发动机重要零部件有限元分析_学士学位毕业论文.doc

江苏大学学士学位论文（说明书）目 录目 录.1摘 要3absract.4引 言5第一章 绪论61.1 课题提出的意义61.2 国内外研究现状与发展81.2.1 汽车发动机零部件有限元网格生成技术81.2.2 曲柄连杆机构有限元发展趋势101.2.3 有限元法的发展趋势111.3课题研究目标、研究内容111.3.1研究目标111.3.2研究内容12第二章 有限元分析、proe/e理论基础132.1 有限元法132.1.1有限元法的一般程序结构132.2 有限元方法理论152.3 pro/e软件简介162.3.1实体模型172.3.2单一数据库172.3.3以特征作为设计的单位172.3.4参数化设计17第三章 基于连杆，活塞特征的三维实体建模183.1 连杆183.1.1连杆的特点分析183.1.2连杆的建模思路183.1.3连杆三维模型的建立183.1.4技巧与提高193.2 活塞203.2.1 活塞的特点分析203.2.2 活塞的建模思路203.2.3 活塞三维模型的建立203.2.4 技巧与提高21第4章 零部件的静态有限元分析224.1 有限元分析软件的选择224.2 pro/mechanica简介244.2.1 pro/mechanica模块简介244.2.2 pro/mechanica的工作模式244.2.3 使用pro/mechanica的一般过程254.3 连杆的有限元分析264.3.1连杆有限元分析的内容264.3.2定义杂项264.3.3划分网格274.3.4连杆的约束条件及受力条件294.3.5 压缩工况下的应力分析294.3.6 拉伸工况下的应力分析324.4 活塞的有限元分析354.4.1 几何模型的简化354.4.2 定义杂项364.4.3 设置活塞的约束条件及载荷364.4.4 划分网格374.4.5 活塞的结构分析384.4.6 应力分析结果394.4.7 疲劳分析42结论与展望44致 谢46参考文献47发动机重要零部件有限元分析 专业班级：j机械0803 姓名：徐亚光 指导老师：王霄 职称：教授摘要 作为生产柴油机的领军行业，为了提升行业的生产竞争力，柴油机在设计上已经开展了计算机辅助工程的应用工作，本文研究的课题就来源于汽车实验室。本文进行了发动机重要零部件活塞，连杆的有限元。 本文在有限元分析方面提供了有限元分析的输入载荷。本论文主要完成了以下工作:(l)利用pro/e软件建立连杆，活塞的三维模型，进行模型简化，并在pro/e mechanica中划分网格，约束材料，连接等条件得到有限元模型，包括模型选择及简化、单元选择、网格划分、选择工况、确定边界条件及确定载荷和约束施加等;对连杆在压缩工况下的静态应力分析，得到了与实际情况相符的应力云图，变形云图以及等值线应力分布图等;对连杆在拉伸工况下的静态分析，同时得到了其应力云图与变形云图。(2) 对活塞进行静态有限元分析研究。通过分析活塞受力情况，使用pro/mechanic软件对活塞进行结构分析，得到其应力云图，等值线分布云图及其变形云图，并对寿命进行校核，分别得到了活塞的疲劳寿命云图和安全因素图。 本文用pro/e对连杆，活塞在静态工况下的极限位置进行了简单的分析，对今后发动机连杆，活塞的应力，疲劳计算有一定的参考价值。关键词： 连杆 活塞 静态分析 有限元分析 结构分析 finite element analysis of the important parts of the engineabstract leader in the industry as a production diesel engine, in order to enhance the competitiveness of the industrys production, the diesel engine design has been carried out computer-aided engineering applications, the subject of this study comes from the automotive laboratory. were important parts of the engine piston, connecting rod of finite element. in this paper, the finite element analysis, finite element analysis of the input load. in this thesis, completed the following work:(1) the establishment of the connecting rod, piston of three-dimensional model, using pro / e software for model simplification, finite element model and the conditions of the pro / e, the mechanica