发动机连杆有限元分析

时间：2020-09-24 20:17:46 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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　 发动机连杆的有限元分析

　摘

　要

　连杆作为发动机结构中一个重要构件，其作用是将活塞的往复直线运动变成曲轴的旋转运动，并在活塞和曲轴之间传递作用力。连杆在工作中经受拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的作用。一个重量轻而且具有足够强度的连杆对现代发动机设计起到举足轻重的作用 。

　本文参考了 CA4110 柴油机的相关参数，对四缸柴油机的连杆进行了结构设计和力学分析。应用Pro/E 软件进行建模，以 ANSYS Workbench 软件为平台，对连杆模型进行有限元分析。为了能更好地保证精度，使边界条件和载荷与工程实际情况相符合，并考虑了各种受力情况，进行了静力学分析、模态分和谐响应分析。

　静力学分析表明连杆最大应力值小于材料屈服强度极限，即符合强度要求。动态的模态分析，不仅从静态上保证了连杆的强度，同时也了解了连杆的动态的振动特性。连杆在不同固有频率下振型不同，在第四阶振型时易失效，并且在发动机工作时应该尽量避开各阶的固有频率。谐响应分析表明，结构在2400Hz 的响应最剧烈，可导致弯曲失稳的位移最大。

　 关键词 : 发动机连杆；有限元分析；模态分析；谐响应分析

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　Finite element analysis of engine connecting rod

　Abstract

　 Connecting rod as an important component in the engine structure, its function is to the reciprocating linear motion of the piston into the rotation of the crank movement, and between the piston and the crankshaft transfer reaction. Connecting rod subjected to tensile, compression and bending in the job, etc. The effect of cyclic loading. A light weight and has enough strength of the connecting rod to the modern engine design play a decisive role.

　This article through to CA4110 reference for the related parameters of the diesel engine, four cylinder diesel engine connecting rod for the structure design and mechanics analysis. Pro/E software modeling is applied in this article, based on ANSYS Workbench software platform, finite element analysis was carried out on the model. In order to better guarantee the accuracy, the boundary conditions and load and engineering to coincide with the actual situation, and consider the various stress distribution, the static analysis, modal points harmony response analysis.

　Statics analysis shows that the strength of the connecting rod maximum stress is less than the yield limit, which conform to the requirements of the strength. From the static and dynamic modal analysis, not only ensure the strength of connecting rod, as well as understand the dynamic vibration characteristic of the connecting rod. Connecting rod under different natural frequency vibration mode is different, prone to failure when the fourth order vibration mode, and should be avoided when engine working each order natural frequency. Harmonic response analysis shows that the response of the structure in 2400 Hz is the most severe, can lead to the unstability of the bending displacement is the largest.

　Key words

　：

　：

　The engine connecting rod;The finite element analysis; The modal analysis; Harmonic response analysis

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　 目

　录

　第 1 章 绪论 .............................................................. - 1 -

　1.1 课题来源及研究的目的和意义 ............................................. - 1 - 1.2 国内外研究现状及分析 ................................................... - 2 - 1.3 主要研究的内容 ......................................................... - 3 -

　第 2 章 连杆的三维建模 .................................................... - 4 -

　2.1 连杆的结构及参数分析 ................................................... - 4 - 2.1.1 连杆的结构类型 ................................................... - 4 - 2.1.2 连杆结构参数及其分析 ............................................. - 4 - 2.2 基于 Pro/E 连杆的建模 ................................................... - 5 - 2.2.1 Pro/E 的简介 ..................................................... - 5 - 2.2.2 连杆的建模过程 .................................................. - 6 -

　第 3 章 连杆的静力学分析 ................................................. - 10 -

　3.1 连杆材料的选择 ........................................................ - 10 - 3.2 连杆的有限元网格划分 .................................................. - 10 - 3.3 连杆的运动和受力分析 .................................................. - 11 - 3.4 约束与载荷 ............................................................ - 12 - 3.5 静态模拟结果分析 ...................................................... - 13 - 3.5.1 连杆总变形分析 ................................................. - 13 - 3.5.2 连杆等效应力分析 ............................................... - 14 - 3.5.3 连杆等效应变分析 ............................................... - 14 - 3.6 静态分析结论 .......................................................... - 15 -

　第 4 章 连杆的模态分析 ................................................... - 16 -

　4.1 模态分析理论 .......................................................... - 16 - 4.2 约束与载荷 ............................................................ - 17 - 4.3 连杆模态求解与分析 .................................................... - 17 - 4.4 连杆模态分析结论 ...................................................... - 19 -

　第 5 章 连杆的谐响应分析 ................................................. - 20 -

　5.1 谐响应分析 ............................................................ - 20 - 5.2 谐响应分析的结论：

　.................................................... - 21 -

　— 欢迎下载 结论与展望 .............................................................. - 22 -

　结论 ...................................................................... - 22 - 展望 ...................................................................... - 22 -

　参考文献 ................................................................ - 23 -

　致 谢 ................................................................... - 24 -

　— 欢迎下载 第 1 章 绪论 1.1 课题来源及研究的目的和意义

　 内燃机自十九世纪后期出现以来，经过一百多年的不断研究和优化改进，已经发展到比较完善的程度。它以热效率高、功率和转速范围广、比重量较小的优势，在动力机械中占有及其重要敏感的地位，广泛的应用于军事装备和国民机器的各个领域 [1] 。

