基于ANSYSworkbench的汽车发动机连杆力学性能分析

第36卷 第2期 2014-02(下) 【107】收稿日期：2013-11-22作者简介：胡小青（1980 -），女，四川德阳人，讲师，硕士，研究方向为机械设计制造及其自动化。

基于ANSYS workbench 的汽车发动机连杆力学性能分析Mechanical properties analysis of motocar engine connecting rodbased on ANSYS Workbench胡小青HU Xiao-qing（四川工程职业技术学院，德阳 618000)摘 要：以汽车发动机用连杆为研究对象，建立了发动机连杆力学性能分析简化模型。

采用Ansysworkbench软件static structure模块，利用有限元分析法对发动机连杆模型进行模拟分析，得出了发动机连杆模型总变形、等效应力以及等效弹性应变分布。

结果显示，发动机连杆模型最大变形位于发动机小头顶部，最大等效应力位于发动机连杆与大头交接顶角处，为4.09×109Pa ，最大等效弹性应变与等效应力所处位置相同为0.02。

关键词：发动机连杆；Ansys workbench；有限元法；模拟分析；力学性能中图分类号：TG213 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2014)02(下)-0107-02Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2014.02(下).300 引言汽车发动机连杆是内燃机中的一个重要的结构零件，其作用是连接活塞和曲轴，将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，对外输出做功[1]。

连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起做往复运动，连杆大头与曲柄销相连和曲轴一起做旋转运动[2,3]。

因此，连杆体除了上下运动外，还左右摆动，做复杂的平面运动[4]。

所以，连杆的受力情况也十分复杂，工作中经常受到拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的作用[5]。

这种复杂的载荷容易引起连杆的疲劳破坏，甚至直接关系到操作人员的安全，从而造成严重的后果[6]。

因而，对于汽车发动机连杆运动过程中的力学分析非常重要。

通常，大多数工程实际问题很难单独的通过经典的弹性力学通过求解微分方程而得到其解析解[7,8]。

而有限元方法则避免了求解微分方程，因此，通过计算机采用有限元分析方法分析汽车发动机连杆在使用过程中的力学性能，可以为汽车发动机行业的发展提供一个有力的参考[9～11]。

基于此，本文对汽车发动机连杆建立了相应的模型，采用有限元法，利用Ansys Workbench 软件分析了发动机连杆的力学性能，包括连杆的变形、等效应力与等效弹性应变。

为发动机连杆的应用提供一定的参考。

1 实验建立合适的有限元模型和进行合适的网格划分对发动机连杆分析至关重要。

实验中采用Pro/E 软件建立发动机连杆的简化模型，在建立模型时，对连杆总体应力影响不大地过渡圆角、润滑小油孔等均被忽略。

采用Ansys Workbench 软件进行网格划分和模拟分析。

实验所建立的实体模型和网格模型如图1所示，图1(a)为实体模型，图1(b)为网格模型。

划分网格时，发动机小头和大头内表面均采用加密网格。

网格划分后，连杆节点数为292598个，单元数为191590个。

在发动机工作过程中，连杆只承受轴向力作用，该力的最大值是由发动机活塞面爆燃气体压力和活塞与连杆小头的惯性力引起的。

通过分析汽车发动机的做功情况以及燃气压力和连杆惯性力的影响，得到连杆在发动机燃气压力下的压力约为4.5MPa ，对应的最大轴向力约为11500N 。

将其均布在连杆小头下半圆面上。

对模型进行材料实验初始值特性定义过程中，采用连杆采用40Cr 钢，其主要性能参数如下：弹性模量E=2×1011Pa ，泊松比μ=0.28，ρ=7.9×103kg/m 3。