in the mesh, constraints, materials, connections, including model selection and simplification of unit select the mesh, select the operating mode, to determine the boundary conditions and to determine the loads and constraints imposed, etc.; rod in compression conditions of static stress analysis, have been consistent with the actual situation of stress cloud deformation cloud images and contour stress distribution, etc.; static analysis of the connecting rod in the stretch condition, while its stress cloud deformation cloud images.(2) static finite element analysis of the piston. by analyzing the piston force, using pro / the mechanic software for structural analysis of piston stress cloud contour contours, its deformation cloud images, and the life check, were obtained by the cloud images of the fatigue life and safety of the piston speak factor map. pro / e and the connecting rod, piston limit position of the static conditions, a simple analysis of future engine connecting rod and piston stress, fatigue, there is some reference value.keywords: link piston static analysis finite element analysis structural analysis引 言 计算机技术的发展推动了产品设计的多样化。企业只有不断保持产品创新，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。 cad/cam技术是实现创新的关键手段，而cae是实现创新设计的最主要技术保障。在计算机技术迅猛发展的今天，要求企业把产品设计与三维仿真及有限元分析系统有效的结合起来，以达到制造业高效、低成本、自动化的市场要求。 在柴油机的曲柄连杆机构中，连杆,活塞工作的可靠性问题一直是人们在柴油机研究和改进过程中关注的热点问题。在动力系统中，连杆是承受负荷最严重的零件之一，在高温高压的工作环境中，同时承受着活塞传来的气体压力、往复惯性力和它本身摆动时所产生的惯性力的作用，这些力的大小和方向周期性变化，很容易引起连杆的疲劳破坏。因而设计重量轻而且具有足够强度的连杆对现代柴油机设计有着举足轻重的作用。 以pro/e为设计工具、以pro/mechanica为分析平台，对柴油机连杆，活塞进行结构分析及其性能优化设计。在pro/e中，分析了连杆，活塞的结构特点，总结出连杆设计中的主要结构特征，将基于特征的建模技术应用于连杆有限元分析中，讨论了连杆建模方法，建立了连杆三维实体分析模型。 以pro/mechanica为分析平台，运用有限元分析方法，对柴油机连杆，活塞实际受力情况、边界条件和施加载荷进行研究。通过分析计算，确定了连杆的拉伸与压缩载荷最大应力与活塞的标准汽缸压力。其中，用结构(structure)分析工具对连杆优化参数进行灵敏度分析，在满足优化约束的条件下，对连杆的结构进行优化设计，从而有效地解决了在实际工况下由于应力集中导致连杆断裂破坏的这一主要问题。通过计算分析，分析活塞的应力和疲劳强度。将有限元技术与结构优化设计相结合，在连杆最大工作应力满足许用应力的条件下，优化连杆结构参数，达到目标函数一质量最小。结果表明设计较精确，能满足柴油机连杆的实际工况要求。第一章 绪论1.1 课题提出的意义 随着时代的发展，现代的发动机无论是结构还是性能，都较以往有了很大的飞跃。科技进步不仅推动了发动机行业的发展，还同时对它提出了更加严格的要求。现代发动机的强化指标逐渐提高，燃烧的高效低污染、使用的稳定安全、整机寿命的延长等等技术要求不断督促着发动机行业加大研究力度和深度。 有限元法随着计算机科学的发展，在包括汽车发动机在内的几乎所有工程领域得到愈来愈广泛的运用。