新工科理念下發動機活塞連桿機構優化設計研究

張初旭

摘要：對發動機活塞連桿機構優化設計，降低質量、較小體積，使其更加輕便、靈活;并對設計的模型利用ANSYS Workbench進行優化設計，對活塞連桿機構進行尺寸調整。

關鍵詞：活塞連桿機構;優化設計;ANSYS Workbench

0? 引言

傳統的單缸發動機缸徑為95mm，活塞連桿體積較大，質量較重，運動不靈活，并噪聲較大;因此，本文為減輕發動機的質量和體積，減少震動和噪音，設計發動機活塞頭直徑為65mm;為了減小質量，降低空間，將活塞連桿設計成一體化。為了保證設計出的活塞連桿機構滿足應力、應變需求，利用有限元軟件[1]，分析了應力、應變，并繪制應力、應變云圖，便于觀察活塞連桿機構的變化情況，檢驗滿足應力、應變要求。

1? 曲柄連桿機構設計

為使質量輕便，將活塞與連桿機構設計成一體化，且活塞直徑設計成60mm;曲柄連桿機構尺寸參數如下：

活塞直徑：65mm，活塞頂部高度為12.1mm，厚度為5mm，活塞高度為32.5mm，連桿長度為253.5mm。

根據參數，利用UG軟件的建模命令，可完成單缸發動機的活塞連桿體、曲柄等零件的三維建模。

2? 發動機曲柄連桿機構優化設計

2.1 模型假設

活塞連桿體主要設計尺寸包括活塞半徑d1，活塞頭部長度l1，連桿桿身的長度l2，連桿寬度w1，瓦軸長度l3，瓦軸寬度d2，連桿曲軸直徑d3，還有連桿工字形斷面尺寸Hg和Bg。在ANSYS Workbench中建立活塞連桿體的三維模型時，僅考慮包括活塞半徑d1，活塞頭部長度l1，連桿桿身的長度l2，連桿寬度w1，瓦軸長度l3，瓦軸寬度d2，連桿曲軸直徑d3。假設連桿工字形斷面尺寸Hg和Bg保持建模時設定的初始值不變。連桿桿身平均斷面積取活塞面積的2-3.5%。

2.2 設計變量

2.3 目標函數

設計變量選好以后，以體積為目標函數（求最小值，使用材料最小），建立活塞連桿機構優化模型。

如表2所示，活塞連桿機構優化前后的尺寸數值對比。活塞連桿在滿足強度和剛度要求的情況下可以在更小尺寸時承受同樣的作用力。

活塞連桿優化前后圖形對比如圖1所示。

從優化結果分析可知：當活塞連桿機構受到的力保持不變時，活塞連桿的體積由原來的31592mm3，減小為28439mm3，減少了9.98%;質量由0.97306kg，變小為0.83199kg，減小了14.5%。活塞連桿體可以在該尺寸的情況下滿足剛強度要求。減輕其體積可以減少原材料的浪費、降低成本、對提高企業的競爭力有重要的實際意義。

2.4 強度校核

2.4.1 活塞連桿最大壓縮工況結果分析

通過ANSYS優化后，活塞連桿體最大壓縮工況應力、位移如圖2和圖3所示。

圖2、圖3分別為連桿優化后的壓縮工況下的應力和位移圖，其中，從圖2、圖3中可以看出，在最大壓縮工況下，優化后連桿的最大應力值47.6MPa，最大應變值為6.72×10-5m，最大位移為6.24×10-6m。與優化前最大應力值3.58MPa，最大應變值為5.07×10-5m，最大位移值5.77×10-6相比，最大應力值24.8%，最大位移增大7.5%，由于活塞連桿體體積減小了9.98%，質量約有0.14kg的減少量，應力、位移變化有所增加，但鋁合金材料的屈服強度為270MPa，因此滿足強度要求。

2.4.2 活塞連桿最大拉伸工況結果分析

通過ANSYS優化后，活塞連桿體最大拉伸工況應力、應變、位移如圖4和圖5所示。

圖4、圖5分別為連桿優化后的拉伸工況下的應力和位移圖，其中，從圖4、圖5中可以看出，在最大拉伸工況下，優化后連桿的最大應力值65.3MPa，最大應變值為9.21×10-5m，最大位移為8.55×10-6m。與優化前最大應力值4.9MPa，最大應變值為6.94×10-5m，最大位移值7.9×10-6相比，最大應力值24.9%，最大位移增大7.6%，應力、位移變化有所增加，但滿足強度要求。

3? 結論

發動機連桿機構優化設計，基于UG建立實體三維模型，對其進行靜力學分析;再對165曲柄連桿機構的優化設計，基于ANSYS Workbench優化設計功能，通過迭代，得到最佳優化方案。活塞連桿的體積由原來的31592mm3，減小為28439mm3，減少了9.98%;質量由0.97306kg，變小為0.83199kg，減小了14.5%，并滿足強度要求。減輕其體積可以減少原材料的浪費、降低成本、對提高企業的競爭力有重要的實際意義。

參考文獻：

[1]朱茂強.基于有限元動力學的曲軸CAE分析[J].裝備制造技術，2010（3）：3841.

[2]江思躍.ANSYSWorkbench二次開發技術及應用[J].中國制造業信息化，2010，07：47-48.

[3]南京工學院，西安交通大學.理論力學（下冊）[M].北京：高等教育出版社，1986：212-230.

[4]喻菲菲，胡圣榮，杜燦誼.幾種不同載荷邊界處理方法的內燃機連桿有限元分析對比[J].制造業自動化，2014（19）.