发动机连杆的有限元分析

2021年2月8日发(作者：无知)

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< /p>

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

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

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

.

< p>
............................................ ......

- 2 -

1.3

主要研究的内容

.

< br>............................................... .........

- 3 -

第

2

章

连杆的三维建模

......... ...........................................

- 4 -

2.1

连杆的结构及参数分析

.

< p>
............................................ ......

- 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

< /p>

.

............................ ................

- 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

.

< br>............................................... ........

- 10 -

3.2

连杆的有限元网格划分

.

< p>
............................................ .....

- 10 -

3.3

连杆的运动和受力分析

.

< p>
............................................ .....

- 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 -

I

结论与展望

................................................. .............

- 22 -

结论

.

.. .................................................. .................

- 22 -

展望

.

.. .................................................. .................

- 22 -

参考文献

............ .................................................. ..

- 23 -

致

谢

......................................... ..........................

- 24 -

II

绪

论

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]

< br>。

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。

< br>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，< /p>

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、< /p>

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< /p>

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。

- 1 -

发动机连杆的有限元分析

本文应用

ANSYS

Workben ch

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< /p>

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

、

ADIN A

、

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< /p>

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

< p>
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

M TR

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。< /p>

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

- 2 -

绪

论

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。

< br>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。

< br>

( 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。

- 3 -

发动机连杆的有限元分析

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，< /p>

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

< /p>

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

< br>，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]

。

- 4 -

连杆的三维建模

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

连杆大头内径

连杆大头外径

连杆小头内径

连杆小头外径

连杆长

连杆宽

连杆高

2.2

基于

Pro/E

连杆的建模

2.2.1 Pro/E

的简介

尺寸大小

（

mm

）

74

90

42

54

266

100

38

Pro/E

< p>
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

/

< p>
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]

：

- 5 -

发动机连杆的有限元分析

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

（

< br>1

）建立新文件

< p>
选择菜单中的

[

文件

]< /p>

——

[

新建

]< /p>

命令，出现

[

新建

]

对话框，在对话框中选择

[

零件< /p>

]

——

[

实体< /p>

]

，在

[

文件名

]

栏中输入“

liangan

”

，将“使用默认模板”√去掉，然后点击

[< /p>

确定

]

（

2< /p>

）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

R IGHT

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

< br>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

1 8mm

的于

RIGHT

平面平行的平面 。第二条曲线与第一条曲线错位

18

?

tg

6

?

1

.

892

?

1

.

9

mm

；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

5

.

5

?

18

?

tg

6

?

3

.

< p>
6

mm

；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

- 6 -

连杆的三维建模

（

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

对话框，

点击框中的

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

< p>

调整要剪裁的部分。（见图

2-5

）

，

被激活，点击该图标，在下方出现

，

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

曲面合并

图

2-5

曲面切除

- 7 -

发动机连杆的有限元分析

（

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

（

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

）

，在下方出现对话框

,

点击对话框中的

，完成实体化处理。

图

2-6

杆身筋板的草绘

图

2-7

杆身筋板的创建

< br>（

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，在右上角出现菜单管理器窗口，点击其中的

点击

命令，激活

命令并点击，再点击

在下方的提示栏中出现提示< /p>

命令的下拉式菜单中点击

命令，出现二 级菜单，

命令，出现三级菜单），并

，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

< p>
）

图

2-8

杆身部分

- 8 -

连杆的三维建模

（

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.< /p>

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

Ф

90

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.< /p>

创建连杆螺栓搭子，并向上拉伸

38mm

。

（

10< /p>

）连杆建模完成（见图

2-10

）

图

2-10

连杆的模型

- 9 -

发动机连杆的有限元分析

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]

< p>
。

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

< br>）

2.06x10

11

3.2

连杆的有限元网格划分

泊松比

0.26

< br>密度

(Kg/m

3

)

7850

材料屈服极限

(MPa)

800

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

< p>
。点中

Static Structural

创建静力学分析板块。

-

10 -

连杆的静力学分析

点击

Engineering Data

对材料属性进行定义。其中

Density

是密度，改为< /p>

7850

，单位不

变；

< br>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

Rele vance

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

< p>
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。

< p>
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。

- 11 -

发动机连杆的有限元分析

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

）：

F

1

?

?

D

2< /p>

4

P

n

（

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

=

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：

< br>1.

点击

Setup

进入静力学 分析

F

S

（

3-2

）

2 .

点击

Supports

——

Fixed Support

（固定约束）

，< /p>

对大头内孔径表面进行约束，

见图

3-2

3.

点击

Loads

< br>——

pressure(

载荷

)

，对小头内孔径表面进行施加，见图

3-3

< br>4.

点击

Solve

进行计算< /p>

-

12 -