基于ANSYS的汽車發(fā)動機連桿性能分析

摘 要：本文用ANSYS軟件對汽車發(fā)動機連桿進行了靜力學分析和模態(tài)分析，建立了發(fā)動機連桿性能分析模型。通過靜力學分析，建立了發(fā)動機連桿的力學性能模型，得出了連桿總變形、定向變形、等效應力以及等效彈性應變分布情況。通過模態(tài)分析，得出了發(fā)動機連桿模型的模態(tài)分布情況以及每一模態(tài)下的模態(tài)振型。最后，綜合得出了連桿的易變形位置，并提出了相應的防治措施，為高性能連桿的設計提供改良依據(jù)。

關鍵詞：發(fā)動機連桿；ANSYS；有限元；靜力學分析；模態(tài)分析

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

0 引言

汽車發(fā)動機連桿是發(fā)動機的重要零部件之一，它的性能影響著發(fā)動機整體結構的運動可靠性和工作穩(wěn)定性。發(fā)動機連桿的作用是把活塞與曲軸連接起來，把作用在活塞上的力傳遞給曲軸，使活塞的往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動[2]，從而對外輸出做功。發(fā)動機連桿由大頭、小頭和桿身三部分構成。與活塞銷連接的部分稱連桿小頭，連桿小頭與活塞一起做往復運動；與曲軸連接的部分稱連桿大頭，連桿大頭與曲軸一起做旋轉運動；連接小頭與大頭的桿部稱連桿桿身。

發(fā)動機連桿的運動有上下運動以及左右擺動，從而形成復雜多變的平面運動。因此，發(fā)動機連桿的受力情況也是復雜多變的，在工作過程中經(jīng)常受到拉伸、壓縮、彎曲和扭轉等多種交變載荷的復雜應力的作用，工作環(huán)境惡劣。如此復雜的應力作用容易造成發(fā)動機連桿的疲勞、磨損、彎曲甚至斷裂，進而影響發(fā)動機正常工作[3]。因此，對發(fā)動機連桿進行性能分析就顯得尤為重要。

多數(shù)發(fā)動機連桿性能問題很難通過經(jīng)典的彈性力學分析，進而求解微分方程而得到其解析解。但基于ANSYS的有限元分析方法則可以避免求解微分方程。基于此，本文用ANSYS軟件對汽車發(fā)動機連桿進行了靜力學分析和模態(tài)分析，建立了發(fā)動機連桿性能分析模型，為發(fā)動機連桿的改良設計提供一定思路。

1 工況選擇

以四沖程發(fā)動機為例，在汽車發(fā)動機正常工作時，發(fā)動機連桿的受力是呈周期性變化的。其工作環(huán)境的變化也主要受活塞、曲軸在吸氣、壓縮、做功、排氣四個沖程中的變化的影響。

在靜力學分析中，忽略連桿與配合件的摩擦力，只考慮連桿體的受力，可以把連桿看作是二力桿，僅受拉力和壓力。基于此，本文模型計算采用準動態(tài)模擬分析方法，把連桿的受力情況固定在工況最為惡劣的最大燃氣爆發(fā)壓力引起的最大壓縮工況，將動力學的問題轉化成靜力學問題來進行分析求解。

在模態(tài)分析中，發(fā)動機連桿的慣性力變化與發(fā)動機的轉速有關，其頻率通常是發(fā)動機基頻的諧次。在某種程度上，燃氣爆發(fā)壓力可以看作頻率范圍很寬的脈沖激勵。

2 實體模型建立

本文利用SOLIDWORKS 2016對發(fā)動機連桿進行了三維實體建模，建立了發(fā)動機連桿的較為精確的模型。在建模時，為了簡化問題的處理與分析，對于不影響分析結果的連桿細節(jié)部位的進行簡化處理，部分過渡圓角、潤滑小油孔等均被忽略。

