體積小、形狀合理,并最大限度減緩過(guò)渡區(qū)的應(yīng)力集中。將計(jì)算機(jī)輔助工程應(yīng)用于連桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析,主要意義有三方面。

第一,獲取連桿設(shè)計(jì)的薄弱位置。

連桿在工作過(guò)程中承受的載荷比較復(fù)雜,包括拉伸力、爆發(fā)壓力,以及離心載荷、彎曲載荷等交變載荷,連桿極易發(fā)生疲勞損傷。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工程,可以模擬并分析連桿的失效原因和薄弱位置,通過(guò)應(yīng)力集中和局部強(qiáng)度、剛度分析結(jié)果,獲得連桿設(shè)計(jì)不合理的區(qū)域,對(duì)連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

第二,對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和比較,選擇最佳設(shè)計(jì)方案。

與物理試驗(yàn)相比,對(duì)連桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助工程仿真分析,可以方便比較多種設(shè)計(jì)方案。如今,很多計(jì)算機(jī)輔助工程軟件都擁有功能豐富的三維模型編輯修改功能,對(duì)連桿三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)更改后,可以很快回到計(jì)算機(jī)輔助工程仿真環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證,及時(shí)對(duì)比多種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣,選出最佳設(shè)計(jì)方案,整個(gè)分析比較過(guò)程具有高效、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、直觀的特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)輔助工程軟件除可以對(duì)連桿進(jìn)行單學(xué)科仿真外,還能夠進(jìn)行多學(xué)科耦合分析,如熱流固耦合分析等,進(jìn)而更加全面真實(shí)地再現(xiàn)連桿的工況。

第三,提煉連桿分析流程,形成企業(yè)知識(shí)庫(kù)。

借助計(jì)算機(jī)輔助工程,逐步建立企業(yè)的仿真流程和標(biāo)準(zhǔn),以及標(biāo)準(zhǔn)的連桿分析庫(kù),并且對(duì)常規(guī)結(jié)構(gòu)建立標(biāo)準(zhǔn)的分析流程,可以提高企業(yè)的整體研發(fā)能力。利用分析專家的專業(yè)知識(shí),在企業(yè)推廣計(jì)算機(jī)輔助工程仿真分析的全面應(yīng)用,可以為整個(gè)研發(fā)體系提供指導(dǎo),同時(shí)擴(kuò)展輻射應(yīng)用至整個(gè)企業(yè)。還可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)建立連桿的仿真向?qū)Я鞒?有利于實(shí)現(xiàn)分析的標(biāo)準(zhǔn)化和分析的流程固化。

4 Simcenter 3D軟件概述

Simcenter 3D軟件是西門(mén)子工業(yè)軟件公司開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)仿真一體化軟件,采用領(lǐng)先的前沿建模技術(shù)和先進(jìn)的仿真前后處理方法,結(jié)合業(yè)界NASTRAN、Samcef標(biāo)準(zhǔn)解算器,提供完全的適合連桿的仿真解決方案,使工程師在設(shè)計(jì)階段就能夠及時(shí)評(píng)估連桿的安全性、可靠性,為連桿優(yōu)化和設(shè)計(jì)方案的更改提供依據(jù)。在設(shè)計(jì)仿真一體化解決方案中,連桿參數(shù)化數(shù)據(jù)、仿真前處理數(shù)據(jù)都能夠得到重用,最大程度提升設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程一體化平臺(tái)高度集成在同一環(huán)境中,無(wú)數(shù)據(jù)交換之憂,所有分析過(guò)程基于同一軟件完成。軟件采用關(guān)聯(lián)文件管理分析數(shù)據(jù),保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。通過(guò)集成化協(xié)同式前后處理器,保持連桿三維模型數(shù)據(jù)與有限元模型之間的協(xié)同性,連桿的設(shè)計(jì)發(fā)生改變可以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)有限元模型的更新,而不需要重新導(dǎo)入模型和網(wǎng)格劃分,所有材料屬性、物理屬性不需要變更,從而快速計(jì)算得到分析結(jié)果。

5 連桿建模

對(duì)連桿桿身、連桿蓋、軸瓦、襯套、螺栓進(jìn)行建模,采用接觸法對(duì)連桿進(jìn)行有限元分析,得到連桿的應(yīng)力分布情況,并對(duì)優(yōu)化前后連桿設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真結(jié)果對(duì)比,解決連桿的可靠性問(wèn)題。在有限元分析中,接觸問(wèn)題是個(gè)難點(diǎn)。連桿運(yùn)動(dòng)時(shí),與軸瓦、襯套、活塞銷(xiāo)、曲軸等組成一個(gè)系統(tǒng),這些零件之間接觸面上的接觸力非常關(guān)鍵,如果接觸壓力不足,容易造成系統(tǒng)失效。為了準(zhǔn)確模擬實(shí)際工況,筆者采用Simcenter 3D軟件非線性分析,評(píng)估連桿蓋、軸瓦、襯套與連桿在不同工況下的接觸壓力,軸瓦、襯套的變形,以及連桿的高周疲勞安全因數(shù)。

Simcenter 3D軟件包含專業(yè)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)三維建模和模型簡(jiǎn)化處理功能,采用Simcenter 3D軟件完成連桿三維建模,如圖3所示。為了便于添加載荷,將軸瓦和襯套對(duì)稱分為兩部分,分割邊界如圖4所示。

