4V_105柴油机连杆有限元分析与优化设计
连杆的优化设计
连杆的优化设计1 前言随着汽车工业制造技术的发展，对于汽车发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要。
因此，国内外各大汽车公司对发动机连杆的材料及制造技术的研究都非常重视。
“小体积、大功率、低油耗”的高性能发动机对连杆提出更新、更高的要求：(1)作为高速运动件重量要轻，减小惯性力，降低能耗和噪声；(2)强度、刚度要高，并且要有较高的韧性；这就意味着对连杆的设计和加工有着更高的要求。
其一，杆身有足够的刚度可以预防工作时发生弯曲变形；其二，连杆的大端和连杆盖有足够的刚度，以防大端变形时连杆螺栓承受附加的弯曲应力和大端失圆，使轴承润滑破坏。
同时，还要求连杆组具有足够的疲劳强度和冲击韧性。
[3]连杆的优化设计2 连杆机构2.1 连杆机构的特点连杆机构具有以下传送特点:1.连杆机构中的运动副一般均为低副（故又称其为低副机构，lower pair mechanism）。
其运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠性有利。
2.在连杆机构中，在原动件的运动规律不变的条件下，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。
3.在连杆机构中，连杆上的各点的轨迹是各种不同形状的曲线(称为连杆曲线，coupler-pointcurve)，其形状随着各构件相对长度的改变而改变，故连杆曲线的形式多样，可用来满足一些特定工作的需要。
利用连杆机构还可很方便地达到改变运动的传递方向、扩大行程、实现增力和远距离传动等目的。
连杆机构也存在如下一些缺点：1.由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传动路线较长，易产生较大的误差累计，同时也使机械效率降低。
2.在连杆机构运动中，连杆及滑块所产生的惯性力难以用一般平衡方法加以消除，因而连杆机构不宜用于高速运动。
此外，虽然可以利用连杆机构来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其设计十分繁难，且一般只能近似地满足。
连杆工艺设计及有限元分析 (1)
本科毕业设计论文题目连杆工艺设计及有限元分析专业名称机械设计及其自动化学生姓名梁乐指导教师李郁毕业时间二零一四年六月目录摘要........................................................................................................................... - 2 -ABSTRACT .............................................................................................................. - 3 -第一章绪论............................................................................................................. - 3 -1.1课题研究的意义......................................................................................... - 3 -1.3论文的章节安排......................................................................................... - 5 -第二章连杆零件的分析......................................................................................... - 6 -2.1 连杆的作用................................................................................................ - 6 -2.2 连杆的结构特点........................................................................................ - 6 -2.3 连杆的工艺分析........................................................................................ - 6 -2.4 连杆的材料和毛坯.................................................................................... - 8 -第三章连杆零件的工艺编................................................................................... - 9 -3.1 连杆机械加工工艺过程............................................................................ - 9 -3.2连杆工艺过程的安排............................................................................... - 10 -3.3连杆加工工艺应考虑的问题................................................................... - 14 -................................................................................................................................. - 17 -第五章总结与展望............................................................................................. - 25 -5.1论文总结................................................................................................... - 25 -致谢..................................................................................................................... - 25 -参考文献................................................................................................................. - 26 -毕业设计小结......................................................................................................... - 26 -摘要连杆是主要传动件之一，本文主要论述了连杆的加工工艺及有限元分析。
柴油机“连杆”零件的机械加工工艺规程的编制及工装设计 机械设计毕业论文
柴油机“连杆”零件的机械加工工艺规程的编制及工装设计前言毕业设计是在学完了机械制造工艺及夹具和大部分专业课，并进行了生产实习的基础上进行的一个教学环节。
这是我们在毕业前对所学课程的一次深入的全面的总复习，也是一次理论联系实际的训练，更是一次毕业总结。
因此，毕业设计在这三年的学习中占有十分重要的地位，要求每位毕业生都能发挥所能，搞好自己的设计，给自己的学业划上一个圆满的句号。
我也十分重视这次毕业设计，并希望通过这次设计对自己今后将从事的工作进行一次适应性的训练，锻炼自己分析问题、解决问题的能力。
由于个人能力有限，设计中难免有许多不足之处。
希望各位指导老师给予批评指正，我也会在以后的工作中严格要求自己，努力提高自己的专业技能。
摘要机械制造工业是国民经济最重要的部门之一，是一个国家或地区经济发展的支柱产业，其发展水平标志着该国家或地区的经济实力、科技水平、生活水平和国防实力。