3 有限元分析

3.1 模型材料定義

本文發(fā)動機連桿有限元分析材料選取的是40Cr，其主要參數(shù)表1所示。

3.2 模型網(wǎng)格劃分

發(fā)動機連桿的形狀和結構相對簡單，但存在相當多的細節(jié)特征，利用劃分網(wǎng)格工具不方便。因此，為了生成比較合理的有限單元，本文選用了智能網(wǎng)格控制進行自由網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格劃分完成之后，進行網(wǎng)格加密處理，最后得到了本文的網(wǎng)格劃分模型。本文的網(wǎng)格劃分模型如圖3所示，其中節(jié)點數(shù)為33946，單元數(shù)為19947。

3.3 靜力學分析

3.3.1 連桿受力分析

本文模型計算采用準動態(tài)模擬分析的方法，把連桿的受力情況選定在工況最為惡劣的最大壓縮工況，即由最大燃氣爆發(fā)壓力引起的工況。將動力學的問題轉化成靜力學問題來進行分析求解。

氣體壓力計算公式如下：

（1）

式中：—最大燃氣爆發(fā)壓力；—氣缸直徑。

通過分析計算，可得到發(fā)動機連桿在最大燃氣爆發(fā)壓力下受到的壓力約為4.5MPa，對應的最大軸向力約為11500N。

3.3.2 位移邊界條件

本文靜力學分析采用準動態(tài)模擬分析的方法。為限制發(fā)動機連桿的位移和轉動，本文對連桿大頭兩端的螺栓孔進行全約束，計算所得的變形量均為相對于螺栓孔全約束的變形。邊界條件如圖4所示。

3.3.3 載荷分布

發(fā)動機連桿的最大壓縮作用力作用在連桿小頭孔的內(nèi)表面和大頭孔的內(nèi)表面。作用在連桿小頭孔內(nèi)表面的作用力沿Y軸負方向，大小為11500N。作用在連桿大頭孔內(nèi)表面的作用力沿Y軸正方向，大小為11500N。載荷施加情況如圖4所示。

3.3.4 總變形分析

發(fā)動機連桿的整體總變形結果如圖5所示，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機連桿最大變形處位于連桿小頭處，為。發(fā)動機連桿整體總變形呈梯度分布，并呈由小頭到大頭逐漸減小趨勢，最小變形處位于連桿大頭處，為0。同時，從圖中還可發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動機連桿工作過程中，當燃氣壓力推動活塞面加壓到小頭內(nèi)表面時，小頭處于最大變形。發(fā)動機連桿中部由于壓力的作用也產(chǎn)生了橫向的變形。

3.3.5 定向變形分析

發(fā)動機連桿的定向變形（X方向）結果如圖6所示，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機連桿最大定向變形處位于靠近連桿小頭的桿身邊緣，為，且沿軸向最大定向變形處均位于桿身邊緣處。除桿身邊緣外其余連桿各處定向變形分布均勻。

3.3.6 等效應力分析

發(fā)動機連桿的整體等效應力模擬結果如圖7所示，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機連桿模型等效應力沿小頭至大頭方向呈非線性變化，最大應力位于發(fā)動機連桿靠近小頭的鍵槽槽頂處，應力為Pa；最小應力位于發(fā)動機連桿大頭和小頭頂部，應力為26923 Pa。

從圖中可以看出，發(fā)動機連桿整體應力分布均勻，發(fā)動機連桿中應力集中部位均在連桿鍵槽內(nèi)?？傮w來說，應力并不明顯。

3.3.7 等效彈性應變分析

發(fā)動機連桿的整體等效彈性應變模擬結果如圖8所示，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機連桿模型等效彈性應變沿小頭至大頭方向呈非線性變化，最大彈性應變位于發(fā)動機連桿靠近小頭的鍵槽槽頂處，為；最小彈性應變位于發(fā)動機連桿大頭和小頭頂部，為。

從最大等效彈性應變分析可以看出，在發(fā)動機連桿工作過程中，最容易產(chǎn)生彈性應變的地方是發(fā)動機連桿靠近小頭的鍵槽槽頂處。綜合分析圖6和圖7可知，發(fā)動機連桿等效彈性應變分布均勻，且并非十分明顯。發(fā)動機機連桿等效彈性應變的分布位置與等效應力集中位置具有位置同步性，這說明在發(fā)動機連桿上等效應力的集中會導致與之對應的連桿處產(chǎn)生較大彈性應變。