　汽车发动机连杆是内燃机中的一个重要的结构零件，其作用是连接活塞和曲轴，将作用在活塞上的力传递给曲轴，使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，对外输出做功。连杆小端工作时作往复运动，大端工作时作旋转运动，杆身作复杂的平面运动，因此连杆运动过程中的受力情况十分复杂，工作中经常受到拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的作用。这种复杂的载荷容易引起连杆的疲劳破坏，甚至直接关系到操作人员的安全，从而造成严重的后果。

　很早以前，连杆的制造通常以铸造法和锻造法为主。20 世纪 80 年代以来，由于粉末锻造法的产生，大批量生产粉锻连杆，其具有力学性能优良、尺寸精度高、质量偏差很小及质量较轻等特点，因此相继在发达国家快速发展。渐渐取代了锻造和铸造连杆。并且与此同时，高密度烧结法制造连杆也快速发展，其具有良好的力学性能。

　值模拟和演算已经成为辅助设计的重要手段。目前，有限元法已经日渐成熟实用，所应用的领域也十分广泛并发挥着及其重要的作用。有限元方法最先应用于结构的应力分析，它是近似求解一般连续性问题的数值方法。很快它就广泛应用于求解热传导、流体力学、电磁场等连续问题。对于一个连续体的求解问题，它实质上就是将具有无限多个自由度的连续体，转变成理想化，只有有限个自由度的单元集合体。单元之间由于仅在节点上连续，从而使问题简化为适合于数值求解的结构型问题，就可以高效而正确地确定最佳设计方案。此方法已经成为工程技术领域中不可缺少的一个强有力的计算分析工具。它在发动机零部件的设计分析中的应用也有着很大的进展。连杆在其工作过程中所受到的各种外载荷复杂且做周期性变化。而且即使是同一类型的连杆，连杆与连杆之间几何参数、物性参数也存在差异。因此，在分析连杆的应力和应变的时候，要考虑到这些不确定的因素。才能得到更加符合实际的结果。发动机连杆是一个很复杂但是是一个很有前景的研究领域，有很多需要完善和提高的地方。对其精确的分析，也可以为设计、生产、改进和装造提供更加可靠的相关数据和理论分析。同时也可以缩短发动机的开发、改进的周期成本提高其可靠性和经济性。

　— 欢迎下载 本文应用 ANSYS Workbench 有限元软件对连杆进行有限元分析，尽可能的按照实际受载情况对连杆加载，得到更加接近实际的应力变形分析结果，对连杆安全性设计有着非常重要的意义。

　 1.2 国内外研究现状及分析

　自从 Angyris 在 1955 年和 Turner 等在 1956 年发表他们关于结构分析的矩阵位移法，并且 Tumer dcn 等在 1960 年首次提出有限元的概念以来，四十多年以来得到了巨大的发展。今天，它在航空航天、土木工程，机械工程乃至石油、化工、电子等工业部门以及诸多科学研究领域获得了广泛的应用，己经成为结构设计与分析的标准化工具。相应地，市场上也出现越来越多的成熟的商品化大型通用分析软件，如美国的 NASTRAN、MARC、ADINA、ANSYS,德国的 ASKA，大连理工学院、北京农业工程大学及北京航空航天大学等单位的MCADS 和 MAS，这些软件的分析功能强，适应面宽、可靠性高，因而在国内赢得广大用户。随着有限元分析的微机化以及它在 CAD 环境下日益占有其支配地位的作用，这种分析在工业生产活动中具有缩短研究周期，降低研制成本，提高产品质量等重要作用。有限元网格模型( 包括节点数据和单元信息)的建立是采用有限元法求解问题的。在整个求解过程中，它通常具有最大工作量。随着有限元技术广泛使用，有关有限元网格生成技术和可视化研究得到发展。目前发动机零部件有限元分析课题基本集中在应力位移场分析、温度场分析及振动分析三个方面。另外，随着人们对铸造分析方兴未艾，基于有限元分析结果的结构疲劳寿命预测也已逐渐发展起来。国外许多著名发动机研究机构如奥地利 AVL 研究所、英国 Ricardo 研究所以及主要发动机生产厂商如美国 GM,FORD、日本 NISSAN、德国 MTR 等和国内众多科研院所包括上海内燃机研究所、山西车用发动机研究所、吉林工业大学、华中理工大学、北京理工大学等广泛开展了发动机零部件的有限元分析，发表了大量的研究报告和论文。分析的零件小到橡胶密封圈，大到整个机体、缸盖，几乎涵盖了所有需要分析的零件 [2] 。

　近几年来，发动机零部件有限元分析的一个特点是分析更加精确细致，尤其对小型零部件开始采用非线性模型进行接触问题的分析研究。

　发动机零部件有限元分析的另一个特点是需要先进的前处理技术和高配置硬件设备，以进行大规模复杂零部件的分析。这类型零件主要包括曲柄连杆机构及其固定件。曲轴、连杆、活塞的计算已经在原来二维模型的基础上，进行了三维模型的分析，充分考虑了零件细节对零件应力分布或温度分布的影响;机体的刚度、强度分析及噪声预测己经用于机体的结构修改研究；缸盖的分析曾一度集中于温度场及温度应力场的研究;近年来由于高强化要求的不断提高，某些缸盖的机械应力(即安装预紧力和燃气爆发力对缸盖的作用)也已成为