机械制造业的生产能力和发展水平标志着一个国家或地区国民经济现代化的程度，而机械制造业的生产能力主要取决于机械制造装备的先进程度，产品性能和质量的好坏则取决于制造过程中工艺水平的高低。
连杆作为传递力的主要部件广泛应用于各类动力机车上，是各类柴油机或汽油机的重要部件。
连杆在传递力的过程中，承受着很高的周期性冲击力、惯性力和弯曲力。
这就要求连杆应具有高的强度、韧性和疲劳性能。
同时，因其是发动机重要的运动部件，故要求很高的重量精度。
随着汽车行业的发展，连杆的需求量在不断增加，也出现了许多不同的加工制造工艺。
关键词：机械制造、机械制造装备、连杆、加工工艺目录绪论............................................................................ (4)一. 零件的结构工艺分析 (4)1.1. 零件的作用及保护措施 (4)1.2. 毛坯材料的选用、制造并绘制毛坯图 (6)1.3. 连杆工艺规程的设计 (9)1.4. 零件的工艺过程分析 (13)1.5. 工艺方案的确定 (15)1.6. 机械加工余量、切削用量、工序尺寸的确定 (16)1.7. 工序工时定额的计算 (19)二. 连杆机械加工技术近期发展 (22)三. 连杆的修复 (24)四. 工装设计 (25)五. 总结 (33)六. 致谢 (34)七. 参考文献 (35)八. 毕业设计任务 (36)绪论机械制造工业是国民经济最重要的部门之一，是一个国家或地区经济发展的支柱产业，其发展水平标志着该国家或地区的经济实力、科技水平、生活水平和国防实力。
连杆机构的有限元分析方法
连杆机构的有限元分析方法连杆机构的有限元分析方法连杆机构是一种常见的机械结构，由多个连杆和铰链连接而成，广泛应用于各行各业的机械装置中。
在设计和优化连杆机构时，有限元分析是一种有效的方法，可以帮助工程师评估其性能和稳定性。
以下是连杆机构有限元分析的一些步骤和方法。
第一步：建立模型在进行有限元分析之前，需要建立连杆机构的几何模型。
这可以通过计算机辅助设计（CAD）软件完成，将连杆和铰链的几何形状和尺寸输入到软件中。
第二步：离散化离散化是指将连续的结构模型分割为有限数量的单元，以便进行有限元分析。
常用的单元类型包括三角形、四边形单元或六面体等。
根据具体的连杆机构结构，选择合适的单元类型进行离散化。
第三步：确定材料属性和边界条件根据实际情况，为连杆和铰链分配合适的材料属性，如弹性模量、泊松比、密度等。
此外，还需要确定边界条件，如约束和外部载荷。
约束是指限制杆件的运动范围，外部载荷是指施加在连杆上的力或力矩。
这些参数对于分析连杆机构的性能至关重要。
第四步：求解有限元方程将连杆机构的模型和边界条件输入有限元分析软件中，通过求解有限元方程来计算连杆机构的应力、位移和变形。
有限元方程是通过应变能原理和位移函数推导得到的。
第五步：评估结果根据有限元分析的结果，评估连杆机构的性能和稳定性。
例如，可以通过应力和位移分布来判断杆件是否会发生破坏或变形。
此外，还可以计算杆件的刚度、自然频率和振动模态等参数。
第六步：优化设计如果连杆机构的性能不符合要求，需要进行设计优化。
可以通过改变连杆和铰链的尺寸、形状或材料来改善连杆机构的性能。
再次进行有限元分析，评估优化后的连杆机构是否满足设计要求。
综上所述，有限元分析是一种对连杆机构进行性能评估和优化设计的有效方法。
通过逐步完成建模、离散化、确定材料属性和边界条件、求解有限元方程、评估结果和优化设计等步骤，可以提高连杆机构的设计质量和工作效率。
105系列高速柴油机连杆零件机械加工工艺规程及夹具的设计
XX学院毕业设计(论文)105高速柴油机连杆工艺与夹具设计所在学院专业班级姓名学号指导老师年月日摘要本文是对105高速柴油机连杆零件加工应用及加工的工艺性分析，主要包括对零件图的分析、毛坯的选择、零件的装夹、工艺路线的制订、刀具的选择、切削用量的确定、加工工艺文件的填写。
选择正确的加工方法，设计合理的加工工艺过程。
此外还对填料箱盖零件的两道工序的加工设计了专用夹具.机床夹具的种类很多，其中，使用范围最广的通用夹具，规格尺寸多已标准化，并且有专业的工厂进行生产。
而广泛用于批量生产，专为某工件加工工序服务的专用夹具，则需要各制造厂根据工件加工工艺自行设计制造。
本论文夹具设计的主要内容是设计专用夹具。
关键词：105高速柴油机连杆，加工工艺，加工方法，工艺文件，夹具AbstractThis paper is on 105 high speed diesel engine connecting parts processing application and processing technology of analysis, mainly includes the selection of the parts diagram analysis, the semifinished materials, parts of the clamping, the process route of making, tool selection, cutting the amount of determination, the process file to fill. Choose the correct processing method, design reasonable processing technology. In addition to the packing box cover parts of the two process design of the special fixture.There are many types of machine tools, including the use of the most widely used universal fixture, standard size has been standardized, and a professional factory for production. And it is widely used in mass production, and it is a special fixture for the service of a particular workpiece. The main content of this paper is to design special fixture..Key words: scaffold, processing technology, processing method, process documentation, fixture目录摘要 (II)Abstract (III)目录 (IV)第1章绪论 (1)1.1 机械加工工艺概述 (1)1.2机械加工工艺流程 (1)1.3夹具概述 (2)1.4机床夹具的功能 (2)1.5机床夹具的发展趋势 (2)1.5.1机床夹具的现状 (3)1.5.2现代机床夹具的发展方向 (3)第2章柴油机连杆分析 (5)2.1 105高速柴油机连杆零件的作用 (5)2.2零件的工艺分析 (6)第3章机械加工工艺规程设计 (8)3.1 生产纲领的确定 (8)3.2 105高速柴油机连杆的材料选择与毛坯的制造方法 (9)3.2.1 105高速柴油机连杆的材料选择 (9)3.2.2 C70S6钢的成分和力学性能 (10)3.2.3 毛坯的制造方法 (11)3.3 机械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸确定 (12)3.4 指定工序定位基准的选择 (12)3.5 加工工艺阶段的划分和加工顺序的安排 (14)3.6 105高速柴油机连杆加工工艺过程的拟定 (15)3.7 连杆加工工艺设计应考虑的问题 (15)3.7.1工序安排 (15)3.7.2定位基准 (15)3.7.3夹具使用 (16)3.8 切削用量的选择原则 (16)3.8.1 粗加工时切削用量的选择原则 (16)3.8.2 精加工时切削用量的选择原则 (17)3.9 计算工艺尺寸链 (19)3.9.1 连杆盖的卡瓦槽的计算 (19)3.9.2 连杆体的卡瓦槽的计算 (20)3.10 工时定额的计算 (20)3.10.1 铣连杆大小头平面 (20)3.10.2 粗磨大小头平面 (21)3.10.3 加工小头孔 (21)3.10.4 铣大头两侧面 (22)3.10.5、扩大头孔 (22)3.10.6 铣开连杆体和盖 (22)3.10.7 加工连杆体 (23)3.10.8 铣、磨连杆盖结合面 (24)3.10.9 铣、钻、镗（连杆总成体） (26)3.10.10 粗镗大头孔 (27)3.10.11 大头孔两端倒角 (27)3.10.12精磨大小头两平面（先标记朝上） (27)3.10.13 半精镗大头孔及精镗小头孔 (28)3.10.14精镗大头孔 (28)3.10.15钻小头油孔 (28)3.10.16 小头孔两端倒角 (28)3.10.17 镗小头孔衬套 (29)3.10.18 珩磨大头孔 (29)第4章铣结合面夹具设计 (30)4.1研究原始质料 (30)4.2定位装置的选择 (30)4.3 切削力及夹紧分析计算 (31)4.4 误差分析与计算 (32)4.5 零、部件的设计与选用 (32)4.5.1定位销选用 (32)4.5.2夹紧装置的选用 (33)4.5.3 定向键与对刀装置设计 (33)4.6 夹具设计及操作的简要说明 (34)总结 (36)参考文献 (37)致谢 (38)第1章绪论1.1 机械加工工艺概述机械加工工艺就是在流程的基础上，改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品，是每个步骤，每个流程的详细说明，比如，上面说的，粗加工可能包括毛坯制造，打磨等等，精加工可能分为车，钳工，铣床，等等，每个步骤就要有详细的数据了，比如粗糙度要达到多少，公差要达到多少。
