汽車發動機連桿結構有限元分析方法探究

李海峰

摘要：汽車發動機由多個零件共同組成，這些零件當中的機構承擔著不同的責任以及義務。發動機連桿結構是整個汽車發動機當中最為重要的組成部分，他們共同組成了汽車發動機的活塞連桿組，為發動機的運行打下了堅實的基礎。使用有限元法對汽車發動機連桿結構進行分析，可以提高它在工程實踐應用當中的效果，同時也可以有效推動汽車行業的發展。通過對收集到的資料進行分析，可以發現從有限語言的角度進行討論，可以很好的將發動機聯板結構分析適應性的問題進行解決，同時也可以更好的改進汽車連桿結構優化相關的設計內容。

關鍵詞：發動機連桿;有限元分析結構;分析適應性

中圖分類號：TH133.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0073-02

0 ?引言

在發動機運行的過程當中，發動機內部的連桿結構受到壓縮拉伸等交變的載荷作用。如果連桿存在剛度不足的情況，那么經過一段時間的使用之后，整個桿體會出現變形彎曲的現象，甚至整個連桿的大頭都會視源變形，一旦發生這一情況就會使得發動機的活塞氣缸軸承等零部件出現偏磨的現象。而且連桿的桿身本身就是屬于一個長桿件在運行的過程當中需要承受較大的工作壓力，為了防止連桿的桿身因受到多種力量的影響，出現彎曲變形的情況，那么桿身就需具備較強的剛度和強度。總而言之，對于汽車的使用，汽車發動機的使用效果和使用壽命來說，發動機連桿結構的質量直接影響到了相關的指標。

1 ?有限元法

在社會快速發展的背景之下，人們對科學技術的要求也越來越高，隨著工程技術的深入發展，各個行業在進行產品生產的過程當中，都已經融入了高科技的技術。但是人們對工程技術的實際要求也不斷的提高，使用傳統的線性理論知識已經無法滿足各行業在設計方面的各項要求，要想解決工程當中存在的實際問題，現場工作人員需要花費更多的時間和精力，對非線性的問題進行深入的探討。那么要想真正的解決非線性的問題，就需要使用數值模擬的方法進行解決，這種方法的實用性和應用廣泛性都比較高，其中使用價值較高的是有限元法。從第一的角度進行分析，有限元法實質上是以力學模型作為基礎進行近似數值計算的一種方法，它所求得的解是一種數值解。在對工程問題進行研究時，使用有限元法進行分析，如果能夠獲得較好的處理結果，那么就說明計算過程所得的數值精確度非常高。

有限元法的實際操作過程，就是將一個物體離散成有限個單元，按照一定的方法將這些不同的單元進行連接以及組合之后，使得單元的組合與原來的物體相似度越來越高和對不同單元的問題進行解決之后，就可以有效的分析物體原本存在的問題。經過分析之后，不同單元的問題變得更加簡單，解決這些簡單的問題與解決一個大的難題相比，花費的時間和精力比較少。

并且對這些單元的內容進行針對性的分析，最終得到對整個物體的分析結果。在網絡劃分當中劃分的每一個小塊，我們稱之為單元。確定每一個單元的形狀，每個單元之間相互連接的點，我們將其稱為節點。在每一個單元節點上又包含著整個物體的結構，我們將這個結構內力稱為節點力，也可以說是節點載荷。這些定義和概念在后期的物理量分析工作以及計算當中都會用到。