　— 欢迎下载 决定其强度的主要因素之一，机械应力有限元分析结果已用于缸盖结构方案选型。在软件上，一般借助大型的 CAE 集成化软件包或采用大型 CAD 软件与专业有限元分析系统相结合的方式，硬件上采用超级计算机或工作站。

　接触算法的出现，促进了装配件分析的发展。装配件分析基本包括两类:一类是在分析某一零件时，为了考虑其它零件刚度的影响和力的传递，在计算模型中包括相关的其它零件，在这类装配件分析中，非分析零件可作较大简化。另一类是出于对系统整体性能了解的要求，而必须进行的装配分析，如连杆动力模态分析。

　动态响应分析是近年来有限元分析的一个重点。它推动了内燃机由传统静态设计向动态设计的发展。如利用缸套的动态分析结果，研究降低缸套振幅的可能性，保证了缸套在未来的使用中免受冷却水的穴蚀；曲轴、机体、增压器涡轮叶片的模态分析及动态特性研究，用于预测结构的固有频率、刚强度和噪声辐射特性，最终达到了优化结构设计的目的。有限元法已经成为结构优化设计中灵敏度分析、约束函数计算的常用方法 [3] 。

　1.3 主要研究的内容

　本文的主要研究内容有：

　( 1 ) 研究连杆三维建模方法，包括特征的定义、分类、组合关系、特征的约束和特征编辑的方法等。讨论连杆的参数化实体建模方法并用 Pro/E 软件进行建模。

　( 2 ) 连杆有限元分析模型：根据连杆承载与约束特征，完成力学模型简化，建立有限元分析模型。

　 ( 3 ) 采用 ANSYS Workbench 软件，运用三维有限元方法，对连杆进行有限元网格划分。

　( 4 ) 用 ANSYS Workbench 对连杆进行应力、变形与模态分析和谐响应分析。通过变形图，最大应力图，最大变形图，给出分析结论和结构设计合理化建议。

　— 欢迎下载 第 2 章 连杆的三维建模 2.1 连杆的结构及参数分析

　结构是由很多的结构参数来描述的，这些结构参数之间存在着一定的关系和规律。就发动机连杆而言，部分结构参数是独立的，部分结构参数是非独立的。有的是所有类型的连杆共同所有，有的是特殊结构类型专有的。总结归纳出连杆的各种结构类型和结构参数，是运用 Pro/E 设计连杆的前提 [4] 。

　2.1.1 连杆的结构类型

　连杆主要由连杆小头、杆身、大头、螺栓等组成，连杆的结构类型就体现在这些组成上。

　( 1 ) 连杆小头的结构型式

　 通常将连杆小头做成圆形的整体封闭的突耳形状，它与连杆杆身具有圆滑的连接，并且相对于杆身纵轴线是对称的。

　 ( 2 ) 连杆大头的结构型式

　 连杆大头以其形状的极其多样化为特征，从大头剖分型式上有平切口连杆和斜切口连杆。连杆大头与连杆盖的分开面垂直于连杆轴线，称为平切口连杆，否则称为斜切口连杆。由于平切口连杆的大头具有较大的刚度，轴承孔受力变形小以及制造费用低，中小型发动机上多采用这种结构。为了提高曲轴轴承的工作能力，同时为了使连杆在拆下大头盖后仍然能从汽缸中抽出，中、高速柴油机有时采用斜切口连杆;V型发动机为使曲轴箱外形更紧凑，通常也采用斜切口连杆。

　( 3 ) 杆身的结构型式

　 杆身承受交变载荷，可能产生疲劳破坏和变形，连杆高速摆动时的横向惯性力也会使连杆弯曲变形，因此杆身必须有足够的断而积，并消除产生应力集中的因素。为了在较小重量下得到较大的刚度，除在一些应力小的二冲程发动机上采用椭圆形杆身外，高速内燃机的连杆杆身断面都是 “工”字形的，而且其长轴应在连杆摆动平面内 [5] 。

　2.1.2 连杆结构参数及其分析 不同的发动机对连杆设计有着不同的要求。柴油机连杆，压力大，转速偏低，首先考虑强度，因而结构尺寸偏大，质量大因承受的爆发 ，刚度强；汽油机连杆，特别是高速汽油机连杆，因其转速高、惯性力大，所以连杆要求结构轻巧，质量小，刚度强 [6] 。

　— 欢迎下载 遵循以上原则，连杆设计中，首先要确定连杆长度，这是与整机密切相关的参数，它决定连杆的基本构型。再确定连杆小头孔尺寸，它与活塞销孔以及活塞销的设计联系在一起，综合分析决定。连杆大头孔的尺寸是与曲轴的连杆轴径直径共同确定的，这也是决定连杆基本构型的重要尺寸之一。归纳出的连杆主要结构参数见表 2-1。

　表 2-1 连杆主要结构参数 连杆部位 尺寸大小（mm）

　连杆大头内径 74 连杆大头外径 90 连杆小头内径 42 连杆小头外径 54 连杆长 266 连杆宽 100 连杆高 38 2.2 基于 Pro/E 连杆的建模