柴油机曲轴有限元分析及结构优化设计
柴油机曲轴有限元分析及结构优化设计孙连科,唐 斌,薛冬新,宋希庚(大连理工大学内燃机研究所,辽宁大连 116023)摘要:对一车用柴油机整体曲轴建立了符合实际情况的三维模型,采用有限元法对其进行了三维有限元分析,研究了整体曲轴的应力状态,并对其在交变载荷下的疲劳强度进行了校核。
同时对曲轴结构参数,圆角形状优化和圆角应力分布等相关问题进行了探讨。
最后对曲轴进行了模态分析。
为柴油机曲轴的结构设计提供了有价值的理论依据。
关键词:曲轴;有限元;疲劳强度;优化设计;模态分析中图分类号:TK423 文献标识码:A 文章编号:1006-0006(2007)03-0054-02FEA Optm i al Desi g n of D i e sel Engi n e C rankshaftSUN L ian ke ,TANG B in,X UE Dong x in,SONG X i geng(Institute of I .C .Eng i ne ,D a lian U ni v ers it y of T echno logy ,D a lian 116023,China)Abstr ac:t By se tti ng up a t h ree di m ensi onal m ode l of a d i esel eng i ne cranks ha ft co rrespondi ng to the prac tica l cond iti ons ,so m e ana lysisw ere carr i ed out .T he stress o f the crankshaftw as researched .The fatigue streng th was ver ifi ed unde r vary i ng l oads i n t h is paper .The structure para m ete rs ,opti m u m desi gn and stress distr i butions of the round co rner w ere d i scussed .T he m ode l ana l ys i s w as m ade at last .T he valuable theory basis is prov i ded for the crankshaft structure design .Key wor ds :Cranksha ft ;F i nite e le m en t ;F atigue strength ;O pti m um design ;M ode l analysis曲轴是柴油机中的重要部件之一,也是受力最复杂的部件。
连杆的设计和有限元分析
连杆的设计和有限元分析连杆是一种常见的机械传动元件，用于将机械运动传递给其他部件。
其设计和有限元分析是确保连杆能够安全有效地工作的重要步骤。
本文将主要介绍连杆的设计和有限元分析。
首先，根据传动的要求确定连杆的工作载荷，包括径向力、切向力和弯曲力等。
根据这些载荷，可以计算出连杆的最大载荷和加速度。
其次，在确定连杆的最大载荷后，需要根据材料的强度和韧性来选择合适的材料。
常用的连杆材料包括钢、铝合金和铜合金等。
根据材料的强度和韧性，可以计算出连杆的最大应力和应变。
然后，根据最大载荷和材料性能计算出连杆的尺寸。
连杆的尺寸包括长度、直径和孔径等。
通过对连杆进行强度计算，可以确保其不会发生破坏或变形。
最后，设计完成后，可以制作连杆的CAD模型，用于制造和装配。
有限元分析是一种常用的工程分析方法，可以用于模拟材料和结构的行为。
在连杆的设计中，有限元分析可用于评估连杆的强度和刚度等性能。
以下是使用有限元分析进行连杆分析的主要步骤：首先，根据设计完成的CAD模型，将连杆的几何形状转换成有限元模型。
连杆可以被分解成多个有限元单元，例如梁单元或壳单元。
每个有限元单元都与相邻的单元相连，形成整个连杆的有限元模型。
其次，应用适当的边界条件和载荷，在有限元模型中模拟工作载荷和运动条件。
这些载荷和边界条件可能包括沿连杆的节点施加的力或位移。
然后，使用适当的材料力学模型，在有限元模型中定义材料的性能。
这包括材料的弹性模量、屈服强度和断裂韧性等。
根据材料模型，有限元分析可以计算出连杆在应力和应变下的响应。
最后，根据有限元模型的分析结果，评估连杆的强度和刚度等性能。
如果连杆的应力或应变超过了材料的极限，表明设计存在缺陷，需要进行修改。
除了强度和刚度分析外，有限元分析还可以对连杆进行模态分析和动力学分析等，以评估其固有频率和响应。
总结起来，连杆的设计和有限元分析是确保连杆能够安全有效地工作的重要步骤。
通过正确的设计和分析，可以确保连杆的强度和刚度等性能，从而满足传动的要求。
连杆的有限元分析与优化设计
连杆的有限元分析与优化设计作者：王伟一、前言CAD(Computer Aided Design计算机辅助设计)的一个重要特征是提供了对新产品模型进行分析、综合与评价的数值求解方法。
当把设计对象描述为计算机内部模型后，研究如何使产品达到性能要求、进行新产品技术指标的优化设计、性能预测、结构分析仿真的数值求解方法称为CAE(Computer Aided Experiment计算机辅助分析)，这种方法已成为CAD/CAM (Computer Aided Manufacturing计算机辅助制造)集成中不可缺少的工程计算分析技术。
该技术中的核心计算方法是一种有效的数值分析方法一有限元分析。
本文中要利用有限元分析进行结构优化设计的零件是联轴部件〔图1)中的连杆。
联轴部件是应用在液压气动自控部件中的一个组成部分，在外力作用下，连杆带动轴作周期转动，转动中推杆"联轴部件之外的零件)始终与轴中间不规则截面部分保持接触，使得推杆上下运动，从而控制电磁阀开、关的动作。
连杆为联轴部件中传递外力的主要零件，材料为合金钢，控制端在φA处与键及轴连接，承受外力在φB处。
该零件的毛坯是铸件。
改进前的结构要保证连杆φA孔与其一侧平面有较高的垂直度，才能确保联轴部件中的连杆在带动轴旋转的过程中.侧平面不会与端盖接触，造成转动不流畅的现象，同时，连杆作为一个传动零件，从经济性角度考虑，本身结构应当灵巧一些。
改进后的结构会不会影响在承受相同外力情况下零件的强度。
这是本文利用有限元分析进行连杆的结构优化设计的重要部分，准确地说，能否肯定新的结构，有限元分析在零件的优化设计中起到了至关重要的作用。
图1 联轴部件二、有限元分析1有限元法的基本概念有限元法(Finite Element Method，简称FEM)是一种数值离散化方法，根据变分原理求其数值解。
因此适合于求解结构形状及边界条件比较复杂、材料特性不均匀等力学问题能够解决几乎所有工程领域中各种边值问题(平衡或定常问题、动态或非定常问题)，如:弹性力学、弹塑性问题疲劳与断裂分析、动力响应分析、流体力学、传热、电磁场等问题。
毕业设计（论文）-发动机曲轴连杆机构仿真及有限元分析设计-adams
全套图纸加扣 3012250582曲轴连杆活塞组件虚拟样机的建立学院名称：机械工程学院专业班级：机械设计制造及其自动化0501 班学生姓名：号：学指导教师：2009 年6 月摘要柴油机的气缸、活塞、连杆、曲轴以及主轴承组成一个曲柄连杆机构。
柴油机通过曲柄连杆机构，将活塞的往复运动转换为曲轴的回转运动，使气缸内燃油燃烧所产生的热能转变为曲轴输出的机械功。
