连杆有限元分析
4110柴油机连杆设计及有限元分析-任务书
毕业设计任务书学生姓名系部汽车与交通工程学院专业、班级指导教师姓名职称讲师从事专业车辆工程是否外聘否题目名称4110柴油机连杆设计及有限元分析一、设计（论文）目的、意义连杆是发动机中传递动力的重要组件，它在工作中承受各种复杂的、周期性变化的拉、压及惯性力等外载荷，即使是同一类型的连杆，由于每根连杆的物理参数、几何形状也存在差异，在分析连杆的应力和应变时，要考虑这些不确定的因素，这样才能得到更符合实际的结果。
目前，有限元法已成为工程技术领域中不可缺少的一个强有力的计算分析工具，是研究发动机连杆的应力、应变的应用中最常用的方法。
该方法较用传统的材料力学公式计算的结果更为精确。
二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法）设计内容：在给定发动机参数的基础上设计连杆，在PRO/E软件平台上建立零件的等比例物理模型，利用有限元ANSYS软件，研究其应力、应变状态及其危险部位。
技术要求：在有限元分析中，科学的力学模型、准确的边界条件约束决定着分析结果的准确度。
考虑连杆应力计算中载荷施加的均匀性、对称性和准确性对杆身、大端和小端过渡区的应力计算结果有很大的影响。
三、设计（论文）完成后应提交的成果（一）计算说明部分1.连杆小头的结构和结构设计2.连杆杆身的结构和结构设计3.连杆大头的结构设计4.连杆螺栓的结构设计5.主要部件校核６．设计说明书一份（1.5万字以上）（二）图纸部分CAD总装配图1张,Pro/E,Ansys图若干张四、设计（论文）进度安排第1－２周选题、领取任务书，调研，搜集资料，撰写开题报告；第３～5周根据发动机参数设计连杆；第6～8周绘制连杆总装配图，中期答辩；第9～13周利用Pro/E建立模型，Ansys分析，并撰写设计说明书；第14周完善设计并提交指导教师审核；第15-16周更改并最终完成设计，准备答辩；第17周毕业答辩。
五、主要参考资料[1] 网络类中国机械CAD论坛等[2] 期刊类中国期刊网等[3] 书籍类连杆设计、PRO/E、Ansys图书等六、备注指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日。
基于UG的发动机连杆有限元分析
四种加载载荷如下表 ２ 。
表２ ：连杆 所 受载荷
工况 最大拉伸 工况 最大压缩工况
载 荷 大 小
工 况
小头 ７ ０ ０ ０ Ｎ 大头 １ ２ ０ ０ ０ Ｎ
小头 ８ １ ０ ０ ０ Ｎ 大头 １ ２ ５ ０ ０ Ｎ
螺栓预紧力
装配过盈接触力
示 意图
载荷
在 合适 的 范 围 内。在螺 栓预 紧 力 的作用 下 ，连杆 的疲劳特 性 也会 发 生 一定 的变 化 。
收稿 日期 ：２ ０ １ ４ ． ０ ６ ． １ ２
２ ０ １ ５ 年 ９月
第 ３期
教
学
与
科
技
３ ９
模 型 的建立 时 ，定义 的 内容应 尽量 与连 杆 实 际的工 作状 况 相吻 合 。
６ ２
用的连接螺栓 ，来进行有限元分析，其主
要参 数见 表 １ 。
３ ４
２ 连杆 受力分析
发动 机 连杆 工 作 时受 到周 期 性变 化 拉力 ， 压 力 和惯 性等 力 的作 用 ，受力 情况 非 常复杂 ，总 的来 说
包括以下几种。
２ ． １ 螺栓 预 紧 力
连杆大头在螺栓预紧力作用下会发生变形 ，进而影响连杆大头处 的应力分布 ，这种变形必须控制
与螺栓接触 的部分，最大应力为 ２ ３ ５ ＭＰ ａ ，此材料的屈服极 限为 １ １ ７ ８ ＭＰ ａ ，该工况下最大应力值在屈
方 向的中 间部 位 即可 。
３ ． ４ ＿ ３ 定 义载 荷
连 杆 在运 动 过程 定义 为 如下载 荷 ：
１ ）螺栓预紧力 ，对螺栓单元施加沿轴向的预紧力。
２ ）装 配 过盈 接 触 力 ，本 文 中通过 计 算给 定 了大 小头 的 内孔 面压 力载荷 。 ３ ）极 限压 缩 与拉 伸载 荷 实际作 用 在孔 壁 的一 半部位 ，呈余 弦分 布 。本 文 中 ，为 了简 化分 析 ，在 大 头孔 、小 头 孔使 用 局 部 圆柱 坐标 系 ，施 加径 向的载荷 近似 于余 弦载 荷 。
基于AWE的发动机连杆有限元分析
Ｆ ＥＡ ｆ ｏ ｒ Ｃｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ Ｒｏ ｄ ｏ ｆ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＡＷ Ｅ
Ｗ ＡＮＧ Ｙｕ －ｌ ｉ ｎ
【 Ｃ ｉ ｖ ｉ ｌ Ａ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｆ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｘ ｉ ｎ ｊ ｉ ｎ Ｓ ｕ ｂ — Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ， Ｓ ｉ ｅ ｈ ｕ ａ ｎ Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ ６ １ １ ４ ３ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
摘
要： 连杆作为航 空活塞发动机组成的重要传动零件之 一 ， 在交变载荷 的作用下 ， 连杆容 易发生疲 劳断裂。以某型航
空发动机连杆为研 究对 象， 采用Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ建立连杆的三维模型 ， 将模型导入 到 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ ＷＯ Ｒ Ｋ Ｂ Ｅ Ｎ Ｃ Ｈ软件 中， 采用智能网 格 划分法进行网格 划分 。通过连杆 载荷 的受 力分析， 建立连杆 受到 最大拉伸与最大压缩两种工况的有限元模 型， 采用
要的。 将连杆体与连杆盖看为一整体 ， 不考虑螺栓的联接与衬套 、
轴瓦与连杆的接触。