　2.2.1 Pro/E 的简介 Pro/E 是由美国 PTC 公司最近推出的一套以参数化为基础 CAD/CAE/CAM（计算机辅助设计/计算机辅助分析/计算机辅助制造）三位一体的集成软件系统，它整合了 PTC 公司的三个软件 Pro/ENGINEER 的参数化技术、CoCreate 的直接建模技术和 ProductView 的三维可视化技术，Pro/E 具有互操作性、开放、易用三大特点，内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成产品的全过程，广泛应用于机械、汽车、航天、家电、模具、工业设计、玩具等行业。在我们现在使用的 Pro/E 版本中，增加了一些新的特性：功能的全新组合，将设计过程中操作相近，但结果不同的设计工具进行重组，这样使用户很容易在不同工具之间切换，同时还可以加深对这些操作之间异同的理解；直接建模一直是 Pro/E 重点强化的一个功能，其核心思想是设计中直接操作模型与之交互，包括对模型的选取、修改和重新定义等，在版本中增加了对模型的事实时全局变形，包括在各方位上以等比例或不等比例缩放模型，自由平移和旋转模型。还可以对模型进行事实翘曲、伸展、弯曲和扭曲等操作。其以下功能为主要部分 [7] ：

　— 欢迎下载 1.参数化——用参数表示零件的尺寸和属性，设计者可以通过修改参数的值，来修改零件的大小、形状和属性。

　2. 基于特征建模——Pro/E 是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

　3.单一数据库——Pro/Engineer 是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。

　2.2.2 连杆的建模过程 （1）建立新文件

　选择菜单中的[文件]——[新建]命令，出现[新建]对话框，在对话框中选择[零件]——[实体]，在[文件名]栏中输入“liangan”，将“使用默认模板”√去掉，然后点击[确定] （2）创建杆身曲线

　连杆杆身截面是一变化的工字钢，相对于 FRONT 平面和 RIGHT 平面是对称的，因此只考虑四分之一的杆身，可用四条曲线绘制出杆身曲面的轮廓。第一条曲线是在 RIGHT 平面，杆身的最大轮廓曲线；第二条曲线与第一条不在一个平面上，且曲线上的各点也不在同一平面上，因此以曲线最高点所在平面为绘图平面，即大约离 RIGHT 平面 18mm 的于RIGHT 平面平行的平面。第二条曲线与第一条曲线错位 mm tg 9 . 1 892 . 1 6 18    ；第三条曲线与第二条在同一平面上，并近似认为与第二条曲线形状一样，只是向连杆中心线平移mm tg 6 . 3 6 18 5 . 5    ；第四条曲线与第一条在同一平面（RIGHT 平面），形状与第二条相似。（见图 2-1）

　图 2-1 杆身曲线

　— 欢迎下载 （3）创建杆身曲面

　通过 边界混合，完成 6 个曲面的创建。（见图 2-2）创建一个曲面，将多余的部分去除。（见图 2-3）

　 图 2-2 曲面的创建

　 图 2-3 杆身曲面

　 （4）杆身曲面合并

　a.上面建立的曲面是相互独立的，必须把它们合并起来，首先合并六面体的曲面。用鼠标点选六面体的任何一个面，该面变成粉红色，再点选与之相连的面（要同时按住 Ctrl键），该面也变成粉红色，同时右边的曲面合并图标 被激活，点击该图标，在下方出现对话框，点击框中的 ，完成两个曲面的合并。重复操作 5 次，将 6 个曲面合并起来。（见图 2-4）

　b.合并的六面曲体与拉伸的曲面除了要合并还有剪裁多余的部分。仍用图标 ， 并且通过 调整要剪裁的部分。（见图 2-5）

　图 2-4 曲面合并

　 图 2-5 曲面切除

　— 欢迎下载 （5）充实杆身为实体

　以上创建的只是一个空壳，要进行充实处理。首先点选要充实的壳体，（壳体变成粉红色）激活实体化图标 ，在下方出现对话框,点击对话框中的 ，完成实体化处理。

　 （6）创建杆身筋板

　通过图 2-6 的草绘，拉伸，完成筋板的创建。（见图 2-7）

　图 2-6 杆身筋板的草绘

　 图 2-7 杆身筋板的创建

　 （7）镜像处理完成杆身部分

　杆身是对称的，可以用镜像命令完成。在主菜单 命令的下拉式菜单中点击命令，在右上角出现菜单管理器窗口，点击其中的 命令，出现二级菜单，点击 命令，激活 命令并点击，再点击 命令，出现三级菜单），并在下方的提示栏中出现提示

　，选择 FRONT 平面作为镜像基准，此时完成了镜像操作。再重复操作镜像命令，完成杆身的创建。（见图 2-8）

　 图 2-8 杆身部分

　— 欢迎下载 （8）连杆小头的建立

　 a.通过回转造型，完成小头。

　 b.连杆小头上端油孔处加固，为了防止油孔处应力集中，进行了加固，可以采用绘制造型进行。

　 c.钻连杆小头油孔。（见图 2-9）

　 图 2-9 连杆小头

　（9）连杆大头的建立

　a. 绘制Ф90 的半圆台体，并双向旋转 180°。

　b.绘制连杆大头对接平面，并向上拉伸 3mm 。

　C.创建连杆螺栓搭子，并向上拉伸 38mm 。

　（10）连杆建模完成（见图 2-10）

　图 2-10 连杆的模型

　— 欢迎下载 第 3 章 连杆的静力学分析

　 因为发动机在工作过程中，连杆会受到不同部件的交变载荷，受力情况十分复杂，所以，连杆进行有限元静力学分析，对其强度校核是必须进行的工作。本文是结合连杆的实际受力情况，利用 Workbench 中的静力学分析，对连杆的强度进行校核 [8] 。