有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具，经过迄今约半个世纪的发展，它己日趋成熟实用，在近乎所有的工程设计领域发挥着越来越重要的作用。汽车发动机零部件的设计是有限元技术最早的应用领域之一。有限元技术的应用提高了汽车发动机零部件设计的可靠性，缩短了设计周期，大大推动了汽车发动机工业的发展。近几年来，随着计算机软硬件水平的提高，汽车发动机零部件有限元技术又取得了许多新的进展。一直以来传统的生产模式在我国占据着主要的地位，传统的机械设计周期长，大量依赖经验，特别在设计过程中有很多是要工程师大量的计算工作，包括校核强度、估算失效等。这些无疑都会延长生产周期，在竞争上得不到提高。随着计算机辅助设计（cad）计算机辅助工程（cae）、还有计算机辅助制造（cam）、计算机辅助工艺（capp）的不断发展，机械制造业也开始了一场革命性的改变。图1.1现代制造流程fig.1.1 modern mechanical flow不仅在设计上在模具开发上，在设计合理上也有着很大的贡献。计算机辅助制造的推广使用对我国的制造业提升竞争力有着巨大的推动作用。那么整个现代化设计过程中的cae即计算机辅助工程有着重要的地位。 由图我们可以简单看出，cae在设计过程中是承上启下，决定产品合理性与否能否投产的关键，也说明了cae的普遍应用是有着实际的价值的。 现代新品设计和开发所面临的挑战越来越多，产品设计越来越复杂，应用的先进技术越来越多，对产品的功能和性能的要求越来越高，而与此同时，产品的生命周期在不断缩短，这就要求我们必须在最短的时间内开发出性能最优异的产品。 有限元法是当今工程分析中应用最广泛的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。它不但可以解决工程中的结构分析问题，也成功地解决了传热学、流体力学、电磁学和声学等领域的问题。有限元计算结果可以作为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。使用有限元方法分析活塞模型，可以很直接地分析活塞零部件的结构强度问题，热负荷问题，而研究分析的结果与试验相结合将验证试验进行的有效性。1.2 国内外研究现状与发展1.2.1汽车发动机零部件有限元网格生成技术 有限元网格模型的建立是采用有限元法求解问题的先决条件。在整个求解过程中，它通常是工作量最大的部分。随着有限元技术的广泛应用，有限元网格生成技术和可视化研究得到很大发展。目前汽车发动机零部件有限元网格生成方式基本上可分为下述两种类型。(1)、不基于几何模型直接建立节点、单元模型 当求解问题的模型相对简单或采用的软件功能有限时，一般采用这种建模方式。依据建模的特点，可以采用手工方式建立整个模型，也可以首先通过手工建立一部分节点和单元，然后通过旋转拷贝、平移拷贝、合并操作建立整个模型。早期的模型建立受软硬件条件的限制只能采用这种方式。例如，在曲轴建模时根据曲轴的多重复结构特点，先手工建立一个单拐模型，再通过旋转、平移复制成主体模型，最后将主体模型与前后端模型合并成曲轴的整体有限元网格模型。 这种有限元网格模型的建立方式需花费较多的时间和人力，节点坐标、单元信息、(例如梁、板、壳单元的截面特性参数)边界条件(包括位移、约束、载荷大小等)均需手工计算。对一些大规模的复杂结构，模型可能因此作较大的简化，影响最终分析的可靠度，这也是早期汽车发动机零部件有限元分析大部分集中在一些相对简单结构的重要原因。但这种有限元网格模型的建立方式也具有易控制单元类型、节点密度等优点。特别是随着软件在交互性、可视化方面的发展更增强了这种建模方式的生命力。现在即便许多具有很强前处理功能的大型分析软件，也仍然保留这种建模方式，只是在使用方便性上做了较大的提高。(2)、基于几何模型自动生成节点、单元模型 近些年来，有限元前处理技术的进展的一个突出特点是计算机辅助几何造型(特别是三维实体造型)技术的引入。以几何模型为载体，可以自动生成相应的有限元网格模型。根据问题的不同，采用的几何模型也相应不同。适用杆、梁单元分析的问题可以采用线模型，适用板壳单元分析的问题采用面模型，而适宜采用实体单元分析的问题则采用实体模型。这里的线模型或面模型可以预先直接建立也可以由实体模型转换生成，目前许多商用cad系统都有自动生成实体模型中面模型的功能。 基于几何模型的网格生成，可以通过指定不同区域的单元大小，使网格密度合理。基于三维实体模型建立有限元网格符合现代cad并行工程的要求。现代cad并行工程要求分析模型能充分利用设计主模型，并与设计主模型相关一致。显然这样极大地提高了分析结果的可信度，同时也大大提高了有限元网格模型生成速度和分析效率，节约了大量的时间和人力。 这对于有限元实际运用具有重要意义。目前通过许多大型cad软件(如i-deas, pro/engineer等)，人们可以不加简化的建立汽车发动机许多复杂零部件的有限元网格模型。 尽管有限元网格自动生成技术发展到现在，出现了大量的不同的实现方法，如映射法、布点及三角化法、拓扑分解法、几何分解法、基于栅格法等等，但是所有这些方法在大规模复杂结构的运用上仍具有许多困难。