基于ANSYS的汽车发动机连杆性能分析

    摘 要：本文用ANSYS软件对汽车发动机连杆进行了静力学分析和模态分析，建立了发动机连杆性能分析模型。通过静力学分析，建立了发动机连杆的力学性能模型，得出了连杆总变形、定向变形、等效应力以及等效弹性应变分布情况。通过模态分析，得出了发动机连杆模型的模态分布情况以及每一模态下的模态振型。最后，综合得出了连杆的易变形位置，并提出了相应的防治措施，为高性能连杆的设计提供改良依据。

    关键词：发动机连杆；ANSYS；有限元；静力学分析；模态分析

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.003

    0 引言

    汽车发动机连杆是发动机的重要零部件之一，它的性能影响着发动机整体结构的运动可靠性和工作稳定性。发动机连杆的作用是把活塞与曲轴连接起来，把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[2]，从而对外输出做功。发动机连杆由大头、小头和杆身三部分构成。与活塞销连接的部分称连杆小头，连杆小头与活塞一起做往复运动；与曲轴连接的部分称连杆大头，连杆大头与曲轴一起做旋转运动；连接小头与大头的杆部称连杆杆身。

    发动机连杆的运动有上下运动以及左右摆动，从而形成复杂多变的平面运动。因此，发动机连杆的受力情况也是复杂多变的，在工作过程中经常受到拉伸、压缩、弯曲和扭转等多种交变载荷的复杂应力的作用，工作环境恶劣。如此复杂的应力作用容易造成发动机连杆的疲劳、磨损、弯曲甚至断裂，进而影响发动机正常工作[3]。因此，对发动机连杆进行性能分析就显得尤为重要。

    多数发动机连杆性能问题很难通过经典的弹性力学分析，进而求解微分方程而得到其解析解。但基于ANSYS的有限元分析方法则可以避免求解微分方程。基于此，本文用ANSYS软件对汽车发动机连杆进行了静力学分析和模态分析，建立了发动机连杆性能分析模型，为发动机连杆的改良设计提供一定思路。

    1 工况选择

    以四冲程发动机为例，在汽车发动机正常工作时，发动机连杆的受力是呈周期性变化的。其工作环境的变化也主要受活塞、曲轴在吸气、压缩、做功、排气四个冲程中的变化的影响。

    在静力学分析中，忽略连杆与配合件的摩擦力，只考虑连杆体的受力，可以把连杆看作是二力杆，仅受拉力和压力。基于此，本文模型计算采用准动态模拟分析方法，把连杆的受力情况固定在工况最为恶劣的最大燃气爆发压力引起的最大压缩工况，将动力学的问题转化成静力学问题来进行分析求解。

    在模态分析中，发动机连杆的惯性力变化与发动机的转速有关，其频率通常是发动机基频的谐次。在某种程度上，燃气爆发压力可以看作频率范围很宽的脉冲激励。

    2 实体模型建立

    本文利用SOLIDWORKS 2016对发动机连杆进行了三维实体建模，建立了发动机连杆的较为精确的模型。在建模时，为了简化问题的处理与分析，对于不影响分析结果的连杆细节部位的进行简化处理，部分过渡圆角、润滑小油孔等均被忽略。

    3 有限元分析

    3.1 模型材料定义

    本文发动机连杆有限元分析材料选取的是40Cr，其主要参数表1所示。

    3.2 模型网格劃分

    发动机连杆的形状和结构相对简单，但存在相当多的细节特征，利用划分网格工具不方便。因此，为了生成比较合理的有限单元，本文选用了智能网格控制进行自由网格划分。自由网格划分完成之后，进行网格加密处理，最后得到了本文的网格划分模型。本文的网格划分模型如图3所示，其中节点数为33946，单元数为19947。

    3.3 静力学分析

    3.3.1 连杆受力分析

    本文模型计算采用准动态模拟分析的方法，把连杆的受力情况选定在工况最为恶劣的最大压缩工况，即由最大燃气爆发压力引起的工况。将动力学的问题转化成静力学问题来进行分析求解。

    气体压力计算公式如下：

    （1）

    式中：—最大燃气爆发压力；—气缸直径。

    通过分析计算，可得到发动机连杆在最大燃气爆发压力下受到的压力约为4.5MPa，对应的最大轴向力约为11500N。

    3.3.2 位移边界条件

    本文静力学分析采用准动态模拟分析的方法。为限制发动机连杆的位移和转动，本文对连杆大头两端的螺栓孔进行全约束，计算所得的变形量均为相对于螺栓孔全约束的变形。边界条件如图4所示。

    3.3.3 载荷分布

    发动机连杆的最大压缩作用力作用在连杆小头孔的内表面和大头孔的内表面。作用在连杆小头孔内表面的作用力沿Y轴负方向，大小为11500N。作用在连杆大头孔内表面的作用力沿Y轴正方向，大小为11500N。载荷施加情况如图4所示。

    3.3.4 总变形分析

    发动机连杆的整体总变形结果如图5所示，从图中不难发现，发动机连杆最大变形处位于连杆小头处，为。发动机连杆整体总变形呈梯度分布，并呈由小头到大头逐渐减小趋势，最小变形处位于连杆大头处，为0。同时，从图中还可发现，在发动机连杆工作过程中，当燃气压力推动活塞面加压到小头内表面时，小头处于最大变形。发动机连杆中部由于压力的作用也产生了横向的变形。

