基于ANSYS的汽车发动机连杆的有限元分析

汽车发动机连杆的有限元分析
摘要：采用ANSYS软件对汽车发动机连杆应力进行分和模态分析，计算出连杆的最大应力和应变;模态分析提取了前4阶模态，分析了连杆的固有频率、振型，找到了变形最大区域。

为连杆优化设计、结构改进和表面热处理提供理论依据。

关键词：ANSYS；连杆；模态分析；应力和应变
1 前言
连杆是汽车发动机的重要构件和主要运动件，功用是将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。

连杆工作过程中承受装配载荷和交变载荷的作用还有气缸内气体压力，惯性力、轴承摩擦和磨损等。

所以要求连杆具有足够的抗疲劳强度、抗冲击，足够的强度和刚度。

应力分析是对连杆的静力分析，分析了连杆应力分布，应变情况；模态分析研究的是连杆的动态特性，用ANSYS对连杆进行模态分析，得出了连杆前4阶的固有频率和振型，通过分析结果可知连杆存在的问题及结构的薄弱环节，为连杆优化设计、结构改进和表面热处理提供理论依据。

2连杆有限元分析的理论基础
2.1静力学分析理论
当连杆加载和约束时，利用平衡条件和边界条件将各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程：
{K}{q}={f}
式中｛K｝—整体结构的刚度矩阵；
｛q｝—节点位移列阵；
｛f｝—载荷列阵.
解该有限元方程就可以得到最后分析时所需的各单元应力及变形值。

2.2模态分析理论
模态分析研究系统是在无阻尼自由振动情况下系统的自由振动，用于确定结构的振动特性，是谐响应分析的基础，固有频率和主振型是振动系统的自然属性。

系统的运动微分方程可表示为：[M]｛X(t)｝+[K]{x(t)}=0
弹性体的自由振动可分解为一系列简谐振动的叠加，因此,式(2)的解可设为：
X(t)=φcosω（t−t0）
式中：ω为简谐振动的频率；
t为时间变量；
t0为由初始条件确定的时间常数。

代（3）入（2）得到特征值和特征向量分别对应系统的固有频率和主振型。

3基本分析过程
6.5
2.5
0.5
1.8 0.3
1.2
1.6
0.5
0.9
45o
中间连接点
C
C
曲柄销
活塞销
连杆几何模型（单位cm ）
45o
0.2
0.4 0.3
4.7
4.0 3.2
如图所示连杆结构，连杆厚度1.5cm ，过渡圆角0.25cm ，材料属性为弹性模量E=3.0e7（Mpa ）,泊松比0.3，材料为40Cr,密度ρ=7800kg/m 3
3.1静力学分析
根据结构特征，采用ANSYS 实体建模。

选用单元类型为Solid95, Solid95是三维20结点四面体结构实体单元，在保证精度的同时允许使用规则的形状，适用于曲线边界的建模。

图1 连杆模型
3.1.1网格划分
连杆的实体模型网路划分采用智能网络划分，划分等级为3级。

图2 网格划分图
3.1.2约束条件和施加荷载
实际工程中，汽车连杆的大头孔是与轴承配合的，而小头孔的内侧90°范围内受面压力作用。

在ANSYS中选取大孔内表面级Y=0的所有面施加对称约束，在小头孔的内侧90°范围内施加P=l 000psi面压力。

图3 连杆加载和约束示意图
3.1.3计算及结果分析
图4和图5分别为汽车连杆的位移云图和应力云图
图4 连杆位移云图
图5 连杆应力云图
结果显示，最大合位移出现在小孔内外表面；最大等效应力出现在小头孔内表面上，其值为12.9MPa。

从图中的应力和位移等直线可以看出:(1)整个连杆结构的最大应力出现在小头孔的承载区范围内，其他部位受力情况较均匀。

这与实际情况是相吻合的。

(2)最大变形
出现在小轴孔表面，而大孔的变形非常小。

在实际情况中，由于小孔是承载区，它的变形相对较大，大孔远离承载区，受影响较弱。

综合上述分析，有限元分析结果是客观的，较为真实的反应了汽车连杆的受力情况。

3.2模态分析
根据模态分析理论，低阶频率下的振动对结构影响最大。

3.2.1约束及加载
大头保留绕孔中心线的转动自由度，其他自由度约束；小头保留沿气缸方向上移动和绕孔中心线的转动自由度，其他自由度约束。

3.2.2计算及结果分析
本文分析连杆的前4阶模态，模态分析结果如表1所示，振型云图如图7所示
表1模态分析结果
阶次固有频率/Hz 振型描述
1 1.8726 水平弯曲
2 1.6700 垂直弯曲
3 2.771
4 纵向弯曲
4 2.7754 水平弯曲
图7 振型云图
由振型云图可以看出，前4阶模态内，连杆的振动形式多样，集中表现为水平弯曲、垂直弯曲和纵向扭转。

其中，前3阶模态振动最大位移均出现在连杆中部，第2、3阶模态分析的振动位移最大，第1、4阶模态的振动位移相对较小，说明第2、3阶振动幅度较大，易发生共振。

4.结论
（1）最大位移出现在连杆小头圆孔处，最大值为0.12~0.13mm，然后逐渐向内递减，到连杆大头圆孔处为最小位移。

（2）最大应力出现在杆与小头圆孔接触处，值为12.9MPa，是整个连杆最危险的部位，应采取相应的表面处理手段进行强化。

（3）利用有限元软件ANSYS对连杆进行了静力分析和模态分析，通过分析分析得到了连杆的模态和变形情况，因此，在设计连杆时，不仅要考虑杆身与大小头连接处应力集中问题，也要考虑避开共振频率的问题。

参考文献：
[1] 赵经文，王宏钰.结构有限元分析[M].北京：科学出版社，2001.
[2] 陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3] 徐兀．汽车发动机现代设计．北京：人民交通出版社，1995。