突出的表现在两方面:一是几何元素过多，使得现有算法一次自动生成其有限元网格需要高性能、高配置的硬件，现有算法难以实现;二是有些几何元素太复杂或几何元素尺寸的大小相差悬殊，导致现有算法失效或生成网格的质量欠佳。 在现有条件下，解决上述问题的一个有效途径就是引入非流形几何建模技术，将原有几何模型在拓扑上通过内部边界分解为多几个相对简单的拓扑子域，由于非流形模型可以实现内部边界的直接查询，故在利用现有算法对分解后的各个子域进行网格自动划分时，不会出现相邻边界的划分错误。由此可以实现子域的各个击破，并最终完成大规模复杂结构的有限元网格划分。因此实际上增强了各种有限元网格自动生成技术的功能，拓宽了汽车发动机中可分析零件的范围。 解决上述问题的另一条有效途径是，先将结构划分成某些区域节点并不连续的有限元网格，再通过施加节点间位移约束消除模型变形的不协调。另外部分大型软件不仅可以实现单个零件基于几何模型的有限元网格自动生成，对装配模型有限元网格的建立或多零件的有限元网格的模型装配也可以方便的实现。 目前汽车发动机中最复杂的零部件包括气缸盖、机体、曲轴、活塞、连杆、增压器涡轮、压气机等等，都可以根据cad实体模型直接建立非常精确的有限元网格模型，为这些先前几乎无法进行可靠计算的零部件，提供了一条可行的设计途径。 有限元方法是求解各种复杂数学物理问题的重要方法，是处理各种复杂工程问题的重要分析手段，也是进行科学研究的重要工具。目前，国际上有 90的机械产品和装备都要采用有限元方法进行分析，进而进行设计修改和优化。实际上有限元分析已成为替代大量实物试验的数值化，基于该方法的大量计算分析与典型的验证性试验相结合可以做到高效率和低成本。1.2.2 曲柄连杆机构有限元发展趋势连杆上接活塞,下连曲轴,将活塞的往复直线运动转换为曲轴的回转运动有限元法应用于内燃机工程的目的可分为两类:一类是进行结构分析，内燃机的一些零部件可能发生损坏，用有限元法分析和研究结构损坏的原因，找出危险区域和部位，提出相应的改进设计措施。另一类是进行结构设计，在进行内燃机的结构设计时，可以预先对一些可能的结构方案进行有限元分析计算，再根据对计算结果的分析和比较，选取最佳的合理方案。有限元法在内燃机工程上的运用，缩短了内燃机的开发周期和成本，提高了内燃机的可靠性、经济性。有限元强度应力分析、动响应分析、可靠性分析和优化分析。常规的机械设计是需要工程师大量的设计经验，在强度和结构的分析上是靠人工计算，如果构件复杂，人工计算无疑是很浪费人力和时间的工作，所以引入有限元的概念，借助计算机，帮助计算，减轻工程人员的工作量，提高设计效率。连杆的计算分析在早期多采用经验公式，有限元理论和方法提出后,迅速在连杆分析上得到广泛应用。连杆的有限元分析模型经历了一个由简单到复杂、由浅入深的演变发展过程。从最早的曲梁模型,到20世纪七八十年代的平面连续模型,再到90年代至今的三维实体模型。近年来,国内外许多学者对内燃机连杆的有限元分析进行了大量的研究,归纳起来主要是以下几个方面:有限元强度应力分析、动响应分析、可靠性分析和优化分析。由于曲轴几何形状、边界条件和载荷极其复杂,在60年代以前很长一段时间内,人们主要用实验手段来研究曲轴的强度。而对曲轴的计算常用方法有两种:简支梁法和连续梁法，因此，计算精度很低,基本上满足不了设计需要。随着计算机和计算力学的飞速发展,最近30多年来曲轴的计算方法有了极大的改善，计算精度有了较大的提高,可以相当精确地确定曲轴任一部位的应力,因此对曲轴整体的强度也可以作比较精确的评估。在曲柄连杆机构的设计中,希望曲柄连杆机构有较高的可靠性和较长的使用寿命。但是由于制造公差、温度以及工作期间的磨损等因素的影响,实际上机构的运动要偏离设计预定的理想运动轨道,这在工程上是完全允许的。但不能超过规定的限度，若超过了这一限度值,而造成润滑膜破坏，产生过大的冲击载荷,使各运动件承受过大的载荷,加速疲劳，并造成过大的振动；同时也会引起压力损失,加速磨损,降低性能。因此,运动精度可靠性是曲柄连杆机构可靠性研究的一个重要方面。1.2.3 有限元法的发展趋势目前，有限元结构分析趋向于分析系统，而不仅仅局限于零部件的分析。更高性能的计算机和更强大的有限元软件的出现，使工程师们能够建立更大、更精确、更复杂的模型，从而为用户提供及时、费用低廉、准确、信息化的解决方案。随着计算机技术的提高，特别是有限元高精度理论的完善和应用，有限元分析由静态向动态、线性向非线性、简单模型向复杂系统，逐步地扩大应用范围。1、求解能力更强大。增加有限元模型几何细节会加强模拟模型与实际结构之间的联系。在实际中，任何模拟所需要的计算机资源都是巨大的，决定有限元模拟规模大小的因素是几何离散化程度(节点数和单元数等)和所用材料模型的计算复杂性。20世纪90年代，国外对发动机曲轴进行了大约80万自由度线性分析，2001年则采用了500万自由度的模型对活塞组件做非线性模拟。随着计算机技术和有限元技术的发展，在不久的将来，模型可以达到1亿自由度甚至更大。2、分析的分界线越来越模糊。在应力和运动的模拟分析之间，传统的分界线将越来越模糊。能做运动模拟分析的软件也能用于分析结构，如ansys就是集结构、动力学、温度场、流体力学和磁场于一体的分析软件。