可见，曲柄连杆机构是柴油机重要的传力机构。
对其运动和受力情况进行分析和研究，是十分必要的。
这种分析研究既是解决柴油机的平衡、振动和总体设计等课题的基础，也是对其主要零部件在强度、刚度、磨损等方面进行计算和校验时的依据。
本文在曲柄连杆机构理论分析的基础上，利用多体动力学理论，三维造型软件Pro/E 及动力学分析软件ADAMS对内燃机曲柄连杆机构的动力学问题进行了虚拟样机仿真分析。
并以CT484Q柴油机为研究对象，在Pro/E中建立CT484柴油机曲柄连杆机构的虚拟样机模型，导入ADAMS中进行动力学分析，绘制出虚拟样机模型中各连接位置处受力仿真结果曲线。
通过本文的研究，展示了一种简捷、高效的机械设计分析手段，对今后同类型的研究乃至更大规模的仿真分析积累了一些经验。
本文的研究也可以为今后内燃机机构的造型、优化设计提供参考依据。
关键词：内燃机，曲柄连杆机构，ADAMS，虚拟样机，仿真AbstractThe Cylinder, piston, connecting rod, crankshaft and main bearings of diesel engine Compose of a crank-connecting rod mechanism. Through the crank-connecting rod mechanism, Diesel engine convert the piston reciprocating motion to the rotary movement of the crankshaft, and make the cylinder generated by fuel combustion energy into mechanical work output of the crankshaft. This shows that diesel engine crank linkage is an important body for transmission force. It is necessary to analysis and research its movement and force. This analysis is the foundation to solve the balance of diesel engine, vibration and overall design, It is the basis for validate and calculate the strength, stiffness, wear, etc.In this paper, based on the theoretical analysis of crank-connecting rod mechanism, use of multi-body dynamics theory, and use the three-dimensional modeling software, Pro/ E and the dynamic analysis software ADAMS to carry out crank and connecting rod for internal combustion engine body dynamics simulation of a virtual prototype simulation. And study CT484Q Diesel Engine, established linkage of the virtual prototype of diesel engine model In Pro/ E, then do dynamic analysis in ADAMS and draw the connection position of the power curve for the simulation result.Through this paper, the study demonstrated a simple and efficient means of mechanical design and analysis for future research as well as the same type of simulation analysis and accumulate some experience. The study of this paper can provide reference for the modeling and optimal design.Key words: Internal Combustion Engine, Crank-connecting rod mechanism, ADAMS, Virtual Prototyping目录第一章绪论··················································1.1 研究的意义···············································1.2 内燃机曲柄连杆机构的工作特点以及难点·····························1.3 国内外研究及手段···········································1.3.1计算机辅助设计（CAD）·····································1.3.2 多体动力学分析（MBS）···································1.3.3 有限元分析···········································1.3.4优化设计理论··········································1.4 主要研究内容和方法··········································第二章曲柄连杆机构的动力学理论分析·······························2.1 内燃机工作过程分析··········································2.1.1压缩始点气体状态·········································2.1.2压缩终点气体状态········································2.1.3燃烧过程及燃烧终点气体状态·································2.1.4膨胀终点气体状态········································2.2 曲柄连杆机构的运动分析·······································2.3曲柄连杆机构的动力学分析······································2.3.1曲柄连杆机构的质量换算····································2.3.2曲柄连杆机构的惯性力和惯性力矩······························2.3.3曲柄连杆机构的动力学分析··································2.4 内燃机工作过程计算··········································第三章曲轴连杆活塞组件的虚拟样机································3.1Pro/E 系统的建模原理及其特点····································3.1.1参数化设计············································3.1.2 特征建模的基本思想······································3.1.3全相关的单一数据库······································3.2 曲柄、连杆、活塞组件几何模型的建立以及装配··························3.2.1活塞组件的建模·········································3.2.2 连杆组建的建模········································3.2.3曲轴组件的建模·········································3.2.4曲轴连杆活塞组件的总装配···································第四章曲柄连杆机构的运动学和动力学分析·····························4.1ADAMS简介及其基本原理·······································4.1.1 