　3.1 连杆材料的选择 由于连杆会在整个工作过程中承受压缩、拉伸以及惯性力和连杆力矩所生成的交变的载荷。而大功率的柴油机所处的工作环境会更差。因此，必须保证连杆具有足够的结构刚度和疲劳强度。从而针对不同的柴油机，在材料选择上采用高强度材料并且辅以综合措施。

　柴油机连杆之所以选用合金优质钢，是因为它经过调质热处理之后能够发挥良好的机械性能。同时加入少许合金元素是为了提高其机械性能；钢中加入少量铬，不但能大幅度提高拉伸强度极限和硬度，还能增加钢在热处理时的稳定性；加入锰元素则是使钢具有较高的拉伸强度极限、较好的韧性和较高的硬度。为了使钢具有较大的强度极限、屈服极限和很好的塑性，还会加入钼元素。这种钢经过热处理后具有纤维断面，会对冲击力、交变载荷有更好的抵抗力 [9] 。

　为了保证连杆在结构轻巧的条件下具有足够的强度和刚度。本设计采用精选 40Cr 优质合金钢,其具体参数见表 3-1。

　表 3-1 连杆材料性能 弹性模量（N/m 2 ）

　泊松比 密度(Kg/m 3 ) 材料屈服极限(MPa) 2.06x10 11

　0.26 7850

　 800 3.2 连杆的有限元网格划分 网格划分前，需要定义材料属性、定义分析类型、定义单元类型等。这些属性不仅影响到网格的划分，而且最关键的是对求解的精度影响极大。为了能够有着更快的计算速度，使其运算量不至于庞大，以及计算机内存大小的考虑，要求节点数和单元网格数量应尽量少。但是为了保证计算精度，模型的单元网格应有足够的数量，网格形状也应尽量规则化。

　打开 Workbench。点中 Static Structural 创建静力学分析板块。

　— 欢迎下载 点击 Engineering Data 对材料属性进行定义。其中 Density 是密度，改为 7850，单位不变；Young’s Modulus 为弹性模量，改为 2.06E+11；Poisson’s Ratio 为泊松比，改为 0.26。

　点击 Geometry 对模型进行导入。

　点击 Model 对网格划分精细作以定义。[将 Relevance 调至 30，增加其划分精度；将 Use Advanced Size 一栏改变为 On:Curvature 精密划分，其他选择默认] 点击 Generate Mesh 进行划分。

　如图 3-1 所示。划分的网格节点总数量为 36785，网格的总数量为 22057。

　 图 3-1 连杆的网格划分 3.3 连杆的运动和受力分析 连杆作为柴油机传递动力的主要运动件，它在机体中作复杂的平面运动，连杆大头随曲轴作高速回转运动，连杆小头随活塞作上下运动，连杆的杆身在小、大头孔运动的合成下作复杂的摆动。其作用是将活塞顶的气体压力传送给曲轴，同时它又受到曲轴驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。

　连杆在工作时承受着三个方面的作用力：

　1.活塞连杆的往复运动惯性力。

　2.气缸内的燃气压力。

　3.连杆高速摆动时所产生的横向惯性力。

　以上三种力在发动机工作时大小和方向随着曲轴转角的变化而不断变化，综合起来的结果使连杆处于一种交变的复杂受力状态。

　— 欢迎下载 连杆是一个细长的杆件，当受到压缩和横向惯性力的作用时，假如连杆的杆身刚度和强度不足时，则会产生弯曲变形；若在垂直于摆动平面内发生弯曲，更会造成轴承不均匀摩损，危害极大。

　3.4 约束与载荷 边界条件和载荷的施加应尽量符合工程实际情况，才能更好的保证计算精度。在内燃机工作过程中，连杆作复杂的平面运动，它受到的力是周期变化的。本软件模拟最恶劣的工况进行计算，即把连杆的受力状态固定在工况最恶劣的瞬时，在连杆的两侧并无外力作用，化为在静力作用下的应力分析问题来处理 [10] 。连杆在做功行程上止点附近时出现最大压缩载荷，连杆在当时受力主要是燃气爆发的压力（如公式 3-1）：

　nPDF421

　（3-1）

　上式中：

　P n

　 —— 燃气爆发压力，P n

　=10 7 Pa

　D —— 缸体的内径，D=130mm 因此，作用与连杆上的气体爆发压力为 132733N，以集中载荷方式将其加载到连杆小头方向（由连杆小头指向连杆大头），约束为固定约束，约束面为大头内孔径表面。得到的压强公式（3-2）：

　 P = SF

　（3-2）

　 式中：F —— 载荷力

　S —— 小头接触面积（S=42x42=1764mm 2 ）

　故 P= 75Mpa

　具体操作方法：

　1.点击 Setup 进入静力学分析 2.点击 Supports——Fixed Support（固定约束），对大头内孔径表面进行约束，见图 3-2 3.点击 Loads——pressure(载荷)，对小头内孔径表面进行施加，见图 3-3 4.点击 Solve 进行计算

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　图 3-2 连杆的约束

　图 3-3 连杆的载荷 3.5 静态模拟结果分析

　 分别点击：Deformation——total(总变形图)

　Stress——Equivalent(von-Mises) (等效应力分布图)

　Strain——Equivalent(von-Mises)（等效应变分布图）

　3.5.1 连杆总变形分析 图 3-4 是连杆模型整体变形结果分布图。从图中可以看到，发动机连杆变形呈梯度分布，最大变形处位于连杆小头，最小变形处位于连杆大头。同时还可以发现，在工作过程中，当燃气压力推动活塞面加压到连杆小头内表面时，小头处于最大变形。