2 ?有限元法解決結構分析的適應性

2.1 建立在嚴格理論基礎上的可靠性

從數學的角度對有限元計算方法的計算過程進行分析，分析的過程需要建立在變分原理和加權余量法原理的基礎之上，這兩個原理對有限元方程進行分析，可以證實微分方程和邊界條件的等效積分形式，利用這些原理進行發動機連桿結構的分析可以獲得準確的效果，因為這是建立在原有正確的失學模型基礎之上。那么這種方法的計算結果就可保證其準確性。在離散期間，隨著單元數目的增加或者單元自由度的增加，有限元解的結果，其相似程度會不斷的提升。發動機的連桿結構本身就具有復雜的特點，這些復雜的內容很難使用傳統的方法進行解決，也很難獲得準確的分析結果。有限元法是建立在嚴格理論基礎上開展的一種問題分析方式，它的可靠性相對較高，在對物體進行單元離散之后，單元數目會得到大幅度的增加，單元自由度的增加程度也十分明顯。

2.2 廣泛物理問題的適應性

因為使用有限元法解決結構分析的問題，不僅能夠獲得準確的分析結果，而且它的使用門檻比較低，可以對多種類型的物體進行分析和計算，它對各個單元所對應的方程也沒有固定的要求。據了解有些有限元法可以用于各種物理問題的解決過程，例如彈射性的問題，線彈性的問題等等，同時也可以對物理量相互耦合的問題進行解決。有限元法解決結構性問題的適應性涉及的內容比較復雜，在建立嚴格理論基礎之上的可靠性和廣泛物理問題的適應性的基礎上，還具有對復雜幾何模型的適應性。與前面兩個適應性相比復雜幾何模型的適應性具有一定的特殊點。因為在一個空間當中，單元的表現形式可以有不同類型的內容。可以是多維的，也可以是一維的。每一個單元可以有著不同種類型的形式每一個單元也可以采用不同的連接方式。所以發動機的連桿結構及運行過程是非常復雜的。此時使用傳統的方法進行結構性的分析，無法真正的了解到結構的實質。使用有限元方法進行解決，就可以獲得較好的解決結果。因為這些復雜的幾何結構都可以離散成不同的單元而研究人員，只需要對每一個單元的問題進行分析之后，將多個單元的內容進行有效整合之后就可以獲得相應的分析結果。

3 ?連桿有限元分析

汽車發動機是整個汽車的重點核心內容，發動機的運行質量直接影響到汽車使用的效果和發動機當中動力的傳遞，則是非常重要的一個零件，它影響到了發動機的運行效果，也影響到了整個汽車的價值。連桿是汽車發動機當中能夠對動力進行傳遞的重要零件，它的運行過程是把活塞的直線運動轉變為曲軸的旋轉運動，并且在整個作用的過程當中，將活塞的力傳給曲軸并輸出功率。連桿在實際工作的過程當中需發揮的作用是其他汽車發動機零件無法替代的，它需要承受裝配載荷以及交變工作的載荷，同時還會包括氣體爆發壓力和慣性力等多個方面的內容。現在很多行業的產品都已經朝著環保節能的方向發展，現代汽車也不例外，所以在發動機連桿的設計方面也必須要在多個指標方面滿足環保汽車的各項需求，特別是在強度和剛度方面。而且在滿足其新型要求的前提下，發動機的連桿還需具備尺寸小、重量輕的特點，只有這樣才可以為汽車發動機的運行效果提供保證。當然他的這些特點也給它問題分析的過程帶來了較大的難度。

連桿的三維有限模型需要使用力學進行分析和計算過程，包括的零件比較復雜，分別有連桿螺母，活塞銷曲，軸連桿，軸頸連桿，大頭軸瓦以及連桿蓋。在進行計算的過程當中，使用計算精度比較高的任何一點單元的劃分網格，可以將其劃分為24，204個節點，17，258個單元。其實在進行實際安裝期間，因為受到多種因素的影響，實際的操作難度比較高。例如在較大的螺栓預緊力的影響之下，連桿和連桿蓋的分析過程均處于接觸的狀態。這一狀態在連桿有限元模型當中很難直接反映出來，所以在進行模型的計算和建設工作是對這一過程進行了簡化。雖然在建模分析的過程當中，將連桿和連桿蓋的實際分析工作合為一體，但最終的分析結果并沒有受到影響。同樣螺旋連桿和連桿螺母雖然合為一體，但最終的結果不會受到影響。