同时，相同模型用于多种分析将引起人们的重视。在汽车工业中，相同模型可用于结构静力学和动力学分析，祸合场分析是这种趋势的最明显体现。 3、系统分析。系统分析的出现，使得整个系统、子系统和零部件之间的关系需要综合考虑，它们之间的影响具有层次性，各零部件之间的影响将表现在整个系统分析中。分析某一零件时，为考虑其它零件刚度的影响和力的传递，在计算模型中应该包括相关的其它零件。另外，为了达到对系统整体性能了解的要求，还应该进行系统内部装配件分析。1.3课题研究目标、研究内容1.3.1研究目标 pro/engineer软件是美国参数技术公司 (parametrieteehnologycorporation，简称ptc)开发的产品。其中的pro/mechanica模块(简称pro/m)可以进行有限元结构分析。用户在pro/e环境下完成零件的三维建模后，无需退出设计环境就可以进行有限元分析，这是目前绝大多数有限元软件所不能做到的。在此之前，机械设计工程师进行有限元分析时，首先需要利用几何建模功能强的软件对零件进行建模，然后利用iges格式或者step格式将数据导入有限元分析软件进行分析。这样做的最大弊端是数据的丢失，因此分析人员常常花费大量的时间和精力进行几何模型的修复。由于pro/e全参数化设计思想贯穿整个设计的每个环节，因此利用pro/m还可以进行模型的灵敏度分析、优化设计以及动力学分析。 本文以柴油机连杆，活塞为研究对象，在pro/e集成模式下运用pro/m对连杆，活塞进行有限元分析，得出了连杆，活塞的应力分布状况，避免了原连杆，活塞疲劳安全系数估计过于随机、盲目的问题。1.3.2研究内容 ptc公司开发的有限元分析软件pro/m有集成工作方式和独立工作方式两种。在集成工作方式下，用户可在cad模型构建后，不脱离pro/e环境就能对几何模型进行有限元分析。pro/m有三个块，即结构分析块、运动动力学仿真块和热传导分析块。利用结构分析块可以进行结构分析和优化设计等。利用运动动力学仿真可以进行机构的运动学分析、动力学分析、三维静态分析和干涉检查。利用热传导分析可以进行零件的稳态和瞬态温度场分析。主要的研究内容有:1.研究基于特征技术连杆，活塞的三维建模方法，包括特征的定义、分类，特征的约束、组合关系和特征编辑的方法等。讨论连杆，活塞的基于特征的实体建模方法。2.以pro/m为分析平台，运用有限元分析方法，对柴油机连杆，活塞工作状况中的实际受力情况、连杆，活塞的有限元网格划分、边界条件的确定和施加进行研究。通过应力分析和显示应力云图，确定连杆，活塞的最大主应力、最大主应变部位(即连杆的应力集中点)，为连杆灵敏度分析提供依据。3.根据应力集中点的尺寸设计参数对连杆进行灵敏度分析，找出产生连杆应力集中现象的主要原因，应力集中是造成连杆断裂的主要原因。第二章 有限元分析、proe/e理论基础2.1有限元法有限元是常说的cae分析，核心概念就是离散：就是把要分析的某连续体人为地分割成有限个单元，单元间通过顶点的节点连接起来。复杂的连续体经此离散化，可视为若干单元的组合体。对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、子域分界面上(内部边界)以及子域与外界分界面（外部边界）上都满足一定的条件。单元组合体在己知外载荷作用下处于平衡状态时，列出一系列以节点位移为未知量的线性方程组。利用计算机解线性方程组获得节点位移后，再用弹性力学的有关公式，计算出各单元的应力、应变，当各单元小到一定程度，那么它就代表连续体各处的真实情况。从应用数学角度，有限单元法基本思想的提出，可以追溯到courant在1943年第一次尝试使用在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，求解扭转问题，虽然期间有很多工程师、物理学家、数学家都涉及有限单元法，但知道1960年，电子数值计算机的应用和发展，有限单元法的发展才显著加快。现代有限单元法的第一个成果的尝试，是将刚架位移推广应用于弹性利息平面问题，是在分析飞机结构时在1956年的成果，第一次给出了三角形单元求的平面应力问题的正确解答。三角形单元的单元特性是由弹性理论方程确定的，采用直接刚度法，在1960年第一次提出了“有限单元法” 。2.1.1有限元法的一般程序结构 有限元法求解问题，概括起来分为以下几个步骤:1、结构离散化 结构离散化是将分析的结构分割成有限个单元体，在单元体的指定点设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，构成一个单元的集合体，以代替原来的结构，并把弹性体边界的约束用位于弹性体边界上节点的约束代替。结构离散化的基本原则有两条:(1)、几何近似。要求物理模型的几何形状近似真实结构。(2)、物理近似。要求离散的单元特性近似真实结构在这个区域的物理性质。所谓物理性质，就是该区域的受力情况、变形情况、材料特性等。 产生节点和单元主要有如下4步:设置材料属性;设置单元属性;设置网格控制选项;产生网格。