运动学和动力学基本概念···································4.1.2 ADAMS中多刚体动力写方程的建立······························4.2ADAMS 中的运动学和动力学分析···································4.2.1 曲柄连杆机构刚体模型的转化和输入·····························4.2.2 曲轴轴系多刚体动力学仿真分析·······························第五章结论与展望·············································5.1 总结····················································5.2 展望····················································致谢························································参考文献·····················································附录·························································第一章绪论1.1研究的意义内燃机是目前世界上应用最广泛的热动力装置，自1860年法国人设计出第一台煤气发动机以来，内燃机无论是在结构上还是在性能上都较以前有了很大的进步。
基于有限元法的连杆静力学分析及结构优化
基于有限元法的连杆静力学分析及结构优化作者：李彬来源：《科学与财富》2018年第21期摘要：本文针对发动机曲柄连杆机构中的连杆运动过程中的受力问题，运用了弹性力学、塑性力学的相关知识及有限元理论，得到了连杆运动过程中的受力情况，运用了solidworks软件建模，并以ansys workbench软件为平台进行有限元的求解，得到了连杆的变形及等效应力应变，并给出合理的结构优化的建议。
关键词：发动机连杆；受力分析；有限元理论；应力应变本文旨在确定在连杆运动时各种力的影响下，连杆的变形及应力应变情况，并对结果进行分析以便给出合理的结构优化的建议。
1.连杆的受力分析发动机的曲柄连杆机构由活塞、活塞环、连杆及曲轴组成。
汽车运行时，发动机中的活塞在气缸中做往复直线运动，曲轴绕轴线做旋转运动，而处在活塞与曲轴之间的连杆便做复杂的摆动，既有上下运动，也有左右摆动。
曲柄连杆机构受力主要来自四个方面：燃烧室内气体压力、运动部件的惯性力、各个相对运动表面之间的摩擦力及外部载荷作用在机构上的反作用力（力矩）。
其中，相对运动表面间的摩擦力主要取决于润滑情况、发动机结构及相对运动表面的粗糙度，工作阻力矩主要取决于受力情况。
本文主要分析惯性力及燃气压力对连杆机构的影响。
在整个发动机工作循环中，虽然进排气过程气体对活塞都有阻碍作用，但是由于作用力很小，因而可忽略不计，这里主要考虑压缩和做功冲程气体阻力对活塞连杆的影响。
（1）做功冲程发动机在做功行程时燃烧室内可燃混合气被压燃，燃烧产生的压力推动活塞下行。
假设气体作用在活塞顶上的总压力为F，经活塞传给连杆时，由于连杆是偏斜的，因此将总作用力分解为F1，F2，其中F1方向垂直于汽缸壁，使活塞和气缸壁之间产生侧压力，F2方向沿着连杆，使连杆轴承、轴颈和主轴承压紧。
综上，做功行程燃烧室内燃气压力F最终表现为侧压力F1、压紧力F2，随连杆运动过程中位置变化，这几个力的大小和方向也在变化。
浅谈柴油机连杆强度的有限元分析
浅谈柴油机连杆强度的有限元分析发表时间：2020-01-15T14:42:33.973Z 来源：《科学与技术》2019年17期作者：刘保林[导读] 有限元分析是柴油机零部件结构强度分析中一种实用、可靠的方法【摘要】有限元分析是柴油机零部件结构强度分析中一种实用、可靠的方法。
以某柴油机连杆为研究对象，对其建立实体模型，并利用有限元分析的软件平台，对连杆强度进行分析。
在应用有限元方法对柴油机连杆进行静力分析过程中，研究连杆在最大受压状态和最大受拉状态的两个极限受力状态情况，为连杆的改进和设计提供可靠的依据。
【关键词】连杆；有限元；静力分析；柴油机在工作过程中，连杆将活塞的直线往复运动转化为曲轴的回转运动，将气缸内气体对活塞做的功传递给曲轴并以扭矩向外输出功。
活塞承受来自汽缸内作用在活塞上的气体压力及活塞连杆组的惯性力，其大小和方向随曲轴转角呈周期性变化。
本文主要校核某柴油机连杆的结构强度，把连杆看作一受压的直杆，并且可以简化成一受压的二力杆，通常选择连杆最大受压状态及最大受拉状态作为两个极限受力状态。
本次计算是以曲柄为研究对象，根据柴油机工作过程的动力学计算，可知，连杆受拉最严重的是在排气冲程上止点，受压最严重的是在发火瞬间。
1 有限元模型的建立1.1 实体模型的建立在进行柴油机连杆有限元分析时，首先要建立与实际情形相符合的力学模型、载荷和约束边界条件，才能达到比较满意精度的计算结果。
有限元计算是基于结构的三维实体模型进行的，因此对连杆进行三维实体建模，建立有限元分析的几何模型。
1.2 有限元模型的建立连杆材料是钢 42CrMo-Gb3077-82，屈服强度为930 MPa；抗拉强度为1 080 MPa。
设立各个区域最小单元长度，由有限元分析软件自动划分了7479个单元13084个节点。
边界约束条件如后面的计算模型图示，由于只讨论连杆受拉受压最严重的两种情况，所以模拟计算时转化为静力分析，视连杆为二力杆，约束条件都加在连杆大端，在小端施加外载荷。
连杆的有限元分析及优化
连杆的有限元分析及优化*****学号: *******目录目录 (2)1.优化设计基础 (3)1.1优化设计概述 (3)1.2优化设计作用 (3)1.3优化设计流程 (3)2.问题描述 (4)3.问题分析 (4)4.结构静力学分析 (5)4.1创建有限元模型 (5)4.2创建仿真模型并修改理想化模型 (6)4.3定义约束及载荷 (6)4.4求解 (7)5.结构优化分析 (8)5.1建立优化解算方案 (8)5.2优化求解及其结果查看 (9)6.结果分析 (11)7.案例小结 (11)1. 优化设计基础1.1 优化设计概述优化设计是将产品/零部件设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学规划理论，采用适当的优化算法，并借助计算机和运用软件求解该数学模型，从而得出最佳设计方案的一种先进设计方法，有限元被广泛应用于结构设计中，采用这种方法任意复杂工程问题，都可以通过它们的响应进行分析。
如何将实际的工程问题转化为数学模型，这是优化设计首先要解决的关键问题，解决这个问题必须要考虑哪些是设计变量，这些设计变量是否受到约束，这个问题所追求的结果是在优化设计过程要确定目标函数或者设计目标，因此，设计变量、约束条件和目标函数是优化设计的3个基本要素。
因此概括来说，优化设计就是：在满足设计要求的前提下，自动修正被分析模型的有关参数，以到达期望的目标。
1.2 优化设计作用以有限元法为基础的结构优化设计方法在产品设计和开发中的主要作用如下：1）对结构设计进行改进，包括尺寸优化、形状优化和几何拓扑优化。
2）从不合理的设计方案中产生出优化、合理的设计方案，包括静力响应优化、正则模态优化、屈曲响应优化和其他动力响应优化等。
3）进行模型匹配，产生相似的结构响应。
4）对系统参数进行设别，还可以保证分析模型与试验结果相关联。
5）灵敏度分析，求解设计目标对每个设计变量的灵敏度大小。
1.3 优化设计流程不同的优化软件其操作要求及操作步骤大同小异。
某柴油机发电机支架有限元分析及优化
Z
X Y
图1发电机支架系统有限元模型
模态分析可以得到支架系统每一阶次的固有频率和振型，振型可以反馈系统在特定频率下的振动形式。
当外部激励频率与系统固有频率相接近时，支架会发生共振，从而导致支架损坏，影响发电机的正常使用。
因此，要避免发电机系统与发动机常用工况发生共振。
其中：n—发动机转速；i—缸数；
图2发电机支架系统一阶模态振型图3-X冲击方向的应力分布云图图4疲劳安全系数分布云图
图9优化后支架的疲劳安全系数分布云图
利用FEMFAT 校核新发电机支架的高周疲劳安全因
数，其分布见图9。
从图中可以看出，发电机支架的最小疲
劳安全系数为1.81，大于设计要求的限值1.2，满足要求。
4结论
①在此次的零部件开发设计阶段，运用有限元分析手段校核发电机支架的[5]许一，吴寒件，2013（18）：108-109.
