基于ANSYS有限元連桿襯套微動特性分析

來源: www.9494203.live 發布時間:2017-08-31 論文字數:38596字
論文編號: sb2017082121215216937 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是機械論文,本文將對連桿襯套與連桿小頭的接觸過程進行有限元仿真,分析連桿襯套在一個運動周期內的變化規律,并且探究過盈量、摩擦系數對襯套微動的影響規律。
1 緒論
 
1.1 微動的研究意義
微動發生在兩個相互接觸的表面之間,其振幅極其微小,單位為微米,發生的條件是兩個相互接觸的表面之間必須密切配合,而且處于不斷振動的環境[1]。發生微動現象以后,兩個相互接觸的表面之間會有摩擦磨損,引起部件之間相互咬合、嚙合,使部件的裂紋更早、更快的出現,部件的使用壽命更加減少。微動現象一般情況下會出現在存有機械振動、疲勞載荷、電磁振動、熱循環等交變載荷的環境中,部件發生相對運動[2-4],而且這種運動不容易察覺發現,也不易于測量。在微動摩擦學研究中,微動產生的機械材料損傷包括[5,6]:①微動磨損:相互接觸的機械部件承受局部的接觸載荷、固定的作用力,接觸面因受到外界振動從而發生極其微小的相對移動,接觸面間發生摩擦磨損,會致使機械部件的尺寸發生變化,致使相互接觸的機械部件發生咬合、損害部件傳遞的功率、增加噪聲,如圖 1.a 所示。②微動疲勞:機械部件收到來自外界交變載荷,機械部件的接觸面發生微小變形,接觸面產生疲勞損傷,從而會使機械部件的使用壽命大大降低,使部件的微動疲勞極限比正常疲勞極限小很多,危險性更大,極有可能發生惡劣的事故、甚至是事件,如圖 1.b所示。連桿襯套與連桿小頭之間是以過盈配合的方式進行聯接的,在實際生活中,輪軸間的配合也是一種比較典型的過盈配合方式。在火車上的車軸是機車上的比較關鍵的零部件,在運行中不斷受到交變載荷的作用,在與軸承配合的軸頸表面、輪座表面的部位上都會產生微動。微動損傷主要出現在輪座內表面的接觸邊緣,會造成氧化磨削、表面形貌的變化、表面或者亞表面發生塑性變形、甚至會產生微裂紋。有關部門曾經做過比較詳細的統計:在國內,因微動造成車軸失效損壞的數量達到損壞車軸的 70%以上,在國外,因微動造成的車軸破損的比例也很高,危及行車和駕駛員的安全。軸承和軸承座間的配合,在交變載荷的作用下有極大可能會產生微動、微動損傷。比如:在接觸面間的過盈量太小而不足時,接觸面處就會產生微動磨損,造成零部件上的應力集中,甚至會造成振動應力增大,零部件的表面疲勞裂紋不斷擴展,造成零部件斷裂。
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1.2 國內微動特性的研究現狀
相比較于國外的微動摩擦磨損的研究,國內起步較晚,但在許多知名學者和研究人員的努力下,在微動領域取得了顯著的成果。在 20 世紀,中國的國內研究學者就已經著手對微動現象進行了探究。1986 年,郭強,郭豐鎬[12]在特定的微動參數下,對聚酞亞胺等十二種未改性的工程塑料在干摩擦下與 GCr15 鋼球配對時的微動磨損特性進行了研究,對微動磨損的磨痕和磨屑形態進行了顯微觀察與探究,得到各種工程塑料微動磨損行為的特征,微動磨損的基本過程。李東紫、支福相對 5 號鋼及 C 鋁合金進行了研究,探究微動損傷機理及其對疲勞強度的影響,并證實微動損傷使機械材料的疲勞極限降低了 30%-55%左右。陳吉剛針對葉柵損壞事故得到了微動磨損和振動特性間的關聯。1993 年[13]高護生等針對接觸壓力對徽動疲勞強度的影響進行了研究,微動疲勞極限隨接觸壓力的增加而下降,當下降到一定程度時即保特不變。何明鑒從計算和實驗方面針對燕尾聯接的微動磨損疲勞進行了研究,通過計算方法對實驗結果進行了驗證,并用以預測表面磨損的程度和裂紋可能擴展的位置,并且特別指出接觸面間的摩擦系數對應力分布以及表面磨損程度影響明顯。燕平[14]對工業純銅和奧氏體不銹鋼的正交圓柱接觸進行測定,對正載荷、振動頻率及材料性能對微動摩擦接觸狀態的影響規律進行實驗研究,得到特定低振幅條件下,接觸面間存在相時靜止的區域。趙鎖宗等對車軸輪座與輪毅孔的過盈連接進行了實驗,得出在接觸應力和工作負荷的作用下,接觸面間會產生一定的工作應力,并隨有很小的滑動,且應力的分布極不均勻,徽動量、滑移區域與輪座的型式、輪剛度、法向力的大小等因素有關,微動磨損使構件的疲勞強度降低 30%-80%。在 20 世紀 90 年代西南交通大學的周仲榮教授[15,16]對微動磨損特性的研究取得更大的進步:微動磨損和微動疲勞 2 種主要的微動模式在實際工業最為普遍,主要探究了位移幅度、壓力和疲勞應力,以微動區域、微動圖為基礎,得到了微動磨損與微動疲勞的運行機制和破壞規律,并進一步探討了接觸磨損與局部疲勞、局部疲勞與整體疲勞之間的競爭機制,以微動運行機制和破壞特性的二類微動圖為基礎,介紹了運行工況微動圖的部分滑移區、混合區和滑移區,證明微動破壞與微動區域有密切關系,在改變微動區域、增加表面強度、利用潤滑、合理選擇材料及匹配等方面對減緩微動做出意見。
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2.彈性接觸理論及 ANSYS 接觸分析理論
 