连接活塞与 曲轴 ， 将活塞的往复直线运动转化成曲轴的旋转运动
机 械 设 计 与 制 造
２ ２ ４ Ｍａ ｃ ｈｉ ｎｅ ｒ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ＆ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ
第 ７期
２ ０ １ ３年 ７月
基于 Ａ ＷＥ的发动机连杆有 限元 分析
王裕林 （ 中国民航 飞行学院 新津分院 ， 四川 成都 ６ １ 】 ４ ３ ０ ）
Ｋｅ ｙ Ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ；Ｃｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ Ｒｏ ｄ； ＡＮＳ ＹＳ ； Ｆｉ ｎ ｉ ｔ ｅ Ｅｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ｍｅ ￣ｏ ｄ
发动机连杆的有限元分析及结构优化
２３ 网格划分 ． 建 模 后须 对 模 型 进行 网格 划 分 。Ａ ＷＥ不 仅 具 有 功 能 强 大 的 网 格 划 分 工 具 ，还 能 进 行 智 能 化 网
格划 分 ，生 成 形 状 特 性 较 好 的单 元 来 保 证 网格 质 量 ，给 使 用 者 节 省 了大 量 的 时 间 和精 力 。一 般 情 况 下 ，采 用 默认 网格 控 制 即 可 。有 时 ，为 了获 得 高 质 量 的 网 格 ，也 可 通 过 一 定 的控 制 使 其 尽 量 符
３ 建 出连 杆 在 摆动 面 及 垂 直 摆 动 面 方 向 上 的截 面 ） 草 图 ，再 用 扫 略 命 令 切 出 圆弧 过 渡 区 。最 终 选 定
思 路 三 进 行 建 模 ，此 法 所 建 模 型 更接 近 实 物 ，且 所 需 指 定 的优 化 参 数 较 少 ，优 化 耗 时也 较 少 ，约
合 有 限 元 计 算 的 要 求 ，提 高计 算 精 度 。根 据 所 建 模 型 ，本 文 比较 了 四种 不 同 网格 尺 寸 对 计 算 结 果 的影 响 ，在 完全 采 用 默 认 控 制 的情 况 下 ，连 杆 上
图 １ 网格 划 分 后 的实 体 模 型
２４２约束处理 ．． 边 界 约 束 可 消除 整 体 模 型 的 刚性 位 移 和确 定
一
般 来 说 ，对 于 钢 、铜 、铝 等 塑 性 材 料 ，可
根 据第 四 强度理 论 ，选 用 Ｖ ｎＭｉ ｓ ｏ ｓ 等效 应力 进行 ｅ 强 度校 核 。
２４ Ａ 中的连杆边界处理 ． ＷＥ
２４１施 加载荷 ．．
１ ）在最 大 压 缩 工 况 下 ，应 力 集 中区 主 要分 布
连杆的有限元分析
目录第一章序言 (1)1.1课题研究的目的和意义 (1)1.2课题的分析 (1)1.3研究内容 (2)第二章有限元的基本原理及其应用 (4)2.1有限元分析概述 (4)2.2有限元分析的优缺点 (5)2.2.1有限元法的优点 (5)2.2.2有限元分析的缺点 (6)第三章连杆的工作条件及载荷的确定 (7)3.1.连杆的结构和布置 (7)3.2柴油机一般采用斜连杆的原因 (9)3.3连杆的工作条件及受力 (10)3.4连杆的材料及制造工艺 (11)第四章连杆的建模 (15)4.1SolidWorks软件介绍 (15)4.1.1概述 (15)4.1.2 SolidWorks软件的特点 (16)4.1.3 SolidWorks软件的应用 (17)4.2连杆模型的建立 (17)4.2.1创建连杆的几何模型 (18)4.2.2连杆的力学模型的建立 (32)第五章计算结果及其分析 (40)5.1最大拉伸情况的结果与分析 (40)5.1.1连杆受拉时应力结果 (40)5.1.2连杆受拉时应变结果 (41)5.1.3连杆受拉时位移结果 (43)5.2最大压缩情况的结果与分析 (44)5.2.1连杆受压时应力结果 (44)5.2.2连杆受压时应变结果 (45)5.2.3连杆受压时位移结果 (46)5.3分析总结 (46)引用文献 (49)附录(英文翻译) (51)第一章序言1.1课题研究的目的和意义连杆是发动机中传递动力的重要零件，它把活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动，并将作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。
连杆在工作过程中要承受装配载荷（包括轴瓦过盈及螺栓预紧力）和交变工作载荷（包括气体爆发压力及惯性力）的作用，工作条件比较苛刻。
现代汽车正向着环保节能方向发展，这就要求发动机连杆在满足强度和刚度的基础上，应具有尺寸小、重量轻的特点。
本文通过SolidWorks这个三维制图软件制作连杆的三维模型，然后通过COSMOSWorks软件，对连杆模型进行网格划分、加载和约束的处理，然后再进行计算分析，得出柴油机连杆在受拉和受压的两种工况下的应力、应变等分析结果。
农用柴油机连杆有限元分析与结构优化
图 １ 连 杆 的 刚 格 划 分
建立准确和可靠的计算模 型是应用有限元法进行
分析 的重 要 步 骤 之 一 。在 进 行 有 限 元 分 析 时 ， 尽 量 应
收稿 日期 ：２０ ０ Ｏ ０ ９— ９一 ８
Ｆ ｇ １ Ｇｒｄ ｉ ｇ ｏ ｏ ｎ ｃ ｉ ｇ ｒ ｄ ｉ． ｉ ｄ ｎ ｆｃ ｎ ｅ ｔｎ ｏ
头 与杆 身过 渡部 分 及 连杆 杆 身 的工 字 型 截 面 内等 有 应
限元 分析 ， 得到连杆 的应力分 布 、 全系数 和疲劳 寿 安 命的情况 ， 并根据分 析结果进Байду номын сангаас 了优 化设 计 ， 为此连
杆 的可 靠性 设 计 提供 了依 据 。
１ 建 立 模 型
连杆 材 料 为 ４ ５号 优 质碳 素 结 构 钢 ， 能参 数 如 表 性
作者简 介：郑
斌 （ ９ ２一） 男 ， １８ ， 山东 淄博 人 ， 师 ， 讲 硕士 ， Ｅ—ｍａ ） （ ｉ ｌ
力 ， 连杆起 压缩作用 ； 对 二是 活塞 连杆组高速 运动产
