内燃机连杆的静动态分析及结构优化设计

摘要

作为内燃机的关键运动构件——连杆，不仅结构复杂，工作环境恶劣，而且工作过程中承受复杂的交变载荷，连杆的工作可靠性对内燃机的工作可靠性有很大的影响，因此在满足连杆合理强度、刚度的前提下，减小连杆质量，减轻惯性力对连杆的不利影响非常重要。随着计算机软件技术的发展，大型的有限元软件在内燃机零部件的结构设计及优化过程中得到广泛应用。
　　本文以4102B型内燃机连杆为研究对象，首先分析它的工作原理，并对其曲柄连杆机构进行运动学和动力学理论分析，计算出连杆在工作过程中所承受的载荷。其次，利用PRO/E软件建立连杆组的三维实体模型，导入专业划分网格的软件Hyper Mesh对其进行网格划分，运用ABAQUS对其进行静态有限元分析，得出连杆在危险工况时的应力云图和位移云图，并对其进行强度、刚度以及疲劳特性分析，找到连杆在工作过程的危险点。然后建立目标函数，确定约束条件以及设计变量，对连杆结构进行优化设计，使得优化后的连杆质量、惯性力有所减小，应力集中得到缓解，连杆的结构分布更加合理。最后，在ABAQUS中以模态分析理论为基础对优化后连杆建立了模态有限元模型，并对其进行约束模态分析，得出连杆的固有频率和振型，从动力学角度检验优化后的连杆结构的合理性。

目录

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声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 连杆有限元静态分析

1．2．2 连杆优化设计

1．2．3 连杆有限元动态分析

1．3 本文的主要研究内容

第2章 连杆的运动与载荷分析

2．1 四冲程内燃机工作原理

2．2 曲柄连杆机构的运动分析

2．2．1 活塞的位移

2．2．2 活塞的速度

2．2．3 活塞的加速度

2．2．4 连杆摆动的角位移

2．2．5 连杆摆动的角速度

2．2．6 连杆摆动的角加速度

2．3 连杆的载荷计算

2．3．1 作用于活塞的气体力

2．3．2 活塞组的惯性力

2．3．3 连杆的惯性力

2．3．4 预紧载荷的处理

2．4 危险工况下连杆的受力分析

2．5 本章小结

第3章 连杆的静态有限元分析

3．1 有限元方法简介

3．2 连杆组有限元模型的建立

3．2．1 连杆组三维实体模型的建立

3．2．2 连杆模型网格划分

3．2．3 材料的定义

3．2．4 接触对的定义

3．2．5 边界条件的定义

3．3 连杆的静态有限元分析

3．3．1 最大拉伸工况的有限元分析

3．3．2 最大压缩工况

3．4 疲劳分析

3．4．1 疲劳分析概述

3．4．2 连杆的疲劳分析

3．5 本章小结

第4章 连杆的优化设计

4．1 结构优化设计简介

4．2 连杆优化数学模型

4．2．1 设计变量

4．2．2 目标函数

4．2．3 约束条件

4．3 内燃机连杆的优化流程及优化结果

4．3．1 优化流程

4．3．2 结果分析

4．4 连杆的应力试验验证

4．5 本章小结

第5章 连杆模态分析

5．1 模态分析简介

5．2 模态分析基本理论

5．2．1 计算模态分析理论

5．2．2 试验模态分析理论

5．3 连杆模态特性有限元分析

5．3．1 模态分析的一般步骤

5．3．2 结果分析

5．4 连杆试验模态分析

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果