图8优化后支架+Z 冲击方向的应力分布云图
图7优化后发电机支架一阶模态振型
图5优化前的发电机支架
图6优化后的发电机支架。
4V-105柴油机曲轴仿真及可靠性研究的开题报告
4V-105柴油机曲轴仿真及可靠性研究的开题报告1. 研究背景随着经济的不断发展，交通运输业的增长速度也在加快。
柴油机作为交通运输领域中常用的动力源具有重要的地位，它的可靠性和效率直接影响着交通运输的安全和经济性。
曲轴作为柴油机中的重要部件，承担着转换柴油机往复运动为旋转运动的功能。
因此，曲轴的强度和可靠性对柴油机的性能和寿命具有重要的影响。
因此，研究曲轴的强度和可靠性，对提高柴油机的性能和寿命具有重要的意义。
2. 研究目的本文旨在对4V-105柴油机曲轴进行有限元仿真，分析并优化曲轴的设计。
同时，针对曲轴的故障机理和失效形式进行深入研究，提高曲轴的可靠性和寿命，为柴油机的可靠性和经济性的提高提供理论支持。
3. 研究内容3.1 4V-105柴油机曲轴的有限元仿真利用ANSYS软件对4V-105柴油机曲轴进行有限元分析，并对其应力、变形和振动等进行分析和优化，提高曲轴的强度和刚度。
3.2 曲轴的可靠性分析分析曲轴的故障机理和失效形式，利用可靠性理论对曲轴的可靠性进行评估，针对曲轴的失效模式进行预防性维护。
3.3 曲轴的寿命预测利用寿命分布模型对曲轴的寿命进行分析和预测，进一步提高曲轴的可靠性和寿命。
4. 研究方法本文基于有限元分析、可靠性理论和寿命分布模型，对4V-105柴油机曲轴进行研究。
具体方法如下：4.1 有限元分析利用ANSYS软件对4V-105柴油机曲轴进行有限元分析，计算曲轴的应力、变形和振动等，分析其强度和刚度，并进行优化。
4.2 可靠性分析分析曲轴的故障机理和失效形式，利用可靠性理论对曲轴的可靠性进行评估。
运用故障数据和可靠性分析方法，分析曲轴的失效模式，并选择适当的预防性维护策略，提高曲轴的可靠性和寿命。
4.3 寿命预测利用寿命分布模型对曲轴的寿命进行分析和预测，进一步提高曲轴的可靠性和寿命。
5. 研究意义本文研究4V-105柴油机曲轴的有限元分析和可靠性评估，在提高曲轴的强度和刚度的同时，针对曲轴的故障机理和失效形式进行深入研究，提高曲轴的可靠性和寿命，为柴油机的可靠性和经济性的提高提供了重要的理论支持。
105高速柴油机连杆设计文献综述
本科毕业论文（设计）文献综述论文（设计）题目：105系列高速柴油机连杆工艺总体方案及指定工装设计学院：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：机自047班学号：0403011715学生姓名：杨建立指导教师：张宇光2008年6 月15 日文献综述一.柴油机连杆加工工艺分析主要说的是关于传统工艺连杆加工中影响其精度的主要参数和连杆加工工艺路线，连杆加工工艺的分析和改进，以及连杆加工工艺设计中应该注意的问题反映连杆精度的参数主要有五个：（1）.连杆大端中心面和小端中心面相对于连杆身中心面的对称（2）.连杆大小头孔中心距尺寸精度（3）.连杆大小头孔平行度;（4）.连杆大小头孔的尺寸精度、形状精度;（5）.连杆大头螺栓孔与接合面的垂直度。
传统加工路线：连杆工艺设计注意问题：工序安排定位基准：夹具使用二．发动机连杆的粉末锻造主要介绍粉末锻造工艺的技术特点、制造工艺流程、主要制造工艺参数、主要生产工序及工艺参数等；国外采用连杆胀断工艺的公司有哪些1.特点：粉末冶金烧结件作锻造毛坯可一次锻造成形，无飞边，节省加工工时和设备。
具有粉末冶金和机械精锻的优点。
粉末锻造可实现烧结材料的高密度化，是材料具有高强度和无明显各向异性。
a.避免不必要的机械加工，如模锻连杆早热处理前需要经过几到机加工，而粉锻连杆仅需一道机加工。
b.质量偏差小，模锻3%-5%，粉锻连杆仅0.5%。
c.疲劳轻度高d.零件致密、轻量，密度≥7.8g/cm3,形状及尺寸经一次性锻造即可达到最终产品要求。
e.节约能源50%，节约材料40%，有利于环境保护。
2.制造工艺流程: 预合金钢粉→配料机混料→压制成预制坯→烧结成锻坯→快速送入预热的锻模→致密化闭模锻造→锻件脱模→在可控气氛中冷至室温→热处理→喷丸强化3.原料参数：德国宝马生产V8发动机连杆所用预合金钢粉成分为w(Mn)=0.3%～0.4%、w(Cr)=0.1%%～0.25%、w(Ni)=0.2%%～0.3%、w(Mo)=0.25%～0.35、w(C)=0.6%,其余为Fe.4.主要工艺参数：a.配料及混料经配料计算和准确称取粉重后置于混料机混合20—30分钟至分布均匀；b.压制预制坯要对预制坯的设计应合理，对其密度、质量、质量变化和尺寸要求精确控制，避免过负荷损坏模具；c.烧结预制坯在通有还原保护气体的专用烧结炉中进行，烧结温度1120—1130℃，至完全合金化，后移至无氧化性气体的温饱炉中于1000℃左右保温；d.锻造有两种：利用烧结体预热保温至锻造温度时立即进行锻造，以节省能源。
柴油机活塞和连杆运动的有限元分析
柴油机活塞和连杆运动的有限元分析聂建军⑴ 杜发荣⑵ 袁 峰⑴ 张海英⑵ 范小彬⑵⑴453002 新乡内燃机厂⑵471039 河南科技大学 摘要 本课题基于运动弹性动力学理论以及有限元分析方法,利用美国S DRC 公司的I 2DE AS 软件,对含运动副间隙的X N2110柴油机的活塞、连杆机构建立了动力学模型;运用KE D 分析中的“瞬时结构”假定,计算出了柴油机膨胀冲程19个瞬时结构条件下的位移、应力、应变,求出了机构的动态响应,得到了用KE D 法求出的活塞弹性变形值,从而为柴油机实现精确控制提供了可靠的理论依据。
Abstract On the basis of m odern theories of vibration ,KE D analysis and finite element method ,a kinetic m odel of piston 2linkage mechanism of X N2110diesel engine was set up by I 2DE AS s oftware of S DRC US A.By the presumption of ”transient struc 2ture ”in KE D analysis ,the mechanism ’s stress ,displacement ,strain ,m odes ,frequency and the dynamic responses in nineteen transient structure conditions during the expanding stroke are calculated ,and the difference of piston elastic deformation between KE D or KES value are als o g otten. 关键词:柴油机 KE D 活塞 弹性变形 传统的内燃机机构设计、计算中,都是将曲柄连杆机构构件作为刚性件来处理,而且不考虑运动副的间隙。
4105QB柴油机摇臂的有限元分析与计算机辅助优化设计