实验中采用Ansys workbench 中Static Structural 模块对发动机连杆进行模拟分析。

【108】 第36卷 第2期 2014-02(下)(a) 实体模型 (b) 网络模型图1 发动机连杆实体和网格模型2 结果分析与讨论2.1 连杆总变形分析图2(a)是发动机连杆模型整体变形结果分布，从图中可以发现，发动机连杆最大变形处位于连杆小头处，变形呈梯度分布，并呈逐渐减小趋势，最小变形处位于连杆大头处。

同时还可发现，发动机连杆在工作过程中，在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，如图2(a)所示。

发动机连杆中部由于压力的作用也产生了横向的变形，如图2(b)所示。

(a) (b)图2 发动机连杆模型整体变形分布2.2 发动机连杆等效应力分析图3是发动机连杆整体Miss 等效应力模拟结果，从图中可以发现，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，最大应力如图4所示，位于发动机靠近大头方向的加强槽顶角处，应力为4.09×109Pa ，最小应力位于发动机连杆大头和小头顶部，应力为23.09Pa 。

结合图3和图4可发现，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肋避表面处，且不是很明显。

同时，在肋避处存在的部分应力集中现象可以起到应力-力增强的作用。

当发动机连杆在工作过程中，这样的布置，可有效减小应力在连杆大头和小头上的集中，从而可增加连杆使用的可靠性和稳定性能。

图3 发动机连杆等效应力分布 图4 发动机连杆最大应力分布2.3 发动机连杆等效弹性应变分析图5是发动机连杆模型的整体等效弹性应变分布，图6是发动机连杆最大等效弹性应变分布，从图中可以发现，模型的最大等效弹性应变位于靠近大头肋壁与大头结合的顶角处，为0.02。

从图5中可以发现最小等效弹性应变位于发动机连杆大头和小头的顶角处为1.15×10-10。

从最大等效弹性应变所处的位置可以发现，发动机连杆在工作过程中，最容易产生弹性应变的地方处于发动机连杆靠近大头处的连杆肋顶角处。

结合图5和图6分析可知，发动机连杆等效弹性应变分布均匀。

发动机机连杆等效弹性应变的分布位置与等效应力集中部位具有位置同步性，这说明在发动机连杆上Miss 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，但是，由于发动机连杆采用了工字型加强结构，使得连杆在工作过程中可以承受较大的惯性扭矩和压力，从而保证了发动机连杆经历上万次的使用而不受到破坏。

图5 发动机连杆等效 图6 发动机连杆最大 弹性应变分布 等效弹性应变分布3 结论1）采用有限元分析方法，利用A n s y s Workbench 软件中Static Structural 模块对发动机连杆建立简化实体模型和网格模型，并对其进行工作状态下力学性能进行模拟分析，得出了连杆总变形、等效应力以及等效弹性应变分布。

2）模拟结果显示，发动机连杆模型最大变形位于连杆小头顶部，最大Miss 等效应力为4.09×109Pa ，最小应力为23.09Pa ，最大等效弹性第36卷 第2期 2014-02(下) 【109】应变为0.02，最小等效弹性应变为1.15×10-10。

3）应力部分集中于发动机连杆肋避顶角处，在发动机工作过程中可以起到应力-力增强的作用，使得整体等效弹性应变均匀分布，从而提高发动机连杆在工作时的可靠性和稳定性能。

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图3 高次多项式凸轮轮廓曲线进行凸轮三维实体生成时，选择Extrude 命令，选中生成的凸轮轮廓曲线，设定凸轮厚度后点击确认后得到凸轮三维实体模型，然后进行凸轮安装轴孔的拉伸切除操作就完成了凸轮的三维设计，凸轮三维实体模型如图4所示。

图4 凸轮三维实体模型5 结束语通过对凸轮从动件的高次多项式及其约束方程进行Matlab 编程求解，获取了从动件的运动规律曲线，实现了高次多项式凸轮轮廓曲线的求解。

同时，获取了高次多项式凸轮轮廓曲线点的数据文件。

然后通过UG 软件的曲线功能及实体操作功能实现了高精度高次多项式凸轮的三维实体建模。