2.1 連桿襯套簡介
進入 21 世紀以來,汽車行業飛速發展,快速、可靠等需求使發動機的生產更加嚴格、精密。作為發動機中主要的摩擦副之一的連桿襯套和連桿小頭的聯接質量更加凸顯重要。作為連接連桿小頭和活塞銷間的連桿襯套,作為主要的傳遞力和傳遞扭矩的部件,其機械性能、可靠性對發動機的運轉起到至關重要的作用,甚至已經提高到人們認為連桿襯套的使用壽命將會影響到整個發動機的使用壽命。柴油機在運轉工程中,連桿襯套向連桿小頭傳遞慣性力和活塞銷上的載荷,而且在周期內,載荷發生周期性變化,收到交變載荷的作用。連桿襯套與連桿小頭以過盈配合的方式聯接,與活塞銷間以間隙配合的方式聯接,并且部件間的配合隸屬于精密配合的范疇,在工作過程中,連桿襯套只能依靠細小的油孔和油槽來實現潤滑,且屬于飛濺潤滑,連桿襯套潤滑不能充分實現,并且在承受交變載荷、沖擊載荷和高溫的不斷相互沖擊影響,工作環境狀況惡劣不堪,在使用過程中容易被磨損、燒蝕和沖蝕,被損壞,影響襯套的性能,甚至使連桿襯套提前損壞而必須替換掉,這樣會造成很大的經濟損失,甚至會發生不可挽回的事故。鑒于連桿襯套的重要性,近來人們對連桿襯套的性能要求愈加嚴格,要求連桿襯套具備良好的耐磨性、高效的承載能力,較小的摩擦系,優良的抗粘、咬能力,大的彈性模量和結構剛度等[40]。目前在發動機市場上,連桿襯套大致可分為兩種類型:圓筒型、梯型,如圖 2.1、2.2 所示。在連桿襯套的生產加工過程中,圓筒型相較于梯形的襯套,其生產加工工藝更為簡單、便捷,而且在多數發動機中使用圓筒形的連桿襯套,相比較而言,梯形連桿襯套的使用范圍比較小,大多適用于增壓柴油發動機的使用。
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2.2 經典 Hertz 彈性接觸理論
微動摩擦磨損研究中的機械部件接觸分析可分為:靜止接觸狀態、完全滑移狀態、部分滑移狀態 3 種情況,連桿襯套和連桿小頭簡的接觸分析以接觸應力計算為基礎,但是接觸應力計算是基于赫茲接觸理論實現的,所以在本節中,將對靜止接觸狀態(Hertz彈性接觸理論)進行介紹。兩個彈性體間的接觸問題大致可以簡化為球面和球面的接觸、柱面和柱面的接觸。要想使用 Hertz 理論對接觸問題進行解答,需要滿足以下要求(對彈性體的接觸做出假設):①能夠使用微分幾何來表達分析兩接觸體的表面;②非共形的接觸;③接觸間的變形屬于小變形;④接觸面光滑無摩擦。有限元法也可以理解成離散化數值方法,單元與之間以節點的形式發生聯系,一切關于相互接觸機械部件間的力、位移等結果皆可基于節點進行計算。每個接觸單元應用恰當的插值函數,并設置一定的便捷條件,盡量滿足實際情況。最后將單元的方程羅列組合,進而求得機械部件的方程,通過求解方程就能取得所需求地的接觸部件的近似解。有限元法典型分析一般包括:結構離散化;選擇位移函數;分析單元力學特性的;計算等效節點載荷;局部坐標系與整體坐標間轉換;整體平衡方程及總剛度矩陣;計算節點位移及其他求解。
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3. 連桿襯套接觸有限元仿真
3.1 有限元模型的建立..............17
3.1.1 模型劃分網格及接觸類型的定義.............17
3.1.2 接觸單元的定義........18
3.2 模型受力分析...........19
3.3 有限元分析....25
3.4 本章小結.......29
4.連桿襯套微動特性研究
4.1 爆壓時刻連桿襯套的接觸壓力.....32
4.2 爆壓時刻連桿襯套的摩擦應力.....34
4.3 爆壓時刻連桿襯套的微動滑移.....35
4.4 爆壓時刻連桿襯套的微動幅值.....39
4.5 爆壓時刻連桿襯套的摩擦功.........41
4.6 連桿襯套微動特性的周期性變化............43
4.7 本章小結........46
5. 連桿襯套微動特性正交模擬試驗
5.1 正交試驗簡介...........48
5.2 正交試驗的設計.......49
5.3 試驗結果分析...........50
 
