发动机连杆静态与动态特性的有限元分析研究

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　　摘  要：连杆作为发动机的主要传递动力的构件，承受着由活塞传递的周期性变化的气体压力作用，工作环境极其恶劣，因而其结构非常容易损坏。文中通过传统的方法得出连杆的受力大小、方向与运动情况，并求解出了静态研究所需要的边界条件。利用ANSYS Workbench有限元软件，得到连杆在最大拉压工况下的应力与变形情况，为其优化分析打好了基础。最后采用结构优化的方法对连杆进行了优化设计。
　　关键词：发动机连杆;有限元分析;静强度分析;动态分析;优化分析
　　中图分类号：TK414   文献标识码：A    文章编号：1671-2064（2019）24-0000-00
　　0引言
　　 连杆是发动机中最为关键的机构，对发动机的发展有着非常之大的影响。本文借助于有限元软件极强的计算能力和功能，仿真分析发动机连杆的静强度和其动态运动特性，对最大应力值和最大变形量为约束条件对连杆的形状进行优化分析，从而实现合理优化。
　　1连杆的静态强度分析
　　1.1 连杆三维模型的建立以及有限元模型的处理
　　 本文对连杆大小头孔最大拉、压受力按照180°范围余弦规律处理。
　　压力按照余弦规律沿圆周方向分布公式为：
　　
　　
　　 上式中的依次为拉伸工况下连杆大头孔和小头孔施加的受力分布规律。
　　 经分析计算，得出连杆大头端的应力和变形分布如图1，图2所示。
　　
　　 由以上分析结果可知，连杆的最大应力出现在连杆大头孔横截面的左右两侧边缘部位，最大应力值是237.11。连杆最大变形出现在连杆大头端顶部区域，最大位移量是0.12416。
　　经分析计算后，得出连杆小头端的应力和变形分布如下图3，图4所示。
　　
　　 由以上分析结果可知，在约束住发动机连杆的大端，使发动机连杆小端的受到拉力的情况中，连杆的最大应力出现在发动机连杆小头端润滑油孔位置，最大应力值是342.58。连杆的最大变形发生在小端顶部区域，最大位移是0.11541。
　　 连杆的最大压缩工况分析：
　　 由式（1-3）并代入大端和小端的数值就能够求解出压缩工况下的载荷分布规律为：
　　
　　 经分析计算后，求解出连杆大头端的应力与变形分布如下图5，图6所示。
　　
　　 由以上分析结果可知，发动机连杆的最大应力出现在靠近连杆小头端的杆身的U型槽中，最大应力值是222.04。连杆的最大变形发生在整个大头端的上半圆弧区域，其最大位移量是0.092735。
　　 经分析计算后，得出连杆小头端的应力和变形分布情况如下图7，图8。
　　
　　 由以上分析结果可知，发动机连杆的最大应力发生在连杆小端与杆身连接的过渡区域，最大应力值是321.92。连杆的最大变形发生在整个小头端上，其最大位移是0.10632。
　　2 连杆的动态分析
　　 在ANSYS软件中，本文使用默认的BlockLanceos法。根据分析计算，发现发动机连杆的前3阶模态频率为零或接近于零。因前3阶模态等于零或近似为零，说明其为刚体模态，从第4阶模态开始的分析计算结果才是有用的。第7阶模态之后，模型的形状发生了明显的弯曲和扭曲变化，表明施加的频率和模型产生了共振现象。
　　 由以上的分析可知，每一阶非零振型中连杆的变形都很大，尤其是大、小头孔的变形，已经变成了椭圆形。这将导致与其配合的零件之间发生严重的挤压变形和严重磨损。最终会导致连杆轴颈相对于轴承，发动机活塞相对于发动机气缸发生歪斜，引起连杆疲劳破环。
　　3 连杆的优化分析
　　3.1 連杆设计变量的参数化
　　 （1）根据前面连杆的静态研究和模态研究结果，选取可优化的设计变量如表1。
　　 （2）确定连杆优化的目标函数，假设发动机连杆的密度是十分均匀的，选取连杆质量作为优化设计的目标函数。
　　 （3）进行优化迭代，根据计算机软件与硬件和可能得到的优化结果综合分析选取迭代次数为30次。
　　3.2优化结果的分析
　　 本文将连杆质量作为目标函数实行优化设计，比较三种最优结果的质量。仅通过比较连杆的质量可以得出，第一组的质量是最小的，比二组少2.13%，比第三组少3.87%。第一组结果显示，其最大应力为437.6MPa，最大变形量为0.15958mm，最大变形量非常接近设置的变形量的上限。而第二组结果显示，其最大应力为382.15MPa，最大变形量为0.15008mm。第三组数据质量与第一二组相差太大直接舍弃。因此，选取第二组作为最终优化分析的结果，优化后，连杆的质量减轻了9.0%。
　　 比较选取的优化结果，发动机连杆的最大应力值为454.37，最大应力值远小于许用应力值。其最大变形量为0.1425，小于约束变形量0.16。所以连杆强度满足要求。虽质量减轻，但其局部的结构强度却得到了优化。
　　4 结语
　　 本论文主要对发动机连杆进行了静态特性、动态特性和优化设计的研究。主要过程为计算连杆的运动和受力特性，用建成连杆实体模型，将其导入Workbench中实行静态与动态特性分析研究。通过确保发动机连杆有足够的强度和适当变形量的条件下，使连杆的质量减轻了9.0%，且形状得到了优化。
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　　收稿日期：2019-10-22
　　作者简介：王英豪（1998—），女，江苏淮安人，本科在读，研究方向：材料成型及控制。
　　Finite Element Analysis of Static and Dynamic Characteristics  of Engine Connecting Rod
　　 WANG Ying-hao， WANG Wei， ZHANG Hao-yu， ZHOU Yang， ZHANG Hao-ran
　　（School of Mechanics and Automotive Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhangjiagang Jiangsu  215600）
　　Abstract：onnecting rod as the main transmission mechanism of the engine， which are subjected to the periodic change of the gas pressure by the piston， so its structure is very easy to damage. In this paper， the traditional method is used to obtain the force size， direction and motion of the connecting rod， and the boundary conditions are solved. By the ANSYS Workbench，the stress and deformation of the connecting rod under the maximum tensile condition and the maximum compression condition were obtained， which are the basis for the optimization analysis of the connecting rod.Finally，the structural optimization method is used to optimize the connecting rod。
　　Keywords： Engine connecting rod;Finite element analysis;Static strength analysis;Dynamic analysis;Optimized analysis
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