生 的惯 性 力 ， 连 杆 起 拉 伸 作 用 。故 在 分 析 时 ， 要 对 主
ｚ ｅ ｇ ｉ ＠ ｓ ｕ ． ｄ ． ｎ。 ｈ ｎ ｂｎ ｄ ｔｅ ｕ ｃ
１所示
表 １ 主 要性能参数
Ｔａ １ Ｍ ａｎ ｐ ｒ ｒ ａ ｃ ａ ａ ｅｅ ｂ． ｉ ｅ ｏ ｍ ｎ ｅ ｐ ｒ ｍ ｔｒ ｆ
力集 中 的部 位进 行 细 化 。经 修 改 后 的 连 杆有 限元 模 型
共得 到 １ ８１３个 节 点 、４５ １个 单 元 ， １ ４ ７ １ 连杆 的 网络 划 分如图 １ 示。 所
２１ ０ ０年 ６月
基于有限元法的柴油机连杆强度分析研究
在有限元分析时． 连杆体和连杆盖 、 连杆体和轴瓦 、 螺栓和连 杆盖 、 连杆体装配结合面和衬套装配结合面上有接触效应， 本模型
在 接 触 面上 建 立 面 一 接 触 单元 Ｔ Ｇ Ｔ ７ 面 ＡＲ Ｅ １０和 Ｃ Ｎ Ａ １４ 传 Ｏ Ｔ Ｃ７，
４２ 最大拉 力工况计 算与结果 分析 ．
连杆组产生的旋转惯性力载荷 。 按上面的方法把连杆大小端的力 施加到连杆大小端 内孔轴瓦 、 衬套的内表 面节点上 ， 杆身的惯性
杆 的有限元静强度分析结果 中提取危险点的应力值 ， 便可根据 文
Ｏ＇１
在该工况下 ， 连杆承受预紧工况载荷的同时， 还承受着活塞 献［ ５ １ 中关于疲劳安全系数的计算公式进行计算。
为了进行切实有效 的计算 ， 问题的物理特性 和建立合理的模 理解 触， 柔体一柔体 的接触。Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 支持三种接触方式 ： 点一点 、 点一
面 、 面 面一 Ｉ 杆 组 的接 触 方 式 即为 面一 面 接 触 。 。连 每 种 接 触单 元 主要 关键 字设 定 ：１接 触 算 法 。 对 面一 面 的 （）
图 ２压 缩 工 况 连杆 受 力不 恿 Ｉ
连杆大小端受载荷 的大小和方向 ，在进行有限元分析时还
须将其按一定规律分布到大小头 内孔表面上。在分析时 ， 将其简 化成沿 内孔轴向方向平均分布 ，沿内孔径 向 １０范 围内按余弦 ２。 规律分布。通过 Ａ Ｄ 参数化语言编程 ， ＰＬ 实现上述载荷 的参数化
３连杆 有 限元 分 析 模 型
研究 的连杆模型取 自某型柴油机 ， 属于斜切 口连杆 。 分析时 有关参数的选取 ， 如表 １ 所示。 通过 Ｃ ＴＡ二次开发建立的连杆 ＡＩ 建模 系统 ， 快速生成连杆 的三维模型。
基于某发动机连杆的有限元分析
基于某发动机连杆的有限元分析摘要本文对长城4d20汽车连杆有限元分析，使用ug nx软件进行设计和分析，对连杆进行参数化设计建模，利用软件仿真模块和nx nastran解算器分不同的工况对该汽车连杆进行有限元分析。
通过分析计算，确定连杆的最大主应力和主应变位置，以验证设计的连杆强度和刚度是否合理。
关键词连杆建模有限元分 ug nx 仿真中图分类号：u464 文献标识码：a1 发动机连杆的背景连杆是作为发动机中传递动力的关键组件，其作用是将活塞的上下往复直线运动转化为曲轴的旋转运动，把作用在活塞上的力传给曲轴，以对外输出动力做功。
连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。
因此，连杆在一个复杂的应力状态下工作。
它既受交变的拉压应力，又受弯曲应力。
连杆性能的优劣好坏直接影响着发动机乃至整车的性能。
近些年对发动机连杆的研究一直没有中断，也取得了许多进展，但由于其运动形式和受力工况复杂多变，还无法做出精确计算，尤其在动态特性方面仍然是研究重点，发动机连杆的强度设计将会在长时间内继续进行下去。
2 连杆的有限元分析2.1连杆的设计方案和ug nx建模实体模型连杆模型来源于长城4d20连杆，其杆身的横截面呈“h”形状，连杆对中面呈左右对称，在建模的时候可以先创建半个模型，然后使用镜像体特征完成整个连杆实体的建模。
连杆的整个建模过程都是基于特征和参数化进行的，所有的数据都可以根据需要进行修改，实体模型也会随之得到更改。
连杆由于在杆身与大头、小头相交接处有应力集中，因此在建模时需要圆角过渡。
最终用ug完成连杆实体模型的建立。
2.2连杆的有限元模型建立2.2.1连杆的载荷分析连杆在工作时，所承受的周期性变化的外力主要由两部分组成：一是经活塞顶部传来的燃气爆发压力，对连杆起压缩作用；二是活塞连杆组高速运动产生的惯性力，对连杆起拉伸作用。
故在分析时，主要考虑连杆的最大燃气压力、活塞组件的惯性力和连杆组件的惯性力。
用ANSYS进行四连杆机构的有限元分析
用ANSYS进行四连杆机构的有限元分析作者：谭辉日期：08年3月6日分析目的1、利用ANSYS对典型的四连杆机构进行分析，主要包含各点的轨迹分析，例如X和丫方向的位移等。
2、为五连杆和六连杆机构的分析提供可行的分析方法以及原型代码。
问题简述分析主动杆1绕节点1旋转一周时节点4的运动轨迹，杆2和杆3为从动杆, 具体问题见下图：节点4, 5 （重合）5！分析思路1、 根据分析目的，在 ANSYS 选用linkl 单元进行单元建模，主要考虑 是linkl 单元具有X 和丫方向的自由度，可以获得各个节点的位移轨迹。
之后可以用梁单元等实现更高级的分析目的，例如获得杆上的力，位移， 加速度等相关信息。
2、 该模型结构简单，可以利用直接建模方法进行有限元系统建模，主 要命令：N , E 。
3、 利用自由度耦合对重合节点进行建模，例如节点2和节点3、节点4和节点5进行建模，主要命令：cpintf ,利用该命令可以一次性将重合节 点生成自由度耦合。
4、 利用表数组对于杆1 （主动杆）的节点2进行瞬态边界条件的载荷施 力□，分析类型为瞬态分析，主要命令：*dim ，d 等。
5、 生成节点位移的对应变量，从而获得节点 4的随时间的位移曲线， 主要命令：nsol, plvar 等。
