摘要：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。构件图如下图1.1所示。通过有限元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。
关键词：汽车连杆；有限元分析；优化设计；
1、连杆有限元分析的理论基础
图1.1 汽车发动机连杆
1.1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。
1.2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,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。代入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。
2、基本分析过程
2.1模型绘制并导入：
利用solid works进行构件的仿真设计，画出连杆的模型。并将得到的模型导入至ANSYS软件中，如图3.1所示：
图3.1 导入至ANSYS软件的连杆模型
2.2主要材料属性定义：
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/m3；
具体步骤如下：
选择Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令。
在弹出的Element Type窗口中单击Add，弹出Library of Element Types窗口，选择单元类型SOLID285，单击OK。然后关闭Element Type窗口。如图3.2所示。
再选择Main Menu>Preprocessor>Material Props> Material Models命令，弹出Define Material Model Behavior窗口，选择Structural> Linear> Elastic> Orthotropic，弹出Linear Orthotropic Properties for 窗口，泊松比0.3，如图3.3所示，单击OK。
回到Define Material Model Behavior窗口，然后选择Structural>Density，弹出Density for Material Number 1窗口，输入材料密度7800，并单击OK，关闭Define Material Model Behavior窗口，如图3.4所示。完成单元及材料属性的定义。
图3.2 Element Type窗口
图3.3 泊松比设置
图3.4 材料密度
2.3网格划分
ANSYS自身的网格划分功能可以满足其有限元计算精度的需求，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，网格划分完成。具体操作图以及得到的结果如图3.5所示。
图3.5 网格划分图
2.4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。
具体操作步骤：选择Main Menu> Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply> Structural> Force/Moment> On Nodes命令，弹出Apply F/M on Nodes窗口。大头拾取内侧Y=0的所有面施加对称约束，单击OK，如图3.6所示。弹出Apply F/M on Nodes窗口。在该小头拾取小头孔的内侧90°范围，加载方式为常量，大小为1000，单击OK完成，如图3.7所示。进行求解，得到“solution is done”的提示，完成求解，如图3.8所示。
XXX5555
图3.6 对大孔内表面施加对称约束
图3.7 对小头内侧进行加载
图3.8 完成求解
2.5计算及结果分析
经过软件计算，得出结果，通过图3.9和图3.10观察分别为汽车连杆的位移云图和应力云图：
图3.9 连杆位移云图
图3.10 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2945.9Pa。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。
2.6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。
2.6.1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。
具体操作如下：
指定分析类型：在ANSYS Main Menu中选择Solution>Analysis Type>New Analysis,弹出New Analysis对话框，勾选Modal复选框，单击OK按钮，如图3.11所示：
图3.11 选模态分析类型
指定分析选项：选择Solution>Analysis Type>Analysis Options，弹出Modal Analysis对话框，在Mode extraction method栏，选中Block Lanczos单选按钮，No.of modes to extract文本框中输入“3”，No.of modes to expand文本框中输入“3”，单击OK按钮，弹出Black Lanczos Method对话框，单击OK按钮，如图3.12所示：
图3.12 选定3阶振型
施加约束：选择Solution>Defined Loads>Apply>Structural>Displacement
> On Areas，弹出Apply U，ROT on A......拾取窗口，在图形编辑窗口选择左侧表面，单击OK按钮。在弹出的Apply U ROT On Areas对话框中，选择UZ选项，单击Apply按钮。重复上述过程，分别对两端表面进行约束，单击OK按钮。
计算求解：Solution>Solve>Current LS,弹出/STARTA Command状态窗口和Solve Current Load Step对话框，单击对话框的OK按钮，计算结束后单击状态窗口中的“关闭”按钮，选择General Postproc>Results Summary,弹出SET，LIST Command窗口，列表中显示了模型的3阶频率，等待求解结果，如图3.13、3.14所示：
图3.13 SET，Command窗口
图3.14 模态分析求解完成
3、计算及结果分析
本文分析连杆的前3阶模态，模态分析结果如表1所示，振型云图如图3.15所示：
表1 模态分析结果
观察振型结果：首先读入第1载荷子步结果，在ANSYS Main Menu中选择General Postproc>Read Results>First Set,然后选择General Postproc>Polt Result>Deformed Shape，弹出Polt Deformed Shape对话框，选中Def+Undef edge单选按钮，单击OK 按钮，在ANSYS Main Menu中选择General Postproc>Read Results>Next Set，然后选择General Postproc>Polt Result>Deformed Shape，弹出Polt Deformed Shape对话框，选中Def+Undef edge单选按钮，单击OK 按钮。重复上述过程，读出第二、三阶振型，结果如3.15所示：
图3.15 前3阶振型云图
由振型云图可以看出，前3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两端，第2、3阶模态分析的振动位移最大，第1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，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2.9459MPa，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]林国庆,王茂延,林猛.汽车发动机连杆在拉压工况下的可靠分析[J].辽宁石油化工大学学报,2011,32（1）：65-68
[4]杨志波,罗鹏飞,刘凯飞.基于有限元的发动机连杆优化设计[J].河南理工大学学报(自然科学版)2013,32（1）：65-68
论文作者:李昊,陈清奎,陈卫清,王瑗,魏鑫鑫
论文发表刊物:《基层建设》2018年第31期
论文发表时间:2018/12/17
标签：连杆论文; 小头论文; 所示论文; 弹出论文; 单击论文; 如图论文; 位移论文; 《基层建设》2018年第31期论文;