　除此之外，发动机连杆中部由于压力的作用也产生了横向的变形 [11] 。见图 3-5。

　 图 3-4 连杆总变形图

　图 3-5 连杆横向变形

　— 欢迎下载 3.5.2 连杆等效应力分析

　图 3-6 是发动机连杆等效应力模拟结果。从图中可以看到，连杆等效应力从小头到大头方向呈现出非线性变化。最大应力如图 3-7 所示，位于连杆杆身和连杆大头和小头接触的过度边缘区。此时，这些部位最薄弱，其最大应力值为 470MPa,因为 470MPa<800MPa,所以满足强度要求。同时，应力集中部位均在连杆肋部表面处，而且不是很明显。这样的布置，会使发动机在工作过程中有效减小应力在连杆大头和小头上的集中。从而可以增加连杆使用的可靠性和稳定性 [12] 。

　图 3-6 连杆的应力分布图

　图 3-7 连杆的最大应力

　3.5.3 连杆等效应变分析 图 3-8 是发动机连杆等效应变分布图。图 3-9 连杆最大等效应变分布图。从下图可以看出，最大等效弹性应变为 0.002，位于靠近大头肋壁与大头结合的顶角处。从最大等效弹性应变所处的位置可以发现，连杆在其工作过程中，最容易产生弹性应变处处于发动机连杆靠近大头处的连杆肋顶角处。结合 2 个图可以看出，发动机机连杆等效弹性应变的分布位置与等效应力集中的地方具有位置同步性。说明连杆上等效应力的集中必定会导致与之对应的连杆处产生较大弹性应变。但是，因为发动机连杆是采用了工字型加强的结构，使得连杆在工作过程中可以承受较大的惯性扭矩和压力。因而保证了发动机连杆经历成千上万次的使用而不受到破坏 [13] 。

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　 图 3-8 连杆的弹性应变分布图

　图 3-9 连杆的最大弹性应变

　3.6 静态分析结论 1.通过采用有限元分析方法，利用 Workbench 软件中的 Static- Structural 模块对发动机进行导入模型、网格划分并对其工作状态下力学性能的模拟与分析，得出了连杆总变形图、等效应力分布图、等效弹性应变分布图。

　2.根据得出的 3 种不同的图形，得到了发动机连杆模型最大的变形位于连杆小头顶部，最大的等效应力为 470MPa，最大的等效弹性应变为 0.002。

　3.连杆的应力部分集中于连杆肋壁的顶角处，使等效弹性应变分部显得均匀。可以提高发动机连杆工作时的可靠性、稳定性和合理性。

　— 欢迎下载 第 4 章 连杆的模态分析 由第 3 章对连杆的静力学分析可以得知连杆的强度完全符合要求。但是随着内燃机的大功率化、高速化和持久化的发展中，在强度符合要求的情况下，连杆仍然会出现一些裂纹、缝隙之类的现象。显而易见，仅仅只对连杆进行静态分析已经不能完全合符需求了。因而使用现代设计对连杆进行模态分析已经变得越来越重要。模态分析已然成为了动力学分析过程中必不可缺的一部分。模态分析是连杆动力学分析的基础，主要用于确定连杆结构的模态参数，即固有频率和相应振型。连杆结构理论上是一个无限多自由度系统，存在无数多个固有模态，即无数多个固有频率和相对应的振型。但是，实际上它的动力特性主要由少数低阶模态决定的，只要应用这些模态就可以相当精确的表达它的动力特性。所以只考虑从最低频率开始的有限个固有模态就足够了。尽量使各主要部件第一阶模态远离工作频带，以免集成的整机模态频率与工件激励频率相近时，产生共振，影响加工质量。这对于连杆的动态特性设计、结构优化设计和操作空间设计以及控制等方面具有重要的指导意义。

　4.1 模态分析理论 近代研究结构动态特性的一种分析方法就是模态分析。其中模态是指机械结构的固有振动特性。而模态分析是指将结构的复杂振动分解为多个简单而独立的振动，并且用一系列模态参数来表示的过程。

　[14] 一般情况下，对于多自由度的结构系统，任何运动都可以由自由振动的模态合成。根据振动理论，将不间断的连杆结构离散成为 s 个单元和 n 个节点构成的网格模型。从而可以得到该连杆系统的动力微分方程（4-1）：

　 ) (. ..t f Kx x C x M   

　（4-1）

　 上式中：M——连杆的质量，Kg;

　C——阻尼系数，N/（m/s）;

　K——刚度系数，N/m;

　x——连杆的振动位移，m；

　 f(t)——外部载荷函数，N； 在进行连杆的模态计算时，阻尼对于机械结构的固有频率和振型的影响极小。可令C=0，f(t)=0，从而可以得到发动机连杆结构的无阻尼自由振动方程式（4-2）：