符号注释结束上一次的分析！清除数据库，并读取启动配置文件！！设置图形显示的背景颜色！命令流如下行号命令 1 finish2 /clear,start33 /color,pbak, on ,1,5！/units,si设置单位制：国际单位制 ！*afun,deg设置三角函数运算采用度为单位 ！ /prep7！进入前处理模块！et,1,link1设置单元类型： link1 ！ mp,ex,1,2.07e11 设置材料的弹性模量 ！r,1,1 设置单元的实常数，面积为 1 ！ n,1,0,0,0 在（ 0， 0， 0）处建立节点 1 ！ n,2,3,0,0 在（ 3， 0， 0）处建立节点 2 ！ n,3,3,0,0 在（ 3， 0， 0）处建立节点 3，和节 ！ ！点 2 重合n,4,8,7,0 在（ 8， 7， 0）处建立节点 4 ！ n,5,8,7,0 在（ 8， 7， 0）处建立节点 4，和节！ ！点 4 重合n,6,10,0,0在（ 10，0，0）处建立节点 6 ！e,1,2建立单元 1（连接节点 1和 2） ！ e,3,4建立单元 2（连接节点 3和 4） ！ e,5,6建立单元 3（连接节点 5和 6） ！ cpintf,all,1e-3！对于重合节点一次性的建立耦合自 ！ 由度，容差 1e － 3/pnum,node,1 ！显示节点编号 ！/pnum,elem,1 显示单元编号 ！eplot显示单元6 7 8 91011 12 13 14 15 16 17 18 19 202122232425 26 27finish 退出前处理模块！/solu antype,trans time,1deltim,0.01 timint,on,all*dim,node_2_ux,table,100,1,1 *dim,node_2_uy,table,100,1,1 *do,i,1,100,1node_2_ux(i,0,1)=0.01*inode_2_ux(i,1,1)=distnd(1,2)*cos(3.6*i)-distnd(1, 2)node_2_uy(i,0,1)=0.01*inode_2_uy(i,1,1)=distnd(1,2)*sin(3.6*i) *enddod,1,all,0 d,6,all,0d,2,ux,%node_2_ux% d,2,uy,%node_2_uy%数组： node_2_uy28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49进入求解模块！设置分析类型为瞬态分析 ！ 设置分析结束时间为 1 ！设置时间步长为 0.01 ！打开时间积分！ ！设置节点 2的 X 方向的时间－位移 ！的表数据： node_2_ux设置节点 2的 Y 方向的时间－位移 ！的表数据： node_2_uy 进入表数据赋值循环 ！设定节点 2 的 X 方向位移的时间序 ！■ 列：0.01, 0.02, 0.03 ……设定节点 2 的 X 方向的位移序列 ！ 设定节点 2 的 Y 方向位移的时间序 !列：0.01, 0.02, 0.03 ……设定节点 2 的 Y 方向的位移序列 ！结束循环！ ！ 设定节点 1 的所有自由度为 0 ！ 设定节点 6 的所有自由度为 0！ ！将节点 2 的 X 方向的位移赋值为表 ！数组： node_2_ux将节点 2 的 Y 方向的位移赋值为表I !alls outres,all,all solve finish /post26 nsol,2,3,u,x nsol,3,3,u,y nsol,4,4,u,x nsol,5,4,u,y plvar,2,3,4,5 /image,save,tran s_curve,jpg finish /post1 /dscale,1,1 pldisp,2 finish/exit,save选择所有的对象 !计算并输出所有的数据!执行求解! 退出求解模块! ! 进入时间序列后处理模块! 将节点3的X 方向的位移设置为 2 I！#变量将节点3的Y 方向的位移设置为 3 ! #变量将节点4的X 方向的位移设置为 4 I! #变量将节点4的Y 方向的位移设置为 5 ! #变量打印2#、3#、4 #和 5#变量随时 I ! 间的变化曲线保存当前的曲线图形到文件： I ° trans_curve.jpg,方便用户看图 退出时间序列后处理模块! ! 进入通用后处理模块! 设置模型变形的显示比例为 1! 显示变形状态!退出通用后处理模块退出并保存数据库5051 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70几点思考1、为什么最终显示的变形和原来的图形完全重合了？答：因为杆1旋转了360度，在最后的载荷步计算完成和就和原来最初的模型重合了，但是可以用an time命令显示动画，就可以看出运动的效果。
4110柴油机连杆设计及有限元分析-开题报告
上升。2004 年，欧盟新注册的轿车中，柴油机占 48.4﹪，其中法国 69﹪，德国 44﹪；
连不太推崇柴油车的美国 2004 年注册的柴油轿车也占 6.1﹪。而在中国由于各方原因，
2004 年的乘用车销量中柴油汽车仅占 1.2﹪，普较占 0.6﹪。
轿车使用柴油机已成为发展潮流，我国商用车按吨位 3.5 以上为重型，3.5 以下为
发动机连杆的研究是一个很复杂的、很有前景的研究领域，有很多需要完善和提高 的地方。对发动机连杆精确的分析，可以为设计、生产、改进发动机提供可靠的相关数 据和理论依据，缩短发动机的开发、改进的周期和成本，提高其可靠性和经济性。
轻型车。目前重车基本应用柴油发动机，而轻型车配柴油机只占 33﹪。据统计，2008
年国内柴油市场达到 190 万台规模。其中 40 万台重型柴油机，27 万台中、轻型柴机占比例虽然小，但轿车总量大，且柴油机品种在逐步增加，如捷达
SD1 发动机、宝来 1.9 升 TD1 发动机都是柴油机。近年玉柴研制出 YC4V、YC6L-40 都可
进口大国，每年需进口石油总产量的百分之三十。2004 年中国进口了 1.23 亿吨原油和
4000 万吨成品油，共花了 420 亿美元，以后将会逐年增加。柴油车得平均油耗要低于汽
油车百分之三十。一辆 3.2 升奔驰 E 级柴油车平均耗油为 7.5 升，仅相当于国内排量 1.4
升汽油车的能源消耗。所以在发达国家，重型车使用柴油机占百分之百，轿车比例日益
年度
总产量 总销量 乘用车
商用车
产量
销量
产量
销量
