基于ANSYS的柴油机连杆有限元模态分析

魏玉娜，陈仲海，王连宏

（1.中北大学 机械工程与自动化学院，山西 太原 030051；2.北方通用动力集团公司，山西 大同 037036）

0 引言

连杆是连接发动机活塞与曲轴的一个重要零件，在实际工况下，它是在压缩、拉伸和横向弯曲等交变应力下工作的，工作条件相当恶劣。因此，为了减小振动，对连杆动态特性的研究已经成为连杆设计中的重要环节［1］。

本文利用ANSYS软件直接建立连杆的三维模型并进行模态分析，计算分析连杆的动态特性，根据分析结果，从应力云图获取连杆在危险工况下应力的分布情况，为连杆的结构分析和改进设计提供参考依据。

1 建立连杆有限元模型

在建立连杆的三维实体模型之前，可以对连杆模型进行一定的简化，忽略小圆角、倒角和细油孔等特性，并且把连杆盖与连杆体简化成一个整体。这样处理后可以缩短计算时间，提高计算效率，并且与实际情况相差不大。

1.1 建立连杆实体模型

根据连杆的实际尺寸及上述简化方法在ANSYS中建立的连杆模型如图1所示。

图1 连杆几何模型

1.2 定义单元类型及材料特性

由于ANSYS软件中的四面体单元可以用于自由网格划分，因此选Solid92三维四面体单元能较好模拟物体形状。图2是Solid92单元的几何示意图［2］。

图2 Solid92单元的几何示意图

此处定义连杆的材料为各向同性的线弹性材料40Cr，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，密度为7 800kg／m3。材料的弹性模量和泊松比都不随温度的变化而变化。

1.3 网格的划分

建立有限元模型时，有限元网格的划分相当重要，网格质量直接关系到有限元模型计算的精度和速度。由于该连杆模型形状不规则，所选单元形状也不规则，因此对其进行自由网格划分［3］。

本文使用自由网格划分中的SmartSize工具，并选取分网水平值为6，对所建立的连杆实体模型进行网格划分，得到30 565个单元和56 928个节点。按照上述网格划分方法得到的连杆有限元模型见图3。

2 施加载荷和边界条件

本文对柴油机连杆进行自由状态下的振型模态分析，没有其他载荷影响，只考虑自重影响，并根据实际情况施加连杆位移约束。在实际工况中，连杆的小端随着活塞的平动在缸体内做平动和一定幅度的摆动，连杆的大头绕着曲柄做回转运动，因此连杆在实际工况下所受主要载荷的位置为连杆大头与曲柄销接触的内表面和连杆小端与活塞销接触的内表面，所以本文对连杆小端的轴向和切向（也就是ANSYS坐标系中的Z 向和X 方向）施加了平动约束，使连杆小头只能沿着缸体内平动和绕活塞销转动，并且对连杆大头的轴向施加平动约束使连杆不能在轴向平动。

图3 连杆的有限元模型

按照上述加载条件，得出施加载荷和约束条件后的连杆有限元模型，如图4所示。

图4 施加载荷和约束条件后的连杆有限元模型

3 连杆模型模态分析

根据建立的有限元模型和加载约束条件，对连杆进行动态特性分析，采用Lanczos法对该连杆进行了自由模态分析，得到其固有频率值和振型。表1为连杆前8阶模态的固有频率。

表1 连杆固有频率计算结果

当连杆机构的某阶固有频率与柴油机的激励力频率接近或相等时就会产生共振，导致机构产生较大的弯曲和扭转变形。由于柴油机在实际工况中的工作频率一般在3 000Hz以下，根据柴油机的实际工况和表1中连杆各阶固有频率，发现第3、4阶模态的频率值与工作频率较为接近。通过ANSYS软件的后处理器观察连杆的各阶模态振型，图5和图6分别为第3、4阶模态的振型云图。

图5 连杆的第3阶模态振型

图6 连杆的第4阶模态振型

4 仿真结果分析

观察图5中连杆第3阶模态振型发现连杆发生很大的变形，而图6连杆第4阶模态振型中则没有发生过大的变形。这是由于连杆第3 阶固有频率为1 976.5Hz，当柴油机激振力频率在2 000 Hz附近的时候有可能会与第3阶模态频率相等或接近，就会引发共振，导致连杆的动应力过大，以至于出现疲劳和裂纹等损坏现象。从图5也可以看出连杆的薄弱环节在连杆大头和连杆柄的过渡处，因此在发动机设计过程中可以通过优化结构或改进材料对其加以改进。

［1］ 镇江农业机械学院.内燃机构造［M］.北京：中国农业机械出版社，1981.

［2］ 李显明.有限元法在柴油机连杆分析中的应用［M］.上海：上海铁道科技出版社，2005.

［3］ 李鹏，张保成，李星，等.基于Hyperworks的发动机连杆有限元模态分析［J］.唐山学院学报，2011，24（3）：31－33.