设置材料属性和单元属性是网格划分之前完成的步骤，典型的材料属性包括弹性模量、泊松比、密度和热膨胀系数。根据计算的场合以及单元类型选择需要输入的材料属性、单元名、自由度、实常数等。单元选择一般需要考虑以下因素:（1）、维数。分为二维或三维单元。（2）、单元特征形状。单元有4种形状:点、线、面和体单元。点单元只有一个节点，如质量单元;线单元代表直线或者弧线，通常有2或3个节点。面单元有三角形单元和四边形单元;体单元是四面体或者六面体。2、单元分析 单元分析是用力学理论研究单元的性质，从建立单元位移模式入手，导出计算单元的应变、应力和单元等效节点载荷向量的计算公式。图223、应用变分原理推导单元刚度矩阵。4、集合整个离散化连续体的代数方程。5、求解节点位移矢量。6、由节点位移计算出单元的应变和应力。完整的有限元分析流程如图2-2所示。2.2 有限元方法理论数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。目前，在工程领域常用的数值模拟方法有:有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，有限单元法是其中实际应用最广泛的一种。cae是一个辅助工程的统称，是一门年轻却蓬勃发展的交叉性学科，包括了材料力学、计算机学、数学、固体力学、动力学、流体学、声学等等实际工程上需要分析的学科。传统意义上现代产品设计过程理解为有限元分析（fea），实际上cae的范围是非常广的，结构分析的特点是以工程问题为背景，建立计算模并进行进计算仿真分析，对工程和产品进行性能和安全可靠性分析，对于未来工作状态和运行行为进行模拟，以便及早发现设计中的不足，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。cae的发展开始于20世纪50年代中期，真正的相关软件诞生于70年代初期，80年代中期才是发展迅速的时期。在发达国家，cae的发展和应用已经比较普及了，我国加入wto以后为了提高市场竞争力与世界接轨，cae的应用和发展也是必须的。有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的数值方法。它的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。单元之间仅靠节点连接，单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域，同时利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。整个计算过程可归纳为:先分后合，以点代面。对温度场来说，节点上的未知物理量就是温度;对固体力学来说，节点上的未知物理量可以是广义位移(位移、转角等)，也可以是广义力(应力、内力等)，或者是它们两者的混合。所以，固体力学有限元法按求解时的基本未知量可以分为:力法、位移法、混合法以及杂交法。有限元法的求解步骤可归纳为:1、把很复杂的结构拆分为若干个形状简单的单元，这些单元一般要小到可以用简单的数学模型来描述参数在其中的分布，这一步骤称为离散。2、通过对单元的研究来建立多个特性参数之间的关系方程，这一过程称为单元分析。在弹性力学中，单元分析的任务是:建立联系应变与节点位移分量的方程，联系应力与节点位移分量的方程，同时研究单元的节点力与节点位移之间的关系，以及把作用在单元中间的外载荷转化为节点载荷。3、在单元分析基础上，利用平衡条件和连续条件，将各个单元拼装成整体结构。对整体在确定边界条件下进行分析，从而得到整体的参数关系方程组，即矩阵方程。这一过程称为整体分析。有限元计算的基本元素是要有边界条件及正确的载荷，这些是建立有限元模型所必须的。而传统的连杆的有限元分析是可以根据一些理论基础给出的公式及数据算出在最大或最小爆发压力处连杆所受的拉力或压力。这样的方法比较接近理论，也方便计算，但是同时具有一定的局限性。例如，整个机构的运转是一个动态的过程，受力实际上也是一个动态的过程，那么只由公式计算出特殊情况下的受力情况，肯定是有局限的。另外，实际在测得爆发压力值时，应该使用和实际情况相近的值来做分析更贴近实际工况。于是我们可以采用多体动力仿真的手段得到一个周期甚至多个周期连杆机构在实际工作情况中受到的工况，这比用公式局限的计算出某个特定的拉力或压力更有灵活性。可以选择不同的工况得到不同时刻的瞬时动态响应或是强度分析。这是为有限元分析做出更合理的前期准备，也为优化设计提供条件。2.3 pro/e软件简介 pro/engineer操作软件是美国参数技术公司（ptc)旗下的cad/cam/cae一体化的三维软件。pro/engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，pro/engineer作为当今世界机械cad/cae/cam领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的cad/cam/cae软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。 