　 0.. Kx x M

　（4-2）

　— 欢迎下载 对于线性系统而言，这是一个二阶常系数的线性齐次微分方程。由此可以得到连杆结构的固有频率与振型的特征方程式（4-3）：

　  M K2

　 （4-3）

　式中，ω 为连杆的固有频率，Φ为相应的特征矢量，即为结构的正则化模型。

　4.2 约束与载荷 模态分析同静力学分析一样，边界条件的约束与载荷要与工程实际尽量相符合。该文主要针对自由状态下的振型模态进行分析。在施加相应的载荷时，忽略其他交变载荷，只考虑自身重力的作用，并且根据实际情况施加约束。因为连杆在运动时所受的主要载荷位置为连杆小头与活塞销接触的接触区和连杆大头与曲柄销接触的表面。所以在施加约束时，在连杆小头和活塞销接触区，只保留沿气缸中心线的移动自由度和绕小头孔中心线的转动自由度，其他部分自由度约束。在连杆大头和曲柄销接触区只保留绕孔中心线的转动自由度，其他部分自由度约束 [15] 。

　4.3 连杆模态求解与分析 根据以上的边界条件约束，对其进行必要的模态分析。提取前 8 阶模态的频率，如表4-1 所示，与频率相对应的各阶振型图如图 4-1 至图 4-8 所示。

　表 4-1 连杆的固有频率计算结果 阶数 频率（Hz）

　阶数 频率（Hz）

　1 312.6 5 4099.4 2 773.1 6 5030.8 3 1026.9 7 7303.3 4 2435.2 8 7559.5

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　图 4-1 第一阶振形

　图 4-2 第二阶振形

　图 4-3 第三阶振形

　图 4-4 第四阶振形

　图 4-5 第五阶振形

　图 4-6 第六阶振形

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　图 4-7 第七阶振 形

　 图 4-8 第八阶振形 由图 4-1 至图 4-8 可以看出，连杆的振动形式表现多样。第一阶振型为一阶弯曲，主要是沿着 X 轴方向发生弯曲。第二阶振型主要是使连杆杆身沿着 Y 轴方向发生弯曲。第三阶变形比较大，使连杆的杆身同时发生了扭转。后 5 个阶段由于都处于 1500Hz 以上，极其容易产生模态耦合振动，对内燃机的动态特性有着很大影响。有振型图可得知，第四阶振型连杆沿着 X 轴方向发生了 2 阶弯曲。第五阶振型连杆则是沿着 Y 方向发生了 2 阶弯曲。第六阶振型沿着 Z 方向有一定变形。而连杆的第七阶振型和第八阶振型则是分别为相应方向的压缩和拉伸变形 [16] 。

　4.4 连杆模态分析结论 在有限元分析法的基础上，通过静力学分析，结合模态分析，应用 Workbench 软件对连杆结构进行模态计算和分析，得出以下结论：

　1.连杆的振动形式表现多样，不同频率下有不同的变形结果，且导致其产生弯曲变形严重。

　 2.第四阶振形图易发生连杆失效，并且在发动机工作时应该尽量避开各阶的固有频率。

　3.在振型中，由于连杆小头处存在失圆现象，很容易导致连杆小头与活塞销配合失效。这是连杆设计中的薄弱环节，应该尽量减少变形对连杆的性能损失。

　— 欢迎下载 第 5 章 连杆的谐响应分析 5.1 谐响应分析 谐响应分析的目的是计算出结构在激振力频率下的响应，即响应位移和响应应力，并得到系统的动力响应与系统振动频率的关系曲线，称为幅频曲线。由模态分析可知，连杆变形最大位移处于连杆中部且该部位易发生失效。因此，在这个区域内拾取一个节点 M 来施加激振力，如图 5-1 所示。频率范围为 0——8000Hz,分为 10 步，进行谐响应分析。

　 图 5-1

　施加激振载荷的点 施加的位移载荷大小只能改变幅频曲线的幅值大小，不能改变所求频率。如图 5-2，图5-3，分别为施加 20mm 位移载荷和施加 50mm 位移载荷的幅频曲线图。

　图 5-2

　20mm 位移载荷幅频曲线

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　图 5-3

　50mm 位移载荷幅频曲线

　通过以上分析，采用施加 50mm 的位移载荷幅频曲线图。横坐标是频率，纵坐标是节点位移。由图可以看出，随着频率的增加节点 M 的 X 方向位移变化情况，在 2400Hz 左右时出现峰值，由模态分析可知，在第四阶固有频率为 2435Hz 时连杆中部振动幅值最大，即在第四阶模态时易发生共振，导致连杆的动应力过大，以至于出现疲劳和裂纹等损坏现象。

　5.2 谐响应分析的结论：

　1.连杆在第四阶固有频率为 2435Hz 时发生共振，易使连杆失效。

　2.通过谐响应分析，得到连杆发生共振的频率区域，从而使得设计人员能预测连杆的持续动力特性，验证设计是否能可否共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害结果。

　— 欢迎下载 结论与展望 结论 本文主要设计了 CA4110 柴油机的连杆，并且应用 Pro/E 软件对所设计出来的连杆进行建模。在对模型检查无误的情况下，将其导入 Ansys Workbench 15.0 进行连杆的网格划分、静力学分析、模态分析和谐响应分析。

　在对连杆进行静力学分析时，确定了连杆强度满足要求。

　在对连杆进行动态的模态分析时，发现连杆的振动形式表现多样，不同频率下有不同的变形结果，且导致其产生弯曲变形严重。计算出了连杆的振型和固有频率，发现了连杆振动过程中的薄弱环节，为实际连杆的设计提供了重要的参考。

　在对连杆进行谐响应分析时，得到连杆发生共振的频率区域，从而使得设计人员能预测连杆的持续动力特性，验证设计是否能可否共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害结果。