4 ?發動機連桿結構有限元分析過程

4.1 連桿結構的三維計算模型建立

桿身、瓦蓋、瓦軸、曲柄、活塞銷、螺栓螺母等都是連桿結構的重要組成部分，這些零部件的計算過程具有比較大的難度，其中大端是連桿結構比較容易出現損壞的部位，所以在進行分析時，工作人員需要將分析的重點放在大端附近。

4.2 連桿結構幾何離散化

將連桿結構進行幾何離散的話，其實就是將連續的求解欲離散成一個虛擬的線或者面將這些線和面的組成設定為有限個單元的組合體，經過離散之后，每一個單元與單元之間是利用單元節點相互聯系的，這樣的組合體可以模仿或者在各項指標和數據上逼近求解的區域。此時，我們就可以通過對這些單元的相關內容進行分析之后，獲得原有物體或結構體存在問題的解答方法。因為使用有線語音分析的方式對物體進行幾何離散之后，已經不是原來的物體及結構體，所以它的計算結果只能近似，不能十分準確。要想保證計算結果與正確的結果無限接近，那么就需要將單元進行深入地劃分，保證劃分數目非常多，且要保證一定的合理性。在實踐操作的過程當中，工作人員需要認識到有限元技術對實現問題的解決，必須要保證解決的過程始終結合模型的實際情況，將產品結合模型進行離散之后，對計算量的大小進行分析，這樣才能獲得更加準確的結果。通過對汽車連桿結構的模型進行研究之后，可以發現與其他模型相比，汽車連桿結構模型具有一定的特殊性，它是多面體接觸問題，這時可以將連桿結構的零部件作為整體，將其接觸面進行簡化之后，計算相關的問題和數據。

4.3 連桿結構網格單元特性分析

位移模式有三種不同類型的方法，這三種不同類型的方法分別是首先選擇節點位移作為基礎位置時的位移法，其次是選擇節點力作為基礎位置時的立法，最后是取一部分節點力和一部分節點位移作為基本未知法的混合法。對于汽車的連桿結構，網格模型進行研究和分析時，要想獲得更加準確的分析結果，并且使得分析的過程更加簡單，就需使用位移法，這種方法易于實現計算自動化，而且應用的范圍非常廣泛。

深入了解連桿結構單元網格的力學性質和特點找到其相應的關系式之后，根據彈性力學的集合方程以及物理方程確定相應的強度矩陣。連桿結構可以利用條件以及邊界條件，將每個單元按照原來的結構重新連接起來和有限元分析方程，則可以將這些邊界條件進行有效的處理之后獲得相關的數據并求解。經過一系列的計算以及操作，可得到節點位移的相關數據。利用有限元法對物體存在的問題進行分析，其過程需使用不同類型的方程和這些方程與物體單元之間的契合度相對較高。每一個有限元模型都具有相應的節點，如果有限元模型的節點越多，那么就說明這個模型的線性方程數量也遠遠高于部分節點比較少的有限元模型。當然在線性方程數量比較高的前提下，計算分析處理的復雜度越來越高，計算分析的結果難度也比較大，但是它可以很好的展現出物體存在的問題和提出相應的解決對策。在這個步驟，我們需要對計算出來的結果進行深入的加工以及分析，并且以不同的形式展現出來。

5 ?結語

上文重點針對汽車發動機的連桿結構強度進行了深入的討論，并且從有限語言的角度探討發動機的連桿結構，通過對收集到的數據進行分析，可獲得如下分析結果。從疲勞強度的角度來看，為汽車連桿結構進行深入的改進，并且按照目前汽車連桿的實際情況開展優化設計工作，具有很大的意義，使用有限元法了解發動機連桿結構的相關內容之后，可以為汽車連桿結構的改進和優化提供理論基礎。而且有限元法的應用可以讓工作人員獲得更加準確的連桿結構應力數據。

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