大功率柴油發動機連桿的有限元仿真分析

摘 要：通過查閱大功率柴油發動機連桿的各項參數以及運動的工況，利用三維軟件 CATIA V5 R20建立大功率柴油發動機連桿的三維模型，對其施加約束、邊界條件和網格劃分，最后將連桿的三維模型導入有限元軟件ANSYSY進行仿真分析，以及計算該連桿在最大拉伸和最大壓縮兩種工況下的受力情況。研究分析表明：大功率柴油發動機連桿在壓縮時最大應力處于小頭孔的下端，其最大應力為497.692MPa，最大形變為0.174254；拉伸時最大應力處于小頭孔兩端開始與桿身過度的位置，其最大應力為111.029 MPa，最大形變為0.017659mm。由此可以得出，該連桿的設計是可行的，并為連桿的進一步優化分析提供了依據。

關鍵詞：大功率，發動機連桿，仿真軟件ANSYS，仿真分析

1. 發動機連桿的運動分析

本文以大功率柴油發動機的連桿作為研究對象，連桿主要由連桿體、連桿蓋、連桿螺栓、連桿軸瓦等構成[5-6]。由于連桿是發動機傳遞力的重要零部件，同時也可以將活塞的直線運動轉化成旋轉運動[7]。在整個運動的過程中，連桿承受著各種負載，因此，對大功率柴油發動機的連桿進行有限元的仿真分析具有很重要的意義。

對發動機連桿的輕量化分析有助于提高發動機的性能，以此同時也會在允許的范圍內減輕質量對發動機整體的重量也會隨之降低，相應的振動和噪音都會隨之降低。

在發動機的運動過程中，由于發動機燃燒室燃燒燃料產生力，并通過連桿將力傳送給曲軸，曲軸帶動飛輪將動力輸出。以此同時，在燃料產生的爆炸時，由于只活塞作往復直線運動，通過連桿可以將活塞的直線運動傳遞給曲，使得曲軸做旋轉運動。那么連桿在運動時主要受到活塞銷傳來的氣體作用力和活塞作往復運動時產生的慣性力。

連桿桿身承受周期性交變載荷的作用，對其剛度和強度都有很高的要求。工程機械上如果要在一定質量下獲得較大的剛度，一般將物體的形狀做成“工”字形斷面，為了使活塞產生的氣體力小頭到大頭的能夠逐漸地過度，在發動機連桿桿身設計時一般是將連桿小頭到連桿大頭逐漸過渡的方法使其傳力均勻。汽車發動機連桿的示意圖如圖1所示。

經過仔細分析與相關的軟件分析，拉伸和壓縮是連桿受到的基本載荷，當活塞運動到進氣沖程開始的上止點時，這時連桿承受最大拉力；當活塞運動到膨脹沖程開始的上止點時，連桿承受最大壓縮力，其數值是爆發力產生的推力減去前述的慣性力。在一個發動機的工作循環中，連桿做的是復合運動，同時也在不停的承受交變載荷的作用。為曲柄連桿機構運動簡圖如圖2所示。

2.連桿的有限元分析

通過建模軟件CATIA對大功率柴油發動機的連桿進行三維建模，然后將模型導入有限元軟件ANSYS中進行仿真分析，連桿采用45#鋼作為材料，其材料的特性參數為：密度為7.8x103 kg？m-3，泊松比為0.3，屈服強度為550 Mpa，彈性模量為200 Gpa。在ANSYS軟件允許的范圍內，可以合理的對模型進行一定的簡化。

2.1網格劃分和邊界條件

在對模型分析之前需要進行網格劃分，網格大小方式必須根據模型的實際情況進行選擇。由于大功率柴油發動機的連桿的結構相對復雜，過渡圓弧與圓角在連桿結構中存在較多，利用劃分網格工具需要進行處理的細節較多，劃分出來的網格單元體形狀種類太多，導致節點過多，分析時計算機需要計算的地方太多太復雜，不僅增加了計算時間，對計算機本身的配置要求也提高了不少。

首先選定網格劃分系數，分析軟件自帶的分析計算功能會對理網格類型進行估計并自動劃分，有限元軟件的網格劃分系數有 10 個等級，其中 1 級的劃分精度最高，10 級最粗略。本文選擇的網格劃分系數為 5，這樣不僅符合連桿的分析計算精度，同時也為計算機節省了空間，計算時間也大為縮短。智能網格化分其結果如圖3所示。

在進行有限元分析時，需要對模型進行邊界條件的選取，有限元分析計算結果的準確性會受到邊界條件選取的影響；本次優化分析時，選擇的計算工況在最大受力位置，因為連桿在工作時作平面運動，強度分析中連桿變形也是自身相對變形。本文在連桿受到最大壓力時，曲柄銷假定當著剛體進行固定，在連桿蓋上內表面上 1800圓柱面上施加徑向約束；連桿受到最大拉力時：徑向約束施加在連桿大頭內側下部 1800圓柱面上，為了保證模型的所有約束得到保證，對稱約束會施加到連桿寬度方向上，分析模型就是這樣被完全約束了

2.2有限元分析結果

通過對大功率柴油發動機的連桿受到最大的拉伸和壓縮的情況下進行有限元仿真分析，其分析結果如圖4和圖5所示：

從圖4中可以看出，連桿壓縮時，最大應力處出現在大頭孔兩側區域，最大應力值是為 497.692MPa；最大應變出現在小頭孔，最大壓縮變形為 0.174254mm。

從圖5中可以看出，連桿拉伸時，連桿在最大拉伸應變位于大頭孔內表面兩側，最大的拉伸應力為111.029 MPa；最大應變出現在小頭孔，最大壓縮應變為0.017659mm。

3.總結

通過仿真軟件CATIA V5建立大功率柴油發動機的連桿的三維模型，再導入ANSYS軟件中進行分析計算，分析過程中對建模進行科學合理的網格劃分和邊界條件的設定，從而提高了該連桿的精度，分析結果的可靠、正確。最后通過有限元分析計算得出的結果符合設計要求，為連桿的優化提供一定參考數據。

參考文獻：

[1] 馮義，文學洙.發動機曲柄連桿機構的動力學分析[J].延邊大學學報（自然科學版），2018，44（01）：90-94.

作者簡介：

程國昊1997年，男，漢族，內蒙古滿洲里，陸軍裝甲兵學院，本科學員無職稱，機械工程方向