    3.3.5 定向变形分析

    发动机连杆的定向变形（X方向）结果如图6所示，从图中不难发现，发动机连杆最大定向变形处位于靠近连杆小头的杆身边缘，为，且沿轴向最大定向变形处均位于杆身边缘处。除杆身边缘外其余连杆各处定向变形分布均匀。

    3.3.6 等效应力分析

    发动机连杆的整体等效应力模拟结果如图7所示，从图中不难发现，发动机连杆模型等效应力沿小头至大头方向呈非线性变化，最大应力位于发动机连杆靠近小头的键槽槽顶处，应力为Pa；最小应力位于发动机连杆大头和小头顶部，应力为26923 Pa。

    从图中可以看出，发动机连杆整体应力分布均匀，发动机连杆中应力集中部位均在连杆键槽内。总体来说，应力并不明显。

    3.3.7 等效弹性应变分析

    发动机连杆的整体等效弹性应变模拟结果如图8所示，从图中不难发现，发动机连杆模型等效弹性应变沿小头至大头方向呈非线性变化，最大弹性应变位于发动机连杆靠近小头的键槽槽顶处，为；最小弹性应变位于发动机连杆大头和小头顶部，为。

    从最大等效弹性应变分析可以看出，在发动机连杆工作过程中，最容易产生弹性应变的地方是发动机连杆靠近小头的键槽槽顶处。综合分析图6和图7可知，发动机连杆等效弹性应变分布均匀，且并非十分明显。发动机机连杆等效弹性应变的分布位置与等效应力集中位置具有位置同步性，这说明在发动机连杆上等效应力的集中会导致与之对应的连杆处产生较大弹性应变。

    3.4 模态分析

    本文对发动机连杆进行了自由状态下的振型模态分析，不考虑其他载荷影响，只考虑自重的影响。本文对连杆自由状态下的前10阶模态进行了提取与分析，其固有频率如表2和图9所示，前10阶振型如图10所示。

    共振产生在发动机的激励力频率与连杆机构的某阶固有频率接近或相等时。共振会导致机构产生较大的弯曲和扭转变形。从前10阶振型来看，弯曲振动和扭转振动同时发生时，连杆的应力最为集中，变形量最大。

    4 结论

    4.1 分析结果

    本文采用有限元分析方法，利用ANSYS软件对发动机连杆的三维实体模型进行了静力学分析和模态分析，得出了连杆总变形、定向变形（X方向）、等效应力、等效弹性应变分布和连杆自由状态下的前10阶模态的固有频率和振型。

    结合静力学分析和模态分析，可以得到下列结论：

    （1）发动机连杆最大变形处位于连杆小頭处，为；发动机连杆整体总变形呈梯度分布，并呈由小头到大头逐渐减小趋势，最小变形处位于连杆大头处，为0。

    （2）发动机连杆最大定向变形处位于靠近连杆小头的杆身边缘，为，且沿轴向最大定向变形处均位于杆身边缘处。

    （3）发动机连杆模型等效应力沿小头至大头方向呈非线性变化，最大应力位于发动机连杆靠近小头的键槽槽顶处，应力为Pa；整体应力分布均匀，发动机连杆中应力集中部位均在连杆键槽内。

    （4）发动机连杆模型等效弹性应变沿小头至大头方向呈非线性变化，最大弹性应变位于发动机连杆靠近小头的键槽槽顶处，为。

    （5）发动机机连杆等效弹性应变的分布位置与等效应力集中位置具有位置同步性，这说明在发动机连杆上等效应力的集中会导致与之对应的连杆处产生较大弹性应变。

    （6）从前10阶振型来看，弯曲振动和扭转振动同时发生时，连杆的变形最大，应力最为集中。

    （7）结合静力学分析和模态分析可以看出，连杆的应力集中一般在键槽内靠近小头的部位，杆身的中部应力集中现象也较明显。而定向变形处均位于杆身边缘处。不同阶数下连杆的振型主要为弯曲、扭转或弯扭组合。

    4.2 优化方案

    （1）可采用加固加厚等方式加强发动机连杆键槽槽顶位置、杆身边缘位置的强度和刚度。可在这些位置采取渗氮或滚压处理以应对发动机连杆运动过程中的复杂工况，使整体应力及应变均匀分布，提高发动机连杆在工作时的可靠性和稳定性。

    （2）提高40Cr钢的调质热处理质量，并在材料加工时采取表面喷丸等技术处理；采用高强度冶金粉末锻造连杆，加强发动机连杆的力学性能。

    （3）在设计时需要考虑减少连杆在工作过程中受到组合变形情况。同时，可调整发动机的转速及行程，使连杆激振的频率远离低阶模态的固有频率，避免弯曲振动和扭转振动同时发生的情况，防止连杆发生共振破坏。

    参考文献：

    [1]程选生，张少波.弹性力学与有限元法教程[M].北京：中国计量出版社，2008（03）.

    [2]王银燕，张鹏奇，王善.内燃机连杆杆身疲劳强度可靠性分析[J].哈尔滨工程大学学报，2001，22（01）：67-71.

    [3]潘琼瑶，陈凯.车用发动机连杆强度分析与结构改进[J].车用发动机，2008（06）：140-145.

    [4]王克武.基于有限元的汽车发动机连杆锻坯塑性成形新工艺研究[J].制造业自动化，2013（14）：154-156.

    [5]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，2000.

    [6]马斌.柴油机连杆的动态应力分析及优化设计[J].机械设计，2012

    ，29（04）：59-62.

    作者简介：王鹏飞（1997-），男，山东淄博人，本科在读，研究方向：车辆工程。