5.連桿襯套微動特性正交模擬試驗
 
在本章中,基于前文連桿襯套微動特性分析的基礎上,建立正交模擬試驗對連桿襯襯套的微動摩擦磨損進行分析,在第四章中已經對連桿襯套的微動滑移幅值、摩擦功的求取做了比較詳細的介紹,也發現在爆壓時刻襯套的微動滑移、摩擦功都最大,所以在本章中主要針對爆壓時刻的微動特性參數:最大微動滑移幅值、摩擦功進行探究。
 
5.1 正交試驗簡介
正交試驗法是研究多因素多水平的一種設計方法,它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗,這些有代表性的點,具備了“均勻分散,齊整可比”的特點,包括原理的探索、研究和方法應用。正交試驗是分析因式設計的主要方法,是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法。它利用一套規格化的表格(數學家們依據數理統計的觀點,根據正交性的原理,制作科學的、標準化的表格),即正交表來設計試驗方案和分析試驗結果,能夠在很多的試驗條件中,選出少數幾個代表性強的試驗條件,并通過這幾次試驗的數據,找到較好的生產條件,即最優的或較優方案。正交試驗中涉及的主要概念:指標、因素和水平。試驗結果也稱為需要指標參數(指標),又有定性指標和定量指標之分,定量指標使用常實數等直接標出,定性指標是以評定結果等級來定性的描述。試驗因素是在設計正交試驗之前必須要確定的對試驗結果可能造成影響的自變量,且每個試驗因素的狀態(因素水平)也需確定。正交試驗的第一步就是選擇合適的正交表,正交表是基于均衡分散,綜合數學理論在拉丁方和正交拉丁方而形成的,具有正交性(正交表中每個因數的水平出現的次數相同,且正交表中任意兩列的因素水平組合出的次數也相同)。在設定了因素個數和因素的水平后,依據試驗因素、因數水平選擇合適的正交表格,并優先選用較小的正交表格,本文中使用的是 3 因素 4 水平的正交表。正交試驗結果數據的處理通常使用兩種方法:直觀分析法,即極差分析法;方差分析法。經過正交試驗的分析,能夠得知:試驗因子極其交互作用的主次順序,分清主次;得到最優水平組合;得到試驗因子與指標參數的關系,即試驗因子對指標參數的影響規律;預測最優試驗因子組合試驗指標估計值。正交試驗的直觀分析法一般不考慮試驗因素的交互作用,利用極差法來實現對不同試驗因素的不同水平的分析,即將試驗指標參數的最大值減去最小值。極差分析可以實現以下功能:極差越大,表明該因子的水平變化對試驗結果有更重的影響,并以此來確定試驗因子的主次順序;確定優化方案;繪制趨勢圖;估計指標。采用極差分析方法得到優化方案后,不需要再做進一步的試驗,也就是說其試驗結果分析真實可靠。極差分析方法簡單直觀、計算量相對較少,但是不能對誤差的大小做出預估,也不能得出試驗因子極其交互的顯著性。如果是單指標正交試驗,能夠利用極差得到主要影響因素,并能夠得到最佳方案,但是在實際應用過程中,指標參數很多,這時就需要用到方差分析,得到各個試驗因素和因素交互的顯著性,做定量分析。
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結論
 
