某单缸发动机连杆的频率可靠性分析及优化

摘要

连杆是发动机中的关键构件之一。连杆在工作过程中受到各种复杂周期性变化的载荷、热应力及振动影响，使得连杆在工作过程中极易发生功能失效，进而引起整个发动机的工作失效，因而对曲柄连杆机构进行动力学分析，并在此基础上对连杆构件进行可靠性分析和优化就显得尤为重要。
　　本文以宗申NC450型摩托车发动机连杆为研究对象，结合系统动力学、有限元分析、可靠性理论等相关基础学科，应用有限元分析软件、多平台集成优化设计及MATLAB软件对其进行动力学分析、随机有限元模态分析，并设计了集成仿真实验，获得了随机设计变量输入的模态频率响应值，进而完成了连杆频率可靠性分析及优化，总结出了频率可靠性分析及优化的方法。本文研究内容如下:
　　(1)由运动模型图和力学模型，结合运动学和动力学知识，运用数学分析软件MATLAB求得了曲柄连杆机构在工作过程中相关组件的参数变化图，求得连杆大头、小头所受的力的变化曲线，确定了连杆有限元分析的位移和载荷约束条件。
　　(2)建立了适用于ANSYS的连杆静力有限元分析模型，并完成了连杆静强度有限元分析，得到了连杆在最大拉伸和压缩工况下的应力云图，确定了连杆工作中产生应力集中的危险节点，求得了两种工况下的应力极值，完成了连杆静强度校核。
　　(3)运用ANSYS软件，完成了连杆约束模态分析，利用多平台集成优化软件ISIGHT集成ANSYS设计联合仿真实验，得到了随机设计变量输入下的连杆最低阶固有频率的响应值;设计DOE实验对样本对进行了主效应分析、Pareto图分析，筛选出对响应较为敏感的设计变量。
　　(4)应用MATLAB软件，编制相应的BP神经网络程序，对筛选出的样本对进行非线性神经网络回归分析，求得了满足设计精度的权值和阈值，拟合了连杆的频率失效功能函数;结合均值一次二阶矩法，对连杆的频率可靠性进行了分析。
　　(5)分别以连杆的可靠性和最低阶固有频率为目标，运用近似代理模型的思想，采用RBF神经网络代理模型结合ASA算法（自适应模拟退火算法）对连杆的可靠性和设计变量参数进行优化，经优化，连杆的最低阶固有频率提升了32.6％，降低了连杆工作时落入共振频率区域的可能性。相应地，连杆可靠度指标β相对提升了5.2％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 可靠性的国内外研究现状

1．3 连杆可靠性的研究现状

1．4 本文主要研究内容及难点

1．4．1 本文研究主要内容

1．4．2 研究难点

1．5 本章小结

第二章 发动机曲柄连杆机构运动学和动力学分析

2．1 曲柄连杆机构的运动分析

2．2 曲柄连杆机构的受力分析

2．3 曲柄连杆机构的力学简化

2．3．1 等效质量换算

2．3．2 力学简化分析

2．4 NC450型发动机连杆受力分析

2．5 本章小结

第三章 发动机连杆静力有限元分析

3．1 有限元法简介

3．1．1 基础理论概述

3．1．2 分析基本步骤

3．2 连杆静力有限元分析

3．2．1 连杆三维模型

3．2．2 定义材料和属性

3．2．3 网格划分

3．2．4 约束边界条件

3．2．5 载荷边界条件

3．3 求解及结果分析

3．4 本章小结

第四章 模态分析及集成ISIGHT联合仿真

4．1 模态分析理论概述

4．1．1 主振型矩阵及正交性

4．1．2 主坐标变换与正则坐标变换

4．1．3 响应计算

4．1．4 模态分析的有限元法

4．2 连杆模态分析及模态评价方法

4．2．1 连杆有限元模态分析

4．2．2 连杆的模态评价方法

4．3 集成ISIGHT交互实验

4．3．1 设计变量初筛选

4．3．2 ANSYS／ISIGHT集成过程

4．4 DOE样本实验分析

4．4．1 主效应分析

4．4．2 Pareto图分析

4．4．3 设计变量的精筛选

4．5 本章小结

第五章 非线性神经网络回归及频率可靠性分析

5．1 非线性神经网络回归拟合概述

5．1．1 BP神经网络非线性回归分析

5．1．2 神经网络相关函数说明

5．2 可靠性分析的一次二阶矩法

5．2．1 线性功能函数的均值一次二阶矩法

5．2．2 非线性功能函数的均值一次二阶矩法

5．3 神经网络拟合非线性功能函数

5．3．1 BP神经网络的构建

5．3．2 模型计算及数形分析

5．3．3 失效功能函数的拟合

5．4 连杆频率可靠性分析

5．5 本章小结

第六章 RBF代理模型配置ASA算法的频率可靠性优化

6．1 近似代理模型优化设计

6．1．1 RBF代理模型

6．1．2 ASA优化算法理论

6．2 可靠性分析的改进一次二阶矩法

6．2．1 改进一次二阶矩法原理

6．2．2 最大可能失效点及可靠性求解

6．3 连杆频率可靠性优化

6．3．1 频率可靠性优化的数学模型

6．3．2 频率可靠性优化的ISIGHT模型

6．3．3 ISIGHT模型误差分析

6．4 优化结果分析

6．4．1 连杆参数优化

6．4．2 频率可靠性优化

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士期间发表的论文及科研情况