3.4 模態(tài)分析

本文對發(fā)動機連桿進行了自由狀態(tài)下的振型模態(tài)分析，不考慮其他載荷影響，只考慮自重的影響。本文對連桿自由狀態(tài)下的前10階模態(tài)進行了提取與分析，其固有頻率如表2和圖9所示，前10階振型如圖10所示。

共振產(chǎn)生在發(fā)動機的激勵力頻率與連桿機構的某階固有頻率接近或相等時。共振會導致機構產(chǎn)生較大的彎曲和扭轉變形。從前10階振型來看，彎曲振動和扭轉振動同時發(fā)生時，連桿的應力最為集中，變形量最大。

4 結論

4.1 分析結果

本文采用有限元分析方法，利用ANSYS軟件對發(fā)動機連桿的三維實體模型進行了靜力學分析和模態(tài)分析，得出了連桿總變形、定向變形（X方向）、等效應力、等效彈性應變分布和連桿自由狀態(tài)下的前10階模態(tài)的固有頻率和振型。

結合靜力學分析和模態(tài)分析，可以得到下列結論：

（1）發(fā)動機連桿最大變形處位于連桿小頭處，為；發(fā)動機連桿整體總變形呈梯度分布，并呈由小頭到大頭逐漸減小趨勢，最小變形處位于連桿大頭處，為0。

（2）發(fā)動機連桿最大定向變形處位于靠近連桿小頭的桿身邊緣，為，且沿軸向最大定向變形處均位于桿身邊緣處。

（3）發(fā)動機連桿模型等效應力沿小頭至大頭方向呈非線性變化，最大應力位于發(fā)動機連桿靠近小頭的鍵槽槽頂處，應力為Pa；整體應力分布均勻，發(fā)動機連桿中應力集中部位均在連桿鍵槽內(nèi)。

（4）發(fā)動機連桿模型等效彈性應變沿小頭至大頭方向呈非線性變化，最大彈性應變位于發(fā)動機連桿靠近小頭的鍵槽槽頂處，為。

（5）發(fā)動機機連桿等效彈性應變的分布位置與等效應力集中位置具有位置同步性，這說明在發(fā)動機連桿上等效應力的集中會導致與之對應的連桿處產(chǎn)生較大彈性應變。

（6）從前10階振型來看，彎曲振動和扭轉振動同時發(fā)生時，連桿的變形最大，應力最為集中。

（7）結合靜力學分析和模態(tài)分析可以看出，連桿的應力集中一般在鍵槽內(nèi)靠近小頭的部位，桿身的中部應力集中現(xiàn)象也較明顯。而定向變形處均位于桿身邊緣處。不同階數(shù)下連桿的振型主要為彎曲、扭轉或彎扭組合。

4.2 優(yōu)化方案

（1）可采用加固加厚等方式加強發(fā)動機連桿鍵槽槽頂位置、桿身邊緣位置的強度和剛度。可在這些位置采取滲氮或滾壓處理以應對發(fā)動機連桿運動過程中的復雜工況，使整體應力及應變均勻分布，提高發(fā)動機連桿在工作時的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）提高40Cr鋼的調(diào)質(zhì)熱處理質(zhì)量，并在材料加工時采取表面噴丸等技術處理；采用高強度冶金粉末鍛造連桿，加強發(fā)動機連桿的力學性能。

（3）在設計時需要考慮減少連桿在工作過程中受到組合變形情況。同時，可調(diào)整發(fā)動機的轉速及行程，使連桿激振的頻率遠離低階模態(tài)的固有頻率，避免彎曲振動和扭轉振動同時發(fā)生的情況，防止連桿發(fā)生共振破壞。

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作者簡介：王鵬飛（1997-），男，山東淄博人，本科在讀，研究方向：車輛工程。