4105QB柴油机摇臂的有限元分析与计算机辅助优化设计何俊民【摘要】采用三维单元对41050B高速柴油机配气机构的摇臂进行有限元静力分析,求出摇臂在不同摆角时的刚度和等效质量.在机构动力分析时,用当量刚度和当量质量代入,这样既使机构动力学分析得到简化,又保证了摇臂的计算精度,为摇臂的优化设计提供了翔实可靠的理论依据.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2010(039)006【总页数】4页(P15-18)【关键词】计算机辅助设计;有限元分析;优化设计;摇臂【作者】何俊民【作者单位】广东水利电力职业技术学院,广东广州,510635【正文语种】中文【中图分类】TP391.721 引言柴油机配气机构中摇臂的作用是将挺杆的运动传递给气门。
它是一个双臂杠杆，两臂承受较大弯矩应力，设计时应保证有一定的抗弯强度并保证在轻质量下具有最好的强度和刚度［1－2］。
为了准确地模拟配气机构，须建立机构的有限元分析模型［3－5］。
本文采用的摇臂结构比较复杂，若用梁单元来模拟，则计算精度低［6］；用一般三维单元模拟，直接纳入机构动力分析之中，则会使矩阵变得庞大，大大降低分析速度，甚至在一般微机上难以进行。
由于上述原因，本文将摇臂单独取出，采用三维单元对其进行有限元静力分析，求出摇臂在不同摆角时的刚度和等效质量。
在机构动力分析时，用当量刚度和当量质量代入［7－9］，这样既使机构动力学分析得到简化，又保证了摇臂的计算精度。
2 模型建立及预处理为了准确地模拟配气机构，建立了机构的有限元分析模型。
摇臂结构比较复杂，若用梁单元来模拟，则计算精度低；用一般三维单元模拟，直接纳入机构动力分析之中，则会使矩阵变得庞大，大大降低分析速度，甚至在一般微机上难以进行。
由于上述原因，本文将摇臂单独取出，采用三维单元对其进行有限元静力分析，求出摇臂在不同摆角时的刚度和等效质量。
在机构动力分析时，用当量刚度和当量质量代入。
这样既使机构动力学分析得到简化，又保证了摇臂的计算精度。
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图2连杆模型收稿日期：2009-05-08修改稿收稿日期：2009-06-16作者简介：曾林(1974-)，男，广西柳州人，柳州职业技术学院讲师，高教硕士，从事数控加工等课程教学与研究；邓海英(1972-)，女，广西柳州人，柳州职业技术学院讲师,工学学士，从事机电类课程教学与研究。
摘要：介绍4V-105柴油机连杆的工作概况，利用CAE 设计分析程序ANSYS 对连杆进行了有限元分析和优化设计。
并对优化结果进行较详细的体积变化分析、对连杆进行相应的实验测试验证等，以验证连杆尺寸优化结果的合理性，最后得出了合理的连杆优化设计结果。
关键词：连杆；有限元；ANSYS ；APDL ；优化结果中图分类号：TP391.77文献标志码：A文章编号：1671-1084(2010)01-0050-05一、连杆的工作概况4V-105柴油机连杆为斜切口合金钢模锻件经机械加工和热处理完成，连杆大端连杆盖通过螺栓及其预紧力与连杆紧密结合在一起；杆身的横截面呈“工”字形，且与连杆大、小端圆滑过渡，整个连杆杆身呈上下对称及左右对称结构，在标定工况下，发动机连杆的运动是随活塞的平移和绕活塞销摆动的复合运动，连杆在运动的过程中，一般承受的载荷有气缸爆发压力、往复惯性力和螺栓预紧力等，连杆大端还承受旋转惯性力的作用[1]。
由此可见，连杆在工作过程中不仅受力复杂，而且其运动规律为复杂的平面变速运动。
连杆工作情况的好坏将直接影响到整个发动机性能，因此连杆设计和分析尤其重要。
通常而言，连杆应该具有足够的抗疲劳强度和结构强度、质量应该尽可能小。
二、连杆的有限元模型本文采用ANSYS 软件建立连杆的三维实体模型，包括连杆、衬套、轴瓦等；另处，对连杆的杆身和连杆盖做一些简化处理，这样对ANSYS 有限元分析有利，而且和真实受力情况相差不大。
（一）连杆模型的建立本文使用有限元软件ANSYS 对4V-105柴油机连杆进行优化设计，必须在ANSYS 中参数化的建立实体模型，因为在优化设计的迭代过程中需要不断地改变设计变量，所以建模中有关设计变量数值应该以参数化的形式输入[2]。
根据4V-105柴油机连杆初始设计图1得出相应的设计变量初始值如表1。
（二）实体模型的建立由于连杆的对称性，静力分析时为了减少计算量，利用ANSYS 的APDL 参数化建模功能[3]建立4V-105柴油机连杆半边模型即可。
图2即为在ANSYS 中利用设计变量初始值建立的连杆半边模型（包4V-105柴油机连杆有限元分析与优化设计曾林，邓海英（柳州职业技术学院机电工程系，广西柳州545006）［理工农学研究］图14V-105柴油机连杆初始设计图柳州职业技术学院学报JOURNAL OF LIUZHOU VOCATIONAL &TECHNICAL COLLEGE 第10卷第1期2010年3月Vol.10No.1Mar.2010含螺栓、轴瓦、衬套）。
利用ANSYS 的查询功能查出初始设计连杆半边体积（TVOL ）为：TVOL=126140.682（mm 3）。
（三）定义单元类型选用能较好模拟物体形状的自由三维四面体单元，类型为SOLID92。
（四）定义材料模型连杆和连杆盖的材料均为各向同性的线弹性材料40Cr ，弹性模量为2.11×105MPa ，泊松比为0.3，其屈服强度为800MPa ，强度极限为1000MPa ，密度为7800kg/m 3。
且弹性模量和泊松比都不随温度的变化而变化。
（五）网格的划分由于本文所分析的连杆形状不规则，单元形状也不规则，故对此连杆采用自由网格划分。
考虑到本文所分析的连杆没有特殊要求，故使用自由网格划分中的SmartSize 工具，选取分网水平值为6。
首先将要划分的网格单元定义为SOLID92，然后对整个连杆模型划分网格，共得到36338个体单元和55942个单元节点。
（六）创建接触对利用ANSYS 接触向导创建连杆小端和衬套、连杆大端和轴瓦、螺栓联接等接触对模拟装配关系。
三、连杆载荷的计算由于连杆与衬套、轴瓦、螺栓为一装配体模型，考虑到连杆衬套、轴瓦过盈装配及拧紧螺栓产生的预紧力，所以本文研究的连杆受到以下4种力的作用：（1）作用于活塞的气体作用力。
（2）活塞组件的惯性力：活塞组件中所有零件（包括活塞、活塞环、活塞销、活塞销卡环）均作变速往复直线运动。
；（3）连杆自身的惯性力。
（4）预紧力。
连杆是一个作高速复杂平面运动的构件，它的静力分析模型还不能完全真实地反映连杆在工作时的受力情况，因此，有必要对连杆结构的静力分析模型作进一步的改进。
在改进连杆结构的分析模型时，采用动力分析的有限元法进行连杆的结构计算分析是最理想的。
但是，这种计算由于连杆运动的复杂性而较为复杂。
因此，需要寻求一种实用的静力分析的改进模型。
连杆准动态分析模型TK1 44 TK2 28 TK3 22 ! TK4 5 "#$ %TK5 50 &’()*+ TK6 100 &’()*+ TK7 10 "# ()*+ TK8 12 "# ,()( -TK936"# ( . ( -表1设计变量初始值曾林，邓海英：4V-105柴油机连杆有限元分析与优化设计第10卷第1期51就是在其静态分析模型的基础上，是通过考虑其体积力而对载何作重新计算和处理所得到的。
