大功率柴油发动机连杆的有限元仿真分析

摘 要：通过查阅大功率柴油发动机连杆的各项参数以及运动的工况，利用三维软件 CATIA V5 R20建立大功率柴油发动机连杆的三维模型，对其施加约束、边界条件和网格划分，最后将连杆的三维模型导入有限元软件ANSYSY进行仿真分析，以及计算该连杆在最大拉伸和最大压缩两种工况下的受力情况。研究分析表明：大功率柴油发动机连杆在压缩时最大应力处于小头孔的下端，其最大应力为497.692MPa，最大形变为0.174254；拉伸时最大应力处于小头孔两端开始与杆身过度的位置，其最大应力为111.029 MPa，最大形变为0.017659mm。由此可以得出，该连杆的设计是可行的，并为连杆的进一步优化分析提供了依据。

关键词：大功率，发动机连杆，仿真软件ANSYS，仿真分析

1. 发动机连杆的运动分析

本文以大功率柴油发动机的连杆作为研究对象，连杆主要由连杆体、连杆盖、连杆螺栓、连杆轴瓦等构成[5-6]。由于连杆是发动机传递力的重要零部件，同时也可以将活塞的直线运动转化成旋转运动[7]。在整个运动的过程中，连杆承受着各种负载，因此，对大功率柴油发动机的连杆进行有限元的仿真分析具有很重要的意义。

对发动机连杆的轻量化分析有助于提高发动机的性能，以此同时也会在允许的范围内减轻质量对发动机整体的重量也会随之降低，相应的振动和噪音都会随之降低。

在发动机的运动过程中，由于发动机燃烧室燃烧燃料产生力，并通过连杆将力传送给曲轴，曲轴带动飞轮将动力输出。以此同时，在燃料产生的爆炸时，由于只活塞作往复直线运动，通过连杆可以将活塞的直线运动传递给曲，使得曲轴做旋转运动。那么连杆在运动时主要受到活塞销传来的气体作用力和活塞作往复运动时产生的惯性力。

连杆杆身承受周期性交变载荷的作用，对其刚度和强度都有很高的要求。工程机械上如果要在一定质量下获得较大的刚度，一般将物体的形状做成“工”字形断面，为了使活塞产生的气体力小头到大头的能够逐渐地过度，在发动机连杆杆身设计时一般是将连杆小头到连杆大头逐渐过渡的方法使其传力均匀。汽车发动机连杆的示意图如图1所示。

经过仔细分析与相关的软件分析，拉伸和压缩是连杆受到的基本载荷，当活塞运动到进气冲程开始的上止点时，这时连杆承受最大拉力；当活塞运动到膨胀冲程开始的上止点时，连杆承受最大压缩力，其數值是爆发力产生的推力减去前述的惯性力。在一个发动机的工作循环中，连杆做的是复合运动，同时也在不停的承受交变载荷的作用。为曲柄连杆机构运动简图如图2所示。

2.连杆的有限元分析

通过建模软件CATIA对大功率柴油发动机的连杆进行三维建模，然后将模型导入有限元软件ANSYS中进行仿真分析，连杆采用45#钢作为材料，其材料的特性参数为：密度为7.8x103 kg？m-3，泊松比为0.3，屈服强度为550 Mpa，弹性模量为200 Gpa。在ANSYS软件允许的范围内，可以合理的对模型进行一定的简化。

2.1网格划分和边界条件

在对模型分析之前需要进行网格划分，网格大小方式必须根据模型的实际情况进行选择。由于大功率柴油发动机的连杆的结构相对复杂，过渡圆弧与圆角在连杆结构中存在较多，利用划分网格工具需要进行处理的细节较多，划分出来的网格单元体形状种类太多，导致节点过多，分析时计算机需要计算的地方太多太复杂，不仅增加了计算时间，对计算机本身的配置要求也提高了不少。

首先选定网格划分系数，分析软件自带的分析计算功能会对理网格类型进行估计并自动划分，有限元软件的网格划分系数有 10 个等级，其中 1 级的划分精度最高，10 级最粗略。本文选择的网格划分系数为 5，这样不仅符合连杆的分析计算精度，同时也为计算机节省了空间，计算时间也大为缩短。智能网格化分其结果如图3所示。

在进行有限元分析时，需要对模型进行边界条件的选取，有限元分析计算结果的准确性会受到边界条件选取的影响；本次优化分析时，选择的计算工况在最大受力位置，因为连杆在工作时作平面运动，强度分析中连杆变形也是自身相对变形。本文在连杆受到最大压力时，曲柄销假定当着刚体进行固定，在连杆盖上内表面上 1800圆柱面上施加径向约束；连杆受到最大拉力时：径向约束施加在连杆大头内侧下部 1800圆柱面上，为了保证模型的所有约束得到保证，对称约束会施加到连杆宽度方向上，分析模型就是这样被完全约束了

2.2有限元分析结果

通过对大功率柴油发动机的连杆受到最大的拉伸和压缩的情况下进行有限元仿真分析，其分析结果如图4和图5所示：

从图4中可以看出，连杆压缩时，最大应力处出现在大头孔两侧区域，最大应力值是为 497.692MPa；最大应变出现在小头孔，最大压缩变形为 0.174254mm。

从图5中可以看出，连杆拉伸时，连杆在最大拉伸应变位于大头孔内表面两侧，最大的拉伸应力为111.029 MPa；最大应变出现在小头孔，最大压缩应变为0.017659mm。

3.总结

通过仿真软件CATIA V5建立大功率柴油发动机的连杆的三维模型，再导入ANSYS软件中进行分析计算，分析过程中对建模进行科学合理的网格划分和边界条件的设定，从而提高了该连杆的精度，分析结果的可靠、正确。最后通过有限元分析计算得出的结果符合设计要求，为连杆的优化提供一定参考数据。

参考文献：

[1] 冯义，文学洙.发动机曲柄连杆机构的动力学分析[J].延边大学学报（自然科学版），2018，44（01）：90-94.

作者简介：

程国昊1997年，男，汉族，内蒙古满洲里，陆军装甲兵学院，本科学员无职称，机械工程方向