05 年
570．77 575.82 393.07 397.11 177.7
178.71
06 年
基于ANSYS的汽车发动机连杆的有限元分析
基于ANSYS的汽车发动机连杆的有限元分析有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）是一种应用数值计算方法的工程分析技术，可以用于解决各种工程问题。
在汽车发动机设计中，使用有限元分析可以帮助工程师了解和优化发动机组件的力学性能。
本文将基于ANSYS软件，介绍如何进行汽车发动机连杆的有限元分析。
一、建模和几何参数定义：在进行有限元分析之前，首先需要将连杆的几何形状转化为虚拟模型。
一般来说，使用CAD软件绘制连杆的草图，并根据设计要求对连杆进行几何尺寸和参数的定义。
对于汽车发动机连杆而言，常见的几何参数包括连杆长度、大端和小端直径、连杆的截面形状等。
在绘制草图时，应注意考虑到实际的工程要求和设计限制。
二、材料定义和材料力学参数：在有限元分析中，连杆的材料定义至关重要。
一般来说，连杆材料应具有优异的强度和刚度，以应对高速旋转和高温的工作环境。
一般常用的连杆材料包括铸铁、铝合金、钛合金等。
在模型中定义连杆的材料属性，常用的材料力学参数有弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂韧性等。
这些参数将作为材料的基本力学性能指标，用于后续的有限元分析计算。
三、网格划分和单元选择：在进行有限元分析之前，需要将连杆的几何模型划分成一系列小的有限元网格。
这一步骤称之为网格划分。
在网格划分时，需要根据设计要求和实际需求选择适当的网格类型。
对于连杆而言，常用的网格类型有四面体网格、六面体网格和四边形网格等。
划分后的网格中的每个单元都将代表连杆的一个局部区域，通过对每个单元进行力学计算，可以得到连杆在整个工作过程中的承载能力和应力分布情况。
四、加载和边界条件定义：在有限元分析中，需要对模型施加适当的加载和边界条件来模拟实际工作情况。
对于汽车发动机连杆而言，常见的加载和边界条件有定常和动态载荷、热载荷和流体载荷等。
例如，在连杆的大端和小端分别施加适当的载荷，以模拟发动机工作时的受力情况。
同时，还需要定义边界条件，如固定轴承的位置，以模拟实际组装情况。
连杆式钢包回转台的整机有限元分析
Ｆｉ ｔ ｅ ｅ ｔＡｎ ｌ ｓｓ ｏ ｎ ｅ ｔｎ ｄ Ｓ ｅ ｌＰａ ｋ ｇ ｔ ｔｎｇ Ｓｔ ｔｏ ｎｉｅ Ｅｌ ｍ ｎ ａ ｙ ｉ ｆＣｏ ｎ ｃ ｉ ｇ Ｒｏ ｔ ｅ ｃ ａ ｅ Ｒｏ ａ ｉ ａ ｉ ｎ
Ｗ Ａ ＮＧ －ｇａ Ｌｉ ｎｇ‘ ＬＩＬｉ —ｌｎ ， Ｍ Ａ ． ｎｇ ｉ ｇ２ Ｘｕｅ —ｄｏｎｇ 。
中将 其简 化 为刚体 。几何模 型 如 图 Ｉ 所示 。 模 型 的 位 移 约 束 条 件 为 机 架 底 座 的 下 表 面 阎定 约
束， 结构 所受 载 荷 为钢包 的实 际重 量 为 ２ ０ ， ２ ｔ分摊 到 左右
转 台升降装 置 为原型 ，进行 了整 机有 限元静 强度 计算 ， 其 ２３ 边界 条件 ． 目的是为此机 构 的安全性 和可靠性 提供相 应 的理论依 据 。
（ ｉｙ ｅ ｖ ｎ ｉｅｒ ｇＭａｈｎ ｒ Ｃ ．ｔ， ｎ ｕ ｎ ｄ ｏ０ ６ ０ ， ｈｎ ；．ｎｖｔｉ ｆ ｃｅｃ ｎ １ ｎｅＨ ａｙＥ ｇｎｅｉ ｃ ｉｅｙ ｏ ｄ Ｑｉｈ ａｇ ａ ６ ０ ４ Ｃ ｉａ ２Ｕ ｉｅｓ ｙｏ ｉｎ ｅａ ｄ Ｑ ｎ Ｌ ’ｔ Ｓ
Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙＬｉｏ ｎ ， ｓ ａ ４ ４ ，Ｃｈｎ ｃ ｎ ｌｇ ａ ｎｉｇ Ａｎ ｈ ｎ １１ ０ ４ ｉａ）
２ 有 限元 分析
为 了考 察 机构 的安 全性 ，采 用 Ｃ Ｓ ｓ ｒｓ 行 托 臂 上部 测 重机 构 的 ４个 支座 面 上，并在 机 架底 部施 加 Ｏ ＭＯ ｗ０ｋ 进
了升降机 构 的整机 静强 度分 析 。
２， 零件 设计 Байду номын сангаас模 和虚 拟 装配 ．
固定 约束 （ 图 ２ 。 虑到 冲 击因 素 ， 见 ）考 应乘 以动载 系数 ， 参 考 有关 文献 ， 动载 系数 取 １ 。 ． ６
柴油机连杆有限元计算及疲劳强度分析
柴 油 机 工 作 时 ，连 杆 的 受 力 是 周 期 变 化 的 。 在 计 算 时 采 用 准 动 态 模 拟 分 析 方 法 ， 把 连 杆 的 受 力 即
实体模 型如 图 ｌ 示 。 所
状 况 固定 在 两种 最恶 劣 的工 况 ． 别 是最 大 燃 气爆 分 发 压力 引起 的最 大 压 缩 工况 和 连 杆 本身 的惯 性 力 引起 的最大拉 伸工 况 。 ２１ 等 效载荷 模 拟方式 ．
小 头孑 内接 触 面上 的压力 数 据面 ， 取 值 随极 坐标 Ｌ 其
系 （ ，， ） ０坐 标 的 变 换 关 系 由 函 数 ＣＳ７ ） ｚｒ０ 中 Ｏ （ｔ Ｏ 决
元 类 型 选择 Ｓ Ｌ Ｄ ， Ｏ Ｉ １ 四节 点 四 面体 单元 ， 元 长度 单
６ ｍｍ， 生 成 节 点 数 ２ ８ １个 ， 元 数 １２ ７个 ， 共 ０４ 单 ３８ 连
理可 以计 算得 到 ：
莲 力 囊撮爱
Ｐ ￣ｚ＝２ ３ ３ ２５ ６．３Ｎ Ｐ ＝ ９８ Ｐａ 一 ３． Ｍ
２ ２ 接 触 模 拟 方 式 ．
均 布栽 荷
（ ） 大压缩 工况 １最
经 过等 效力 系 的计算 施加 在等 效活 塞销 两个 端
面 的 力 的 大 小 为 ｌ５ ０ Ｎ， 向 竖 直 向 下 ， 限 元 计 １０ ０ 方 有
１１ 几 何 模 型 的 建 立 ．
连 杆 组整 体结 构 比较 复 杂 ，根据 计 算要 求 ， 应
用 参 数 化 设 计 和 特征 建 模 技 术 对 连 杆 进行 三 维 实
体 建模 。
（） １ 根据 刚度等效 原则对 螺栓 、 曲轴等 进行 了适 当地 简化 ， 并省 略了仅起传递 载荷作用 的连杆衬套 。 （） ２ 由于连杆 盖 通过 螺 栓 与连 杆 紧 紧结合 在 一
基于某发动机连杆的有限元分析