根据达朗贝尔原理，只要在作用于连杆的力系中，引入相应的惯性力（即体积力），就可以将求解连杆的动力问题化为相应的静力问题。
为了进一步简化这种计算，在计算中不考虑连杆振动的影响。
为了达到以上目的，前期利用ADAMS软件分析可得到较理想的结果，4V-105柴油机连杆工作时，承受的应力是周期性变化的[4]，一般情况下，应选择连杆承受最大拉力和最大压力两种情况进行分析，因此本文取连杆的这两个位置进行应力分析。
经过换算，加载时采用最大压力大小为61877.2N、最大拉力大小为12517.2N进行准静态分析。
四、连杆有限元模型的加载与求解（一）预紧力加载包括对连杆衬套和小端过盈装配的预紧力、轴瓦和大端装配的预紧力及螺栓预紧力的加载。
（二）边界条件的处理为减小计算规模，取1/2连杆模型进行计算，在模型的对称剖分面上施加对称约束。
（三）最大压缩工况计算求解及结果分析最大压缩工况时，连杆在Y轴向主要受力如图3所示：大小端施加表面载荷，求解计算完成后，进入ANSYS后处理器查看计算结果，得到节点等效应力图4。
从应力图示看出，连杆大端应力较小，大端内表面虽有应力集中，应力也不是很大；杆身应力也较小，只有杆身和连杆小端过渡处外侧面稍大。
通过查询知杆身所受最大应力节点为43015，它位于杆身近小端的外侧面上，最大应力值为（SEQV=255.862MPa），远低于40Cr材料的许用应力（533Mpa）。
（四）最大拉伸工况计算求解及结果分析最大拉伸工况计算完成后，进入ANSYS后处理器查看计算结果，得到节点等效应力图5。
拉伸工况时，杆身的等效应力最大值点位于小端与杆身过渡圆弧处，连杆和大端盖结合面处等效应力值相对整个连杆而言有所提高。
此外，在拉伸工况下连杆体和大端盖之间存在接触压力，说明两者仍保持紧密的接触状态而无分离。
通过查询知杆身所受最大应力节点为16772，它位于杆身近小端的外侧面上，最大应力值为（SEQV=56MPa），远低于40Cr材料的许用应力（523Mpa）。
（五）疲劳分析根据关于弯曲或拉、压交变应力疲劳安全系数的计算公式来计算其疲劳安全系数，即：nσ=σ-1kσεσβσa+Ψσσm=421.7/(1×154.8755/(1×0.75)+0.05×(-100.9865))=2.08图3压缩工况连杆载荷分布图示柳州职业技术学院学报522010年3月图5最大拉伸工程节点等效应力图示图4最大压缩工程节点等效应力图示图6连杆测试点图示TK1 44 43.709 TK2 28 26.363 TK3 22 17.380 TK4 5 3.4712 TK5 50 45.220 TK6 100 99.531 TK7 10 11.372 TK8 12 11.272 TK93636.685表2设计变量的初始值和优化设计结果取n s =1.5，故n σ=2.08>ns 。
通过对连杆的疲劳计算，连杆安全系数能达到连杆疲劳设计的要求。
五、连杆的优化设计（一）连杆的最优化设计1.目标函数的选取目标函数[5]为连杆的半边体积，表达式为：TVOL=min nk =1Σ△V其中，n 是连杆有限元单元的个数，△V 是第k 个有限元的体积。
2.设计变量的选取定义设计变量为图1所示杆身尺寸TK1~TK9。
只优化杆身，在满足强度条件下，尽量减少重量以减少惯性力和材料，根据ANSYS 加载分析后应力显示，杆身和小端连接部位应力较大。
TK1-TK9是影响杆身形状和质量的主要参数，也会影响杆身应力，故初步优化这九个参数。
3.约束条件的确定本文考虑应力约束条件，要求连杆杆身所受的最大应力值不超过初始设置时的最大应力值，初始设置时的最大应力值为40Cr 材料的屈服极限800MPa 。
（二）结果分析完成了优化设计后，优化设计的设计变量结果表2。
利用ANSYS 的查询功能查出优化设计后连杆半边体积（TVOL ）为：TVOL=108063.28（mm 3）1.体积变化分析经过ANSYS 优化，连杆杆身体积大为减少：初始设计连杆杆身体积为：TVOL=126140.682×2=252281.364（mm 3）；优化后连杆杆身体积为：TVOL=108063.28×2=216126.56（mm 3）；连杆杆身减少体积为：252281.364-216126.56=36154.8（mm 3）；连杆杆身体积约减少初始设计体积的：36154.8/252281.364=14.3%。
可见，在保证足够的疲劳强度及刚度的前提下，经过ANSYS 优化后，减少了连杆杆身体积（也就是减少连杆杆身质量），从而减少了连杆的运动惯量，同时应力的分布更趋合理。
2.连杆应力测试验证（1）试验过程：试验按连杆受最大压力情况进行，最大压力按等效载何61877.2N 进行加载。
将连杆装夹在液压式万能试验机上。
因为应力较大部位主要在小端和杆身过渡区域，故只按图6所示测试点测试即可。
各测试点在最大压力作用下的应力值表3：（2）测试结果与优化结果比较各测试点的试验测得应力表明其分布规律和ANSYS 载何结果分布基本一致，最大试验测得应力为测试点5（380.652MPa ），和有限元计算的最大应力值（388.1MPa ）不曾林，邓海英：4V-105柴油机连杆有限元分析与优化设计第10卷第1期53柳州职业技术学院学报Analysis and Optimized Design of 4V-105Diesel ConnectingRods Finite Element MethodZENG Lin &DENG Hai-ying（Electromechanical Engineering Department of Liuzhou Vocational &Technical College,Liuzhou 545006,China ）Abstract:This paper introduces the working situations of 4V-105diesel connecting rods.By the use of CAE design and analysis program ANSYS,it makes the analysis and optimal design of rod finite elements.The corresponding experimental verification tests on the optimization results and a more detailed analysis of volume change are carried out in order to verify the reasonable optimization of the rod size and finally a reasonable optimization design results can be obtained.Key words:connecting rod;finite element;ANSYS;APDL;optimization一样。