　通过对发动机连杆进行的有限元分析，提出以下对连杆结构的改进措施：

　1.调整发动机转速和行程，或更换连杆材料，使连杆激振力的频率远离各阶模态的固有频率，避免发生共振破坏。

　2.由于低阶次模态下相邻两阶的固有频率之差较小，容易发生共振响应，进而产生更大的动应力，从而出现弯曲疲劳裂纹，为此可加大连杆过渡圆角半径；加大壁厚或减小小头孔尺寸偏差。

　3.在杆身与小头的过渡部位，为防止剧烈振动产生弯曲裂纹，可在此处采取渗氮或滚压处理。

　展望 考虑振动作用的连杆强度计算和模态分析是连杆的研究发展方向之一。随着时代的进步，内燃机转速的提高，功率的增大的情况下，为了对连杆结构进行合理的设计，提高设计的效率和可靠性、合理性，动态计算时必不可少的，其将成为连杆分析的重点。

　— 欢迎下载 参考文献 [1]陆耀祖.内燃机构造与原理[M].中国建材工业出版社，2004 [2]黄震.发动机连杆有限元分析和结构优化设计论文,2003 [3]李春风．基于 Ansys 的汽车门锁机构锁紧工况的有限元分析［J］． 现代机械，2012 [4]柴油机设计手册编辑委员会.柴油机设计手册（上）[J].中国农业机械出版社，1984 [5]吴兆汉.内燃机设计[M].北京理工大学出版社，1995 [6]Q.Wang, F.He.A view of developments in the forging of connecting rod in China[J].Journal of Materials of Processing Technology,2004 [7]杜白石，杨福增，朱琳，寇小希.三维机械设计，2013 [8]王银燕,张鹏奇,王善.内燃机连杆静力学分析[J].哈尔滨工程大学学报,2001 [9] 王林军.LR4105 柴油机曲轴、连杆动应力分析研究[J]. 车用发动机,2008 [10]李春风.ANSYS 软件在连杆有限元分析中的应用,2015 [11]谈卓君,左正兴,张儒华.内燃机连杆有限元分析进展[J]. 中国机械工程,2004 [12]郭涛,杨晓.基于 ABAQUS 的连杆有限元分析[J].装备制 造技术,2010 [13]赵丕欢,樊文欣,张保成,等.基于虚拟样机技术的柴油机 曲柄连杆机构动力学仿真研究[J].柴油机设计与制造, 2008 [14]王勖成，邵敏．有限单元法基本原理和数值方法［Ｍ］.北京：清华大学出版社，1997 [15]李腾腾.ANSYS 的发动机连杆的模态分析[J].汽车工程师，2010 [16]李明显.基于三维实体模型下的康明斯柴油机连杆复杂工况有限元分析[D].苏州：苏州大学，2005 [17]苏铁熊,吕蔡琴，张毅等.接触问题对连杆有限元分析的影响.内燃机学报，2002 [18]王勖成,邵敏．有限单元法基本原理和数值方法［Ｍ］． 北京：清华大学出版社，1997 [19]胡小青.基于 ANSYS workbench 的汽车发动机连杆力学性能分析,2014.2 [20]李鹏.基于 Hyper works 的发动机连杆有限元模态分析,2011 [21]王红卫.夏利轿车发动机连杆静态和谐响应分析，2006 [22]杜鹏，刘辉.基于 ANSYS 的发动机连杆动态特性分析

　— 欢迎下载 致 谢

　在本论文完成之际，首先向我最尊敬的导师杨创创老师致以最诚挚的敬意和最衷心的感谢。几个月以来，他不遗余力的对我的设计进行了指导。从我刚开始毫无头绪的时候，老师就亲自下载了一些文献传给我，让我慢慢建立了对本论文的想法。在不断的设计与不断的改进过程中，老师激励着我前进的步伐，他以其渊博的知识，宽厚的胸怀、无私敬业的精神以及严谨的治学态度和开拓进取的精神影响着我，并且言传身教，身体力行地不断培养着我的独立思考，深入探索，解决实际问题的能力，使我受益匪浅。在我刚接触 ANSYS Workbench 软件的时候，老师耐心的为我一一讲解，孜孜不倦。在遇到问题时，老师怎能很及时的帮我解决问题。特此向杨创创老师表示衷心的谢意。

　此外还要感谢那些关心过我帮助过我的同学、老师们，正是因为有了大家们的关怀、鼓励和我自己的不懈努力，论文才得以顺利的完成。

　同时还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下了良好的专业基础。在此感谢朱琳老师和寇小希老师，是他们教会了我们 Pro/E 软件的应用。使得建模顺利完成。

　毕业论文虽然已经顺利的完成，但是自己的知识水平有限，实践经验更是缺乏，设计中还存在很多不足的地方。对于这些不足，今后一定会不断学习，去不断改进。

　最后祝福西北农林科技大学越来越好，机电学院人才济济，前程似锦！！！

　— 欢迎下载 外文文献：

　Based on the Workbench finite element modal analysis of engine connecting rod

　With the development of the engine to the direction of high speed and high power, in order to reduce vibration, the dynamic characteristics of a connecting rod section research has become an important link in the design of connecting rod. On the theory of finite element modal analysis technology and the design of connecting rod, can in order to improve the rationality and reliability of the connecting rod structure. In this paper, based on the ANSYS Workbench software connecting rod of three-dimensional finite element model is established and the modal analysis, it is concluded that the vibration characteristic, provide theoretical basis for optimal design of the next step.

　 Modal analysis is one of the modern research structure dynami...