解算器，建立材料和编辑材料属性 ，在物理属 性编辑 中选择 都是最大。
Ｐ Ｓ Ｏ Ｌ Ｉ Ｄ实体类型 ， 并建立相应 的网格捕集器 。 由于连杆为不 最大拉伸工况下，连 杆所 受最 大应 力出现在小头靠近顶
规则形状， 首先采用 自由映射网格划分方式， 对连杆进行 网格 端位置， 其最大值为 ２ ２ ９ Ｍ Ｐ ａ ， 远 远小于材料 的屈服极限。 划分 受最大应 力出现在杆身凹槽边
２ ． ２ 连杆 的有限元模 型建立 ２ ． ２ ． １ 连杆 的载荷分析
杆受预紧载荷和最大拉伸载荷 ，第三种工况是连杆同时受到预
３连杆有限元求解结果分析
紧载荷和最大燃烧压力与最大惯性力共同作用的最大压缩载荷。 通过对三种 工况使用 ＮＸ Ｎａ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ进行有 限元分析计算， ２ ． ２ ． ２基 于 ＮＸＮａ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ的连 杆 有 限元 分 析 表明在装配预紧工 况下连杆 的位移变 形和等效应 力都最 小， 建立连杆模型后直接进入ＮＸ仿真模块， 选择ＮＸＮ ａ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ 之后是最大拉伸 工况 ，最大压缩工 况时位移变形和等效应力
时需要圆角过渡 。最 终用 ＵＧ完成连杆 实体模型 的建立。 在最大压缩工况下， 连杆除受到最大燃烧压力与最大惯性
力的共 同作用外， 也还继续承受过盈装配预紧压力 。有 限元分 析前边界条件施加位移约束为： 连杆大头只保 留沿 曲轴旋转的
自由度 ， 其他 自由度固定， 对小头保 留沿活塞上下移动的 自由度 连杆在工作时，所承受 的周期性变化的外力主要 由两部 和 绕活 塞 销 旋转 的 自由度 ， 其 他 自由度 固定 ； 载 荷施 加 时 ， 仍然 分组成： 一是经活塞顶部传来 的燃气爆发压力 ， 对连杆起压缩 在连杆大头和小头继续施加过盈压力， 在连杆小头施加轴承载 作用 ： 二是活塞连杆组高速运动产生 的惯性力， 对连杆起拉伸 荷 ， 分布角度仍然在 １ ２ ０ 。 范围内， 按余弦方式分布， 最大惯性力 作用 。故在分析时， 主要考虑连杆的最大燃气压 力、 活塞组件 的分布在整个连杆模型上 ， 即按几何分布， 施加在每个节点上。 的惯性力和连杆组件 的惯 性力。 在最大压缩工况下 ， 由有限元分析和后处理得到连杆位移图， 位 因此， 将分三种工况进行连杆的有限元分析， 第一种是只在 移最大的位置出现在小头孔靠近杆身压力施加处 ， 位移最大值 预紧载荷作用下进行分析， 第二种工况是最大拉伸工况， 此时连 比最大拉伸工况时要大， 为０ ． １ ０ ８ ２ ｍ ｍ， 在弹性变形范围之内。
连杆有限元分析
研究与试验连 杆 有 限 元 分 析包头职业技术学院 文占科 连杆是柴油机的主要零件之一。
它在柴油机中,把作用于活塞的膨胀气体压力传给曲轴,又受曲轴的驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。
连杆在工作中承受着急剧变化的动载荷。
在连杆设计过程中,为了减小其尺寸,保证安全,故对它进行有限元分析,得出位移和应力分布结果,以便对设计方案的刚度和强度有一个较为准确的估计,从而合理地改进和优化设计方案,提高设计的效率和可靠性。
1 三维实体模型的建立及软硬件条件本文研究的连杆实体模型采用笛卡儿坐标系,全部采用基于特征的参数化建模技术进行三维实体建模。
连杆本身结构形状比较简单,为了能最大限度地使分析结果接近实际情况,在实体建模过程中,对连杆所作的简化很少,仅对小油孔等作必要的简化。
由于采用参数化特征建模,后续工作将能更方便而快捷地进行。
因为设计者既可对箱体连杆总体模型进行多层次的变结构、变参数改型设计,也可对各零部件模型进行低层次(也是更大自由度)的变结构、变参数改型设计,以便充分发挥设计者的创造性。
有限元分析全部内容在大型CAD/CAE/ CAM集成化软件I-DEAS Master Series5上进行,在微型计算机上完成。
其基本配置为: CPU主频为600MHz,内存为128MB,硬盘20GB。
2 基于实体施加边界条件为使分析结果最大限度地接近真实情况,所有边界条件的施加,全部采用通过实体施加的方式,由程序自动完成实体边界条件与等效有限元边界条件之间的转化。
基本参数:缸径D=110mm,转速n= 2600rpm,最大爆发压力P2=130bar,连杆两孔中心距L=210mm,连杆大端重量W3=1. 03kg,连杆小端重量W2=0.83kg,活塞组重量W1=2.25kg,曲轴半径R=66mm。
根据连杆的工作形式,本文选择最大受拉和最大受压两种工况进行计算。
连杆最大受拉工况出现在排气冲程的上止点处,此时连杆小端孔表面受活塞组W1的最大往复惯性力: P1=(1+R/L)×W1×R×(3.1416×N/ 30)2=14481N连杆大端孔所受的惯性力为:P M=P1+P2+P3=[(1+R/L)×(W1+ W2)+W3]×R×(3.1416×N/30)2=24858N 连杆最大受压工况以最高转速时的爆发压力来计算。
基于ABAQUS的连杆有限元分析
划分的节点数和单元数如表 １ 所列。
表 １ 各 零 件 的 节 点 数 和 单 元数
筋 等部 位的单元 ， 采取按截 面面积等 效的原则 ， 确定该部位各 单 元的当量厚度。采用此方法 ， 因为当时计算速度 的限制。 是
随着计算机技术 的快 速发展 ，现在多采用 三维有限元分
《 装备制造技术｝００ ２ １ 年第 ７ 期
基 于 Ａ Ａ Ｓ的连杆有 限元分析 Ｂ ＱＵ
郭 涛， 杨 晓
（ 上汽通用五菱汽车股份有限公 司 技术 中心 ， 广西 柳州 ５ ５ ０ ） ４ ０ ７
摘 要 ： 用有 限元分析软件 ＡＢ ＱＵＳ对一发动机连杆进行三 维有 限元分析 ， 定了连杆 的最大应力位置和疲 劳安全 系数 ， 利 Ａ 确 为发 动机
力 ， 瓦过 盈产生 的预 紧力 ， 轴 连杆螺栓 的预 紧力 ， 作用 在连杆