連桿襯套與連桿小頭間是以過盈配合的方式聯接,襯套與連桿小頭材料不同,連桿襯套和小頭的接觸面,在一樣的載荷作用下,發生的變形也不盡相同,接觸面間發生相互極其微小的錯動,是為微動。在本文中基于彈性接觸理論,使用 ANSYS 有限元分析軟件對襯套和連桿小頭間的接觸過程進行分析研究。對連桿襯套與小頭間的微動滑移和微動摩擦功等特性進行了比較深入放入探討,經過對計算數據的分析歸納,得到以下結論:
(一)在 ANSYS 軟件中建立活塞銷-襯套-連桿小頭的有限元分析模型,建立了兩個載荷步:第一個載荷部只考慮裝配預緊力,第二個載荷步考慮襯套的受力。在第一個載荷步分析中,對襯套的接觸壓力進行了分析研究,并分別設置襯套與小頭間的過盈量為0.06、0.07、0.08、0.09、0.10mm,并將有限元計算得到襯套的接觸壓力值與理論計算值進行比較,兩者誤差較小,證明模型可靠。第二個載荷步中,模擬受力,得到了當過盈量分別為 0.06、0.07、008、0.09、010mm 時連桿襯套在載荷作用下的等效應力,得到了襯套等效應力的分布規律,并且對不同過盈量下襯套的最大等效應力值進行了比較,得出襯套的等效應力值隨過盈量的增大而增大。
(二)在襯套上隨機選取了 5 個節點,分別探討了在不同過盈量時連桿襯套的接觸壓力、摩擦應力(對襯套的微動滑移、摩擦有直接關聯)的變化,得到:隨著過盈量的增加,襯套的接觸壓力和摩擦應力都有增大的趨勢,且摩擦系數越大,接觸壓力與摩擦應力也越大。
(三)在襯套與看連桿小頭的接觸表面上劃分了三條路徑(路徑距離襯套外表面的距離分別為 2.5mm、15mm、22.5mm),在每條路徑上分別均勻的選取了 24 個節點,對襯套在爆壓時刻的軸向和周向微動位移(建立局部柱坐標系,以便分析)進行了分析研究:襯套在上半部分外表面的所有節點的軸向微動幅值為正值,下半部分為負值(正值表示襯套的周向微動滑移方向與建立的局部坐標系的方向相同),襯套整個接觸面上的節點沿周向都是先減小后增大,在襯套上下承壓區位移較大,在襯套左右中心附近位移較小,在襯套下部分上的同軸線上節點的軸向微動滑移幅值從邊緣處向襯套內側逐漸減小,而上半部分上節點反而逐漸增大。襯套在底部承壓中心線和上部承壓區中心線上的切向微動位移幾乎為零,且切向位移均沿軸向邊緣處向襯套內側逐漸減小。
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參考文獻(略)

原文地址:http://www.9494203.live/jxlw/16937.html,如有轉載請標明出處,謝謝。

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