基于isight的液压约束活塞发动机的连杆与曲轴的优化设计-研究

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1、青岛大学硕士学位论文的弯矩作用。连杆在工作过程中所受的力和力矩是周期性变化的，工作条件恶劣、外加载荷比较复杂，所以对连杆进行优化设计是改善发动机性能的重要举措。目前，发动机连杆的优化设计技术日渐成熟。早期的连杆优化结构多根据经验公式改进，很难达到理想的效果。目前，利用有限元技术对连杆进行优化分析是主要的研究方法。利用有限元对连杆进行分析时，如何处理连杆载荷是关键步骤。连杆的大小头所受的载荷是不均匀分布的，如何进行加载、最大程度的模拟连杆真实工作状况是对连杆进行有限元精确分析的前提。针对连杆的实际工作状况，将连杆的载荷分轴向和颈向两个方向进行加载。连杆大小头内孔表面载

2、荷在颈向方向按余弦函数规律分布，根据孔径和配合间隙，接触角一般取1200"--'1800；在轴向方向连杆载荷按二次抛物线函数规律分布ll8。191。由于连杆的惯性力是连续分布的，目前连杆惯性力边界条件通常采用节点力的形式模拟加载。连杆螺栓连接连杆盖和连杆大头，具有较大的预紧力，在早期的分析过程中，往往忽略连杆螺栓的预紧力，把螺栓作为连杆的一部分或者是以静态力的方式处理，这些处理方式不能真实的反映连杆螺栓对连杆体的影响，目前常采用的方法是利用均布温升产生的初应变来模拟过盈配合【20-241，能够获得更加准确的计算结果。随着近年来计算机硬件技术及软件水平的提高以及有限元

3、法理论和接触算法的广泛研究和应用，为了更好的反映连杆小头与活塞销、连杆大头与曲柄销之间的实际接触关系，对连杆的接触有限元的分析研究也逐步增多。通过设置接触对、刚度因子、摩擦系数以及接触算法来模拟实际接触边界，通过计算得到接触应力和接触摩擦应力[25之8】。近年来有限元法己成为连杆设计的主要方法。为了避免连杆因设计不合理而在工作过程中会出现应力集中、强度或刚度不足等问题，导致连杆断裂，必须对连杆进行优化设计。连杆的优化设计已由原先的二维结构优化设计过渡到三维优化设计，由局部结构的优化设计过渡到整体结构的优化设计。对连杆进行优化设计，通常以体积或者是可靠性为目标函数，以

4、结构尺寸为设计变量，强度、刚度和稳定性为约束条件。关键是要选取适合的有限元方法和效率高的优化算法【29’30】。(2)曲轴部件的研究状况曲轴作为发动机的重要运动部件之一，其主轴颈安装在缸体上，连杆轴颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，形成了一个典型的曲柄滑块机构。曲轴的结构和尺寸参数在很大程度上决定并影响着内燃机的整体尺寸和重量，其强度和刚度对内燃机的工作性能和寿命有着决定性的影响【3卜34】。曲轴连杆轴颈承受连杆传递的力，并由此形成绕其自身轴线的扭矩，并且对外输出转矩，为了使曲轴强度2第一章绪论的计算预测接近于实际情况，获得较合理的曲轴结构，国内外的一些

5、学者进行了大量的研究工作，发表了大量地相关问题的论文。由于曲轴的结构形状、受力情况都非常复杂，因此对曲轴进行优化设计非常重要。曲轴受到的燃气压力可根据内燃机工作过程的示功图获得，由动力学计算得到连杆轴颈受到的载荷值，然后再按照发动机的发火顺序和曲轴转角的相位差施加在曲轴的各个连杆轴颈上。根据传统的方法及有限宽度轴颈油膜压力应力分布的规律，并且忽略油孔处应力突变的影响，假定载荷的边界条件为：载荷沿连杆轴颈轴线方向按二次抛物线规律分布，沿轴颈圆周方向按余弦规律分布。曲轴自身的旋转惯性力可以通过软件中施加旋转角速度的方法得到，曲轴受到的重力可以通过设置重力加速度的方法施加

6、在曲轴上。功率输出端的扭矩可以通过在输出端面圆周上施加切向力来实现【j"6

7、。在早期的曲轴有限元分析中，曲轴的简化计算模型主要有两种：一种是把曲轴看作简支梁和连续梁进行分析；另一种是简化为单拐模型进行分析。第一种简化模型没有考虑到实际曲轴的过渡圆角和轴颈油孔附近存在的应力集中现象，而且没有考虑曲轴与轴承的接触支撑条件。第二种简化模型计算时需要考虑相邻曲拐之间的相互影响。目前曲轴受力分析主要借助有限元分析技术。在曲轴的有限元分析计算中，边界条件的确定是非常重要的，只有合理的约束条件和载荷，才能比较合理地模拟曲轴的实际工作情况。边界条件可分为两种：载荷边界条件和约束边界

8、条件。载荷边界条件一般是在忽略油孔处压力峰值突变的影响下，假定载荷沿连杆轴颈和主轴颈的轴线方向按二次抛物线规分布，沿连杆轴颈圆周1200范围内按余弦规律分布。约束边界条件，有些论文是将主轴承对曲轴的支承视为刚度为K的弹性支座，还有将曲轴主轴颈所受到的轴承的约束简化为作用在曲轴主轴颈表面上的弹性边界元，通过弹性边界元在接触部位进行约束及传递相互作用力【3H川。有些约束主轴颈表面的径向位移约束，有些建立接触单元。现在曲轴的优化设计已经由原来的二维优化模型向三维结构优化模型过渡，由最初的单拐优化设计模型向整体优化设计模型过渡。三维有限元分析采用的计算模型一般有两种：(