作者 简介 ：郭 涛（ ９ Ｏ ）， ， １８ 一 男 河南 洛阳人 ， 工程师 ， 从事发动机 的设计 与研发工作。
４ ５
Ｅ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｕａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙＮｏ７， ０１ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｎ ｆ ｃｒ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ． ２ ０ ｉ
式 中，
Ｐ 为气体燃烧压力 ；
Ｄ 为 活 塞直 径 ；
力时 ， 也可 以直接把预 紧力加入计算模型 ， 该方法更加方便 和
准确。 （） １ 轴瓦过盈 预紧力及衬套过盈预紧力。 连杆大头轴瓦通
过 一 定 的 过 盈量 压人 大 端 孔 内 ，衬 套 通 过一 定 的 过盈 量 压 人
各零件材料特性见表 ２所列 。
表 ２ 各零件材料特 性
进 行了连杆 的三维实体建模 ，导入 ｈｐ ｒ ｓ ｙｅ ｈ进行 网格 划分 ， ｍｅ
12V240ZJH型柴油机连杆有限元分析
组和连杆 小头的往复惯性力以及连杆本 身绕活塞销作 变速摆 动时的横 向惯性力 由于上述力的大小和方向都
以工作循环为周期发生变化 ， 以对连杆 的刚度和疲劳强度都要求较高。因此对连杆进行有限元分析 ， 所 了解连
Ｆｉ ｉ ｅ ｅ ｔＡｎ ｌｓｓｏ ｎ ｅ ｔｎ ｄ ｏ ｅ １ Ｖ２ ０ Ｈ ｅ ｅ ｇｎ ｎｔ Ｅｌｍ ｎ ａｙ ｉ ｎ Ｃｏ ｎ ｃｉ ｇＲｏ ｆｔ ２ ４ ＺＪ ＤｉｓｌＥｎ ｉｅ ｅ ｈ
Ｓ ＵＮ ｅ ＭＡ ｈ ｕ ｙ ａ Ｌ ｉபைடு நூலகம் Ｓ ｏ－ ｕ ｎ
ｄ ｉ１ ．９ ９ｊｓ ．６ ３ ３ ４ ． １ ． ． ８ ｏ ：０３ ６／．ｓ １ ７ — １２２ ２０ ０ ｉｎ ０ ８ １
１ Ｖ ４ Ｚ Ｈ型柴油机连杆有限元分析 ２０Ｊ ２
孙 蕾 ． 马守原
（ ． １０ ８辽宁省 大连市 大连交通大学 ； ． １０ ２ 辽宁省 大连市 大连机车车辆有限公司） １１６２ ２ １６ ２ ［ 摘要 ］ 连杆是柴油机 中重要的传动件 ， 它将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动， 并将 活塞承受的力传递给
［ ｓ ａｔ ｏ ｎｃｉｇｒｄ ｉ ａ ｏｔｎ ｔ ｎｍ ｓ ｏ ｏ ｐ ｎ ｎ ｏ ｉｓｌ ｎ ｉｅ Ｉ ｔ ｎｆ ｍ ｅｉｒｃｔ ｇｍ ｔ ｎｏ ｅ Ａｂｔ ｃ］Ｃ ｎ ｅｔ ｏ ｓ ｎ ｉ ｒ ｔ ｒ ｓ ｉ ｉｎｃｍ ｏ ｅｔ ｆｄｅｅ ｅ ｇ ． ｔｒ ｓ ｒ ｓｒｃ ｏａｎ ｏｉ ｆｔ ｒ ｎ ｍｐ ａ ａ ｓ ｎ ａ ｏ ｐ ｉ ｏ ｈ
（ ． ａｉ ｉｏ ｎ ｎｖｒｉ ， ａ ａ ｉ ， ｉ ｎｎ ｒｖｎｅ１６ ２ ， ｈｎ ） １ Ｄ ｌ ｎＪ ｔ ｇＵ ｉ ｓ ｙ Ｄ ｌ ｎＣｔ Ｌａ ｉｇ ｏｉｃ １ ０ ８ Ｃ ｉａ ａ ａｏ ｅ ｔ ｉ ｙ ｏ Ｐ
发动机连杆有限元分析
曲轴 ， 将 活 塞 的往 复运 动 转 变 为 曲轴 的 １ 并 ２有 限 元模 型 的 建 立 旋 转 运 动 。 发 动 机 工 作 时连 杆 作 复 杂 的 在 平面 运 动 。 杆 组 主 要 受 压缩 、 伸 和弯 曲 连 拉
参考文献
【】赵 经 文 ， 宏 钰 ． 构 有 限 元 分 析 【 ． ｌ 王 结 Ｍ】 北 京 ： 学 出 版社 ， ０ ． 科 ２ ０１
【】陈 家 瑞 ． 车 构 造 ［ ． 京 ： 械 工 业 ２ 汽 Ｍ】 北 机
出版 社 ， ０ ５ ２０ ．
【】孙 连 科 ， 斌 ， 冬新 ， 希 庚 ． ｌ ０ ３ 唐 薛 宋 ６ ｌ 柴 油 机连 杆 的 三维 有 限 元分 析 【１ 车用 发 Ｊ． 动 机 ， ０ ７２ ． ２ ０ （） 【ｌ胡 云萍 ， 华 永 ． Ｏ 油 机连 杆 三维 ４ 毛 ６６柴 ｌ 有 限 元分 析… ． 山东大 学 学报 ， ０ ６ ２ ． ２ ０ （）
ＳＣＩ ＥＮＣ ＆ ｒ ＣＨＮＯＬＯ Ｉ ＯＲＭＡＴＯＮ Ｅ Ｅ ０Ｙ ＮＦ ｔ
工 程 技 术
发 动机 连杆 有 限 元分析
李 淑 英 （ 沈阳职业 技术学院 电气工程 系 沈阳
１０ ４ ） １ ０ ５
摘 要： 本文 利 Ｃ Ｔ Ａ 件建立 了连杆 的三 雉模 型 ， 用Ｍ Ｄ Ｌ 式作为ｃ Ｔ Ａ Ａ ｓ ｓ Ａ Ｉ软 采 ＯＥ格 Ａ Ｉ 和 ＿ Ｙ 软件信 息传递 标准 ， 、 将模型 再导Ａ Ａ Ｓ Ｓ ．Ｎ Ｙ 软件 进 行有限元分析 ， 通过分析 得到 了 连杆 在最 大爆发压 力作 用下 的位移和应 力情况 。 关键 词： 有限元法 连杆 ＡＮ Ｙ ＳＳ 中 图分 类号 ： Ｋ １ Ｔ ４ ２ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章编 号 ： ６ ２ ３ ９ （ ０ ８ １ （） ０ ４ － Ｉ １ ７ － ７ １ ２ ０ ） ２ｃ一 ０ ２ ０
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1、 采用 42CrMoA 设计的连杆, 其最小疲劳安全系数大于 1.6，可以满足连杆设计 工况。
2、 在连杆工作载荷下，连杆杆身与连杆盖结合面处所有的法向应力基本上都大 于 0Mpa，因此连杆杆身与连杆盖不会分离。
3、 在连杆工作载荷下，连杆轴瓦与连杆大头的接触压力大部分面积都大于 10MPa，因此连杆大端孔处的变形在允许范围内。
Ho
图 4 连杆的最小压应力分布图（装配载荷+气体爆发压力＋n=3000rpm）
图 5 连杆和连杆盖的接触面的应力分布图（装配载荷＋n=3000rpm） -6-
Home
图 6 连杆和连杆盖的接触面的应力分布图（装配载荷+气体爆发压力＋n=3000rpm）
图 7 轴瓦与连杆大头的接触面的应力分布图（装配载荷＋n=3000rpm） -7-
0.3
连杆盖
42CrMoA
207000
0.3
轴瓦、衬套
钢
207000
0.3
