基于ANSYS的柴油機連桿有限元模態分析

魏玉娜，陳仲海，王連宏

（1.中北大學 機械工程與自動化學院，山西 太原 030051；2.北方通用動力集團公司，山西 大同 037036）

0 引言

連桿是連接發動機活塞與曲軸的一個重要零件，在實際工況下，它是在壓縮、拉伸和橫向彎曲等交變應力下工作的，工作條件相當惡劣。因此，為了減小振動，對連桿動態特性的研究已經成為連桿設計中的重要環節［1］。

本文利用ANSYS軟件直接建立連桿的三維模型并進行模態分析，計算分析連桿的動態特性，根據分析結果，從應力云圖獲取連桿在危險工況下應力的分布情況，為連桿的結構分析和改進設計提供參考依據。

1 建立連桿有限元模型

在建立連桿的三維實體模型之前，可以對連桿模型進行一定的簡化，忽略小圓角、倒角和細油孔等特性，并且把連桿蓋與連桿體簡化成一個整體。這樣處理后可以縮短計算時間，提高計算效率，并且與實際情況相差不大。

1.1 建立連桿實體模型

根據連桿的實際尺寸及上述簡化方法在ANSYS中建立的連桿模型如圖1所示。

圖1 連桿幾何模型

1.2 定義單元類型及材料特性

由于ANSYS軟件中的四面體單元可以用于自由網格劃分，因此選Solid92三維四面體單元能較好模擬物體形狀。圖2是Solid92單元的幾何示意圖［2］。

圖2 Solid92單元的幾何示意圖

此處定義連桿的材料為各向同性的線彈性材料40Cr，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 800kg／m3。材料的彈性模量和泊松比都不隨溫度的變化而變化。

1.3 網格的劃分

建立有限元模型時，有限元網格的劃分相當重要，網格質量直接關系到有限元模型計算的精度和速度。由于該連桿模型形狀不規則，所選單元形狀也不規則，因此對其進行自由網格劃分［3］。

本文使用自由網格劃分中的SmartSize工具，并選取分網水平值為6，對所建立的連桿實體模型進行網格劃分，得到30 565個單元和56 928個節點。按照上述網格劃分方法得到的連桿有限元模型見圖3。

2 施加載荷和邊界條件

本文對柴油機連桿進行自由狀態下的振型模態分析，沒有其他載荷影響，只考慮自重影響，并根據實際情況施加連桿位移約束。在實際工況中，連桿的小端隨著活塞的平動在缸體內做平動和一定幅度的擺動，連桿的大頭繞著曲柄做回轉運動，因此連桿在實際工況下所受主要載荷的位置為連桿大頭與曲柄銷接觸的內表面和連桿小端與活塞銷接觸的內表面，所以本文對連桿小端的軸向和切向（也就是ANSYS坐標系中的Z 向和X 方向）施加了平動約束，使連桿小頭只能沿著缸體內平動和繞活塞銷轉動，并且對連桿大頭的軸向施加平動約束使連桿不能在軸向平動。

圖3 連桿的有限元模型

按照上述加載條件，得出施加載荷和約束條件后的連桿有限元模型，如圖4所示。

圖4 施加載荷和約束條件后的連桿有限元模型

3 連桿模型模態分析

根據建立的有限元模型和加載約束條件，對連桿進行動態特性分析，采用Lanczos法對該連桿進行了自由模態分析，得到其固有頻率值和振型。表1為連桿前8階模態的固有頻率。

表1 連桿固有頻率計算結果

當連桿機構的某階固有頻率與柴油機的激勵力頻率接近或相等時就會產生共振，導致機構產生較大的彎曲和扭轉變形。由于柴油機在實際工況中的工作頻率一般在3 000Hz以下，根據柴油機的實際工況和表1中連桿各階固有頻率，發現第3、4階模態的頻率值與工作頻率較為接近。通過ANSYS軟件的后處理器觀察連桿的各階模態振型，圖5和圖6分別為第3、4階模態的振型云圖。

圖5 連桿的第3階模態振型

圖6 連桿的第4階模態振型

4 仿真結果分析

觀察圖5中連桿第3階模態振型發現連桿發生很大的變形，而圖6連桿第4階模態振型中則沒有發生過大的變形。這是由于連桿第3 階固有頻率為1 976.5Hz，當柴油機激振力頻率在2 000 Hz附近的時候有可能會與第3階模態頻率相等或接近，就會引發共振，導致連桿的動應力過大，以至于出現疲勞和裂紋等損壞現象。從圖5也可以看出連桿的薄弱環節在連桿大頭和連桿柄的過渡處，因此在發動機設計過程中可以通過優化結構或改進材料對其加以改進。

［1］ 鎮江農業機械學院.內燃機構造［M］.北京：中國農業機械出版社，1981.

［2］ 李顯明.有限元法在柴油機連桿分析中的應用［M］.上海：上海鐵道科技出版社，2005.

［3］ 李鵬，張保成，李星，等.基于Hyperworks的發動機連桿有限元模態分析［J］.唐山學院學報，2011，24（3）：31－33.