三维设计可以分为工程图、零件设计、装配三个不同的设计阶段。三维设计最大的特点是特征建模技术和设计过程的全相关性。全相关性使得设计者在任何阶段对设计的任何修改都会影响到其它阶段，这使设计过程变得非常灵活和轻松，大大提高了设计效率。 零件和装配可以统称为模型，所以三维实体造型包括三维零件造型和装配造型两个部分。pro/e是当前三维矢量化设计软件中应用比较广泛的软件之一，也是参数化设计的首选。本文中参数化设计采用的平台是pro/e软件系统。 pro/e是ptc研制开发的cad/cam软件，具有很强的造型功能，在目前的三维造型软件中占有着重要的地位，并作为当今世界机械 cad/cam/cae领域的新标准而得到业界的认可和推广。pro/e第一个提出参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有的模块。pro/e基于特征方式，能够将从设计到生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。这里将介绍一下pro/e的主要特性。2.3.1实体模型 实体模型除了可以将用户的设计思想以最直观的模型在计算机上表现之外，借助于系统参数 (systemparameters)，用户还可以随时计算出产品的体积、面积、重心、惯性大小等，以了解产品的真实性，弥补传统的面结构、线结构的不足。用户在产品设计过程中，可以随时掌握以上情况，调整物理参数，并减少许多人为的计算时间。2.3.2单一数据库 pro/e可随时修改由实体模型产生的2d工程图，而且自动标注工程图尺寸。不论在3d还是zd图形上作尺寸修改，其相关的3d和2d默许均自动修改，并避免反复修正的耗时性。由于采用单一的数据库，提供了所谓双向关联性的功能，这种功能也正符合了现代产业中所谓的同步工程。2.3.3以特征作为设计的单位 pro/e以最自然的思考方式从事设计工作，如孔、开槽、倒圆角等均被视为零件设计的基本特征，可随时对特征做合理、不违反几何顺序的调整、插入、删基于pro/e下的连杆、活塞结构分析及其性能优化设计除、重新定义等修正动作，使设计更具有直观化。2.3.4参数化设计配合单一数据库，所有设计过程中所使用的尺寸(参数)都存在于数据库中，设计者只需更改3d零件的尺寸，则2d工程图、3d组合、模具等就会依照尺寸的修改作几何形状的变化，以达到设计修改工作的一致性，避免发生人为改图的疏漏情形，且减少许多人为改图的时间和精力消耗。也正因为有参数化的设计，用户才可以运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系式，使得模型可自动计算出应有的外型，减少尺寸逐一修改的繁琐，并减少错误发生。第三章 基于连杆，活塞特征的三维实体建模 对计算模型的要求首先要具有二定的准确性一其次计算模型要具有良好的经济性。经简化后的计算模型要能够基本上准确地反映结构的实际状况，否则，结构的有限元计算结果就没有实际意义。在建立计算模型时，复杂的计算模型具有较高的准确性，但相应也会大量增加计算机算题时间以及计算前后的准备工作和数据整理的工作量，从而使得计算费用大大地增加。选择恰当的三维建模软件，将对有限元网格的划分提供方便。本章采用了现在流行的pro/engineer软件建立三维几何模型，导入并对连杆，活塞进行有限元分析。3.1 连杆3.1.1连杆的特点分析连杆由连杆体和连杆盖两部分组成。工作时用螺栓和螺母将连杆体、连杆盖和曲轴装配在一起，用活塞销将连杆小头和活塞装配在一起。连杆的主要作用是将活塞的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动。(1)连杆有两个相互垂直的对称面，一个对称面平行于连杆的圆环形端面，也就是锻造锻造连杆毛坯的模具分型面；另一个对称面则通过两端圆孔的轴线。(2)连杆毛坯通过锻造成型，因此，连杆体和连杆盖都具有模锻斜度，包括连杆体上的槽和凸台。(3)连杆毛坯成型以后，加工表面主要集中在两端面和孔，其他表面大多属于非加工表面。(4)连杆体和连杆盖属于配做的成对零件，需要同步加工，在装配和工作时没有互换性。3.1.2连杆的建模思路连杆由连杆体和连杆盖组成，所以可以对连杆体和连杆盖分别建模，完成后进行装配。连杆具有两个互相垂直的对称面，建模过程中可以利用两个对称面，对局部特征进行镜像和复制操作，从而快速完成特征创建。3.1.3连杆三维模型的建立利用pro/engineer建立的连杆三维模型所需的基本结构尺寸来自该产品图。为得到连杆应力和变形的全貌，选取整个连杆作为计算对象是恰当的。连杆在连杆小头开有活塞销润滑油道孔，连杆大头相对纵截面对称、杆身的横截面呈“工”字形，且与连杆大小头圆滑过渡。为了避免有限元网格的尺寸大小相差太悬殊而影响有限元单元质量和计算精度，对一些影响连杆强度极微的小倒角、小圆角作了简化处理。有限元模型的构建是一项非常重要的工作，有限元模型错误，计算结果显然不对，也就难以发挥有限元工具的作用，因此几何模型的构建就要求比较准确。