螺栓、螺母
钢
207000
0.3
曲轴、活塞销
钢
207000
0.3
3.4 计算结果及分析
抗拉强 度σ b(Mpa) 890 890
疲劳强 度σ -1(Mpa) 350 350
3.4.1 连杆应力与疲劳安全系数 由于连杆是在交变载荷下工作，采用以下公式计算其疲劳安全系数：
梁端部的竖向挠度与载荷线性相关（当挠度较小时），直到它接触到障碍物为 止。这时梁端部的边界条件发生突然的变化，阻止竖向挠度继续增大，因此梁的 响应将不再是线性的。边界非线性是极度不连续的：在模拟分析中发生接触时，
-1-
结构的响应特性会在瞬间发生很大的变化。
Home
图 1 将碰到障碍物的悬臂梁
梁端部的竖向挠度与载荷线性相关（当挠度较小时），直到它接触到障碍物为 止。这时梁端部的边界条件发生突然的变化，阻止竖向挠度继续增大，因此梁的 响应将不再是线性的。边界非线性是极度不连续的：在模拟分析中发生接触时， 结构的响应特性会在瞬间发生很大的变化。
三、计算分析过程：
3.1 连杆的三维有限元模型
连杆的三维几何模型来自 PRO/E，采用 Hyper Mesh 软件建立有限元模型，该 有限元模型包括的零件有：连杆、连杆盖、预紧螺栓、预紧螺母、活塞销、曲轴 连杆轴颈、连杆大头轴瓦、连杆小头衬套。连杆、连杆盖采用四面体二次单元； 预紧螺栓、预紧螺母、活塞销、曲轴连杆轴颈、连杆大头轴瓦、连杆小头衬套采 用五面体和六面体的混合单元。由于连杆的三维几何模型具有很好的对称性，为 了减少计算所用时间，在这次计算分析过程只截取整个几何模型的 1/4 划分网格， 模型总共有 27830 个节点，18315 个单元。图 2 为连杆(1/4)有限元模型。
关键词：动力学 接触 边界非线性 有限元计算分析
一、前言：
连杆是发动机中传递动力的重要零件，它把活塞的直线运动转变为曲轴的旋 转运动，并将作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作过程中要承受 装配载荷（包括轴瓦过盈及螺栓预紧力）和交变工作载荷（包括气体爆发压力及 惯性力）的作用，工作条件比较苛刻。现代汽车正向着环保节能方向发展，这就 要求发动机连杆在满足强度和刚度的基础上，应具有尺寸小、重量轻的特点。
连杆小头惯性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，
Pj=16.8KN，与发动机工作转速（3000rpm）相对应。
连杆大头惯性力，
Pj=30.9KN，与发动机工作转速（3000rpm）相对应
3.3 材料性能
表 1 列出了计算中采用的材料性能数据。
零件
材料
表 1 材料性能数据
弹性模量 泊松比
E(N/mm2)
μ
连杆
42CrMoA
207000
-4-
Home
图 2 连杆(1/4)有限元模型 312.8MPa 418.8Mpa 60.8MPa 49.8MPa 25.0MPa 281.0Mpa
图 3 连杆的最大拉应力分布图（装配载荷＋n=3000rpm） -5-
212.8MPa
233.3MPa -191.6MPa -173.8MPa -194.3MPa 67.7MPa
-2-
3.2 边界条件
3.2.1 装配载荷
Home
连杆大头轴瓦与连杆大头的半径过盈量为：0.05008mm；
连杆小头衬套与连杆小头的半径过盈量为：0.02375mm；
螺栓预紧力为 5.8KN。
3.2.2 工作载荷
气缸爆发压力：Pg=p×πD2=131.4KN 式中：p 为气缸内压强；D 为缸径
惯性力：
考虑到柴油机连杆的边界条件比较复杂，想要得到比较好的模拟结果，边界 条件必须考虑接触和非线性，普通通用软件没有这方面的功能，而 ABAQUS 软件刚 好能广泛的求解非线性（包括接触）的问题，我们用它解决了这一实际工程问题。
二、基本原理介绍：
2.1 边界非线性
若边界条件随分析过程发生变化，就会产生边界非线性问题。考虑图 1 所示 的悬臂梁，它随施加的载荷发生挠曲，直到碰到障碍。
连杆杆身与螺母附近的过渡区
2.3
连杆小端的油孔
2.6
3.4.2 连杆杆身大头与连杆盖结合面处的接触压力 图 5 为第一种工况连杆杆身与连杆盖结合面处在装配载荷+拉伸载荷下的法 向应力分布，图中的深蓝色区域表示失去接触； 图 6 为第二种工况连杆杆身与连杆盖结合面处在装配载荷+压缩载荷下的法 向应力分布，图中的深蓝色区域表示失去接触。 从图上可以看出，连杆杆身与连杆盖结合面处在所有工作载荷下的法向应力 基本上都大于 0Mpa，不会分离。 3.4.3 连杆与连杆大头轴瓦间的接触压力 图 7 为连杆轴瓦与连杆大头在装配载荷+拉伸载荷下的压应力分布，从图上以 看出，连杆轴瓦与连杆大头的接触压力大部分面积都大于 10Mpa。所以，在连杆 工作载荷下，连杆轴瓦与连杆大头不会分离。
Home 柴油机连杆有限元分析
岳贵平 李康 一汽技术中心
摘要： 本文前处理利用 Hyper Mesh 软件，计算分析及后处理利用 Abaqus 软 件。按柴油机连杆受拉和受压的两种工况，对其进行动力学的有限元计算分析（主 要应用了接触和边界非线性的原理），得到了连杆（其中还包括连杆盖、预紧螺栓、 预紧螺母、活塞销、连杆大头轴瓦和连杆小头衬套）的应力图和它们的安全系数。 为连杆的设计和制造提供了充分的数据资料，具有很高的工程实用价值。
2.2 接触
许多工程问题含有两个或多个部件的接触的情况。在这类问题中，当两个物 体接触时，存在沿接触面法向，且作用在接触物上的力。如果接触面存在摩擦力， 可能会产生抵抗物体间切向运动（滑动）的剪力。
在有限元中，接触条件是一类特殊的不连续的约束，它允许力从模型的一部 分传输到另一部分。因为仅当两个面接触时才应用接触条件，所以这种约束是不 连续的。当两个表面分开时，没有约束作用在上面。
n=
σ−1 ×σb
σ−1 ×σm +σb ×σa
-3-
σa
=
σ max
− σ min 2
σm
=
σ max
+ σ min 2
Home
连杆应力见图 3、4。最小疲劳安全系数见表 2。
表 2 最小疲劳安全系数
连杆杆身与连杆大端的过渡区
3.5
连杆杆身与连杆小端的过渡区
4.0
连杆杆身与螺栓头附近的过渡区
1.6