連桿模型采用四面體結(jié)合六面體網(wǎng)格劃分,目的是提高網(wǎng)格精度和控制網(wǎng)格規(guī)模,有利于縮短求解時(shí)間。當(dāng)然,非線性分析求解時(shí)間在正常情況下要比線性分析求解時(shí)間長(zhǎng)。在模型邊上添加邊密度控制,在關(guān)鍵接觸面上采用二維種子網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格密度控制和三維網(wǎng)格劃分引導(dǎo)。連桿模型網(wǎng)格密度控制如圖5所示,網(wǎng)格劃分如圖6所示,整體網(wǎng)格大小為2 mm,局部采用1 mm網(wǎng)格單元。

連桿桿身、連桿蓋的材料為36MnVS4合金結(jié)構(gòu)鋼,彈性模量為207 GPa,泊松比為0.3,屈服強(qiáng)度為750 MPa,抗拉強(qiáng)度為950 MPa。軸瓦、襯套、螺栓的鋼材料,彈性模量為211 GPa,泊松比為0.277。

6 分析工況

對(duì)連桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí),主要載荷有襯套過(guò)盈接觸力、軸瓦裝配接觸力、螺栓預(yù)緊力、最大拉伸載荷、最大壓縮載荷。通常認(rèn)為,連桿在工作過(guò)程中最危險(xiǎn)的工況是最大拉伸工況和爆發(fā)壓力最大壓縮工況。筆者分析裝配工況、拉伸工況和壓縮工況,拉伸工況即裝配及往復(fù)慣性力工況,壓縮工況即裝配及爆發(fā)工況。對(duì)于每個(gè)工況,定義軸瓦與連桿大頭的過(guò)盈接觸、襯套與連桿小頭的過(guò)盈接觸、螺栓與連桿蓋的接觸、連桿桿身與連桿蓋的接觸,摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1,三種工況的載荷和邊界條件如圖7所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

7 分析結(jié)果

7.1 整體非線性應(yīng)力

在分析中不關(guān)注螺栓自身的應(yīng)力,因此只顯示連桿、襯套、軸瓦的應(yīng)力情況。三種工況下連桿整體非線性應(yīng)力分布云圖如圖8所示。結(jié)果顯示,裝配工況最大等效應(yīng)力為709.38 MPa,拉伸工況最大等效應(yīng)力為726.92 MPa,壓縮工況最大等效應(yīng)力為802.97 MPa,每個(gè)工況下襯套與連桿小頭接觸位置、螺栓與連桿蓋接觸位置應(yīng)力較大。

7.2 接觸壓力

對(duì)連桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析需要關(guān)注各部分的接觸性能,連桿桿身與連桿蓋要求保持接觸,存在接觸壓力,不分離,連桿桿身與軸瓦、連桿桿身與襯套之間要求接觸良好,接觸壓力超過(guò)10MPa。三種工況連桿接觸壓力分布云圖如圖9所示,顯示連桿各部分接觸均滿足要求。

7.3 軸瓦與襯套變形

拉伸工況下軸瓦和襯套的變形分別如圖10、圖11所示。根據(jù)變形云圖,軸瓦和襯套的變形結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 軸瓦與襯套變形結(jié)果 μm

7.4 疲勞安全因數(shù)

將三種工況結(jié)合起來(lái)計(jì)算疲勞安全因數(shù),得到連桿疲勞安全因數(shù)分布云圖,如圖12所示。連桿的疲勞安全因數(shù)不低于1.41,滿足設(shè)計(jì)要求。

8 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

回到Simcenter 3D軟件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建模環(huán)境,對(duì)連桿進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。Simcenter 3D軟件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)功能實(shí)際上就是NX軟件,NX軟件具有同步建模技術(shù),可以通過(guò)標(biāo)注三維尺寸進(jìn)行數(shù)值修改、外表面拓?fù)鋷缀侮P(guān)系修改,對(duì)外表面進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、刪除、復(fù)制等,對(duì)現(xiàn)有三維幾何模型進(jìn)行調(diào)整。修改后,回到Simcenter 3D軟件仿真環(huán)境,可以直接更新網(wǎng)格,材料參數(shù)、載荷和約束邊界條件、非線性分析參數(shù)設(shè)置均可保留,直接求解就可以獲得新的分析結(jié)果。由此可見(jiàn),Simcenter 3D軟件是典型的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程一體化仿真工具,特別適合對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比。

設(shè)計(jì)方案優(yōu)化后,連桿疲勞安全因數(shù)分布云圖如13所示。連桿的疲勞安全因數(shù)從優(yōu)化前的1.41提高到優(yōu)化后的1.52,滿足設(shè)計(jì)要求。

9 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的出現(xiàn),為工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了一種強(qiáng)有力的計(jì)算工具。連桿的有限元計(jì)算從最初的平面連續(xù)模型發(fā)展到如今的復(fù)雜三維實(shí)體模型,預(yù)測(cè)性能和設(shè)計(jì)技術(shù)大幅改進(jìn),設(shè)計(jì)可靠性大大提高。筆者對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析,確認(rèn)Simcenter 3D軟件可以加快仿真進(jìn)程,完全滿足連桿的多設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證需求。