本文采用三维设计软件pro/e进行连杆的三维实体建模比较直观方便，快速有效，图3.1所示即为用pro/e所建立的连杆三维几何模型。 图 3.1pro/e建立的连杆三维几何模型3.1.4技巧与提高在创建连杆的过程中，主要采用了拉伸和旋转除料进行特征创建，另外还有辅助的拔模斜度、倒角及倒圆角等特征。归纳起来，主要有几点注意事项。（1）创建拉伸草绘时，可以通过下拉菜单中的“草绘”“参照”命令，选取添加已有特征的边，曲面作为参照，从而减少约束特征和尺寸标注，提高工作效率。（2）在复杂模型的基础上进行拉伸去除材料，通常借助“预览”查看拉伸选项和除料的方向设置是否正确，然后进行处理。（3）创建拔模特征时，首先查看“拔模”特征操控面板上的选项设置是否符合要求，然后确定“拔模枢轴”和“拔模方向”。（4）连续创建倒圆角特征时，要注意圆角特征创建的次序，尤其是相连接的边同时都要倒圆角时，否则会出现特征“参照丢失”的问题。（5）多步特征同时镜像操作时。可能由于特征参照过多而不能直接完成，因此需要将特征一起进行复制。3.2 活塞3.2.1 活塞的特点分析活塞是复杂的机械零件，活塞主要有顶部、头部和裙部3部分组成。活塞是在高温、高压、高腐蚀的条件下，在汽缸内做高速往复直线运动的。要适应这样恶劣的工作条件，必须具有相应的结构。（1） 活塞的顶部直接与高压气体接触，工作条件最恶劣。顶部外表面设计成凹面型，以利于燃烧室内的气体形成涡流，使燃烧与空气混合的更均匀，燃烧得更充分。（2） 在活塞的头部外面有4道环形槽，上边3道环形槽为气环槽，下边的一条环形槽为油环槽。（3） 活塞的裙部在活塞做直线往复运动时起导向作用。裙部顶端有两个往里凸起的销座。（4） 活塞工作时在高温高压作用下，要产生热膨胀和受力变形。所以活塞裙部的轴截面应制成鼓行，活塞裙部的横截面应制成椭圆形。由于椭圆的长轴与短轴之间相差极小，所以三维建模时以椭圆形代替。3.2.2活塞的建模思路为了快速准确的创建活塞模型，先抽取活塞模型中的对称部分，由列表曲线创建活塞的1/4轮廓，然后镜像生成活塞的整个轮廓。再创建活塞的顶部的凹槽特征。之后再创建活塞头部的气环槽和油环槽。最后创建各部分的倒圆角。3.2.3 活塞三维模型的建立 pro/mechanica软件是美国ptc(parametric technologycoporation，参数技术公司)开发的有限元软件。该软件与pro/engineer软件可以无缝集成。因此，在pro/engineer中使用其强大的建模功能完成活塞三维实体模型的建立。活塞的模型如图3.2所示图3.2 pro/e建立的活塞三维几何模型3.2.4 技巧与提高（1）在镜像整个活塞时，要单击模型树顶端的“huo-sai”标识，选取整个模型，而不能选取模型树下的各个特征标识。若选取模型树下的各个特征标识，镜像后有些特征的参照将丢失。（2）草绘过程中要注意快捷按钮的应用，许多情况下可以提高绘图效率，更便于模型的修改。第4章 零部件的静态有限元分析4.1 有限元分析软件的选择 目前成熟的商品化有限元分析应用软件系统有ansys,nstran, pro/mechanic和cosmos等。有限元分析法总体上可分成三个部分:前处理部分、主分析计算部分以及后处理部分。从当前的有限元解决方式看，主分析计算部分根据有限元模型的数据文件进行有限元分析，后处理部分是有限元计算后输出结果的加工阶段，包括数据输出和图形显示。从整个过程看，这两个阶段由于采用批处理方式和单纯的输出显示，所以人工干预并不多。相比之下，最繁重的工作在于前处理阶段，即特定分析对象的关系确定和建立模型，包括节点数和节点编码等。ansys软件是融结构、热、流体、电磁及声学于体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于机械、电机、土木、电子及航空等不同领域。它是众多有限元分析软件中较出色的1个，以其高效的求解算法和效率闻名，并有相对独立的前、后处理体系，可独立完成多学科、多领域的分析任务。该软件是当前结构分析中使用最为频繁的软件。但是，由于本文零件建模使用的是pro/engineer软件，它和ansys之间的数据交换是存在问题较多的地方。目前，解决ansys软件与pro/engineer软件数据交换问题的方法有如下三种: 1.使用ansys自带的接口软件进行数据转换，这种方法是使用方便、转换后数据保存完整的最优方法，推荐大家广泛使用，只是接口设置过程需要参照使用说明来完成。 2.使用与pro/engineer集成的pro/mechanic软件实现数据转换。首先在一pro/engineer软件中进行零件建模，然后直接导入pro/mechanic软件中划分网格(材料属性可以不定义)，并使用ansys求解器输出数据，产生一个*.ans文件，这样就可以直接在ansys软件中打开这个文件了。 3.在pro/engineer中建立好模型后(一般是part )，以parasolid类型存盘，这种格式是几乎所有cad软件都可以识别的。这样就可以输入到ansys里了。但parasolid格式为在ansys中输入模型时，可能出现模型断裂的结果，可以对“defeature(毁容)、合并重合的关键点、产生实体、删除小面