发动机曲柄连杆机构的动力学分析及仿真优化

摘要

随着社会的发展，人们对汽车的需求量与日俱增，对汽车的舒适性和安全性也越来越重视。曲柄连杆机构作为发动机的主要组成部分，由于工作环极其恶劣境，既要承受高温高压，还要承受各种复杂、周期性变化的冲击和载荷，它的失效不仅会引起发动机其他部件的损坏，还会产生巨大的安全隐患。现在的产品结构越来越复杂，精度要求越来越高，传统的理论分析方法已无法满足要求，而随着软件技术发展而产生的有限元分析、优化分析以及动力学分析为解决现在工程上各方面的遇到的问题提供了十分有效的方法。
　　本文以某直列四缸发动机的曲柄连杆机构为例，结合发动机设计手册，对发动机曲柄连杆机构在运动学方面进行了分析，以及连杆在运动过程中的主要受力进行了分析;根据某发动机实际尺寸参数，在CATIA中对曲柄连杆机构进行了实体模型的建立，并完成了对各个实体的装配;将装配完全的实体模型通过数据接口传人ADAMS软件中，添加一定约束后，对曲柄连杆机构进行了仿真分析，得到了各个构件相应的运动曲线图;利用ANSYS软件，对发动机的连杆分别进行了静力学分析以及自由模态的分析，得到了连杆在两种极限运动状态下的应力、应变的变形云图，以及连杆的8～13阶自由模态的频率和对应的振型;结合静力学分析的结果，利用ANSYS中的自带的优化模块中对连杆进行结构上的优化，在确保连杆强度的前提下，使得连杆的质量达到最小。优化后不仅连杆的质量减少了，连杆在极限运动状态下最大的应力和应变也都减小。全文对发动机的曲柄连杆机构进行整体分析提供一定的参考，也对发动机性能的改善有一定的促进作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究的背景及意义

1．2 发动机曲柄连杆机构的研究现状

1．2．1 连杆载荷和边界条件分析

1．2．2 连杆的有限元静强度应力分析

1．2．3 连杆的动响应分析

1．2．4 连杆的可靠性分析

1．2．5 连杆的优化设计

1．3 本文的主要研究内容

1．4 本章小结

第2章 曲柄连杆机构的运动与载荷分析

2．1 曲柄连杆机构的运动分析

2．1．1 活塞组的运动分析

2．1．2 连杆组的运动分析

2．2 曲柄连杆机构的受力分析

2．2．1 作用于活塞的气体压力

2．2．2 活塞组的惯性力

2．2．3 连杆组的惯性力

2．2．4 曲柄的离心惯性力

2．3 本章小结

第3章 曲柄连杆机构的建模与仿真分析

3．1 软件介绍

3．1．1 CATIA软件介绍

3．1．2 ADAMS软件介绍

3．2 曲柄连杆机构三维模型的建立

3．2．1 活塞组的三维模型的建立

3．2．2 连杆组的三维模型的建立

3．2．3 曲轴组的三维模型的建立

3．3 曲柄连杆机构的装配

3．4 曲柄连杆机构的动力学分析

3．4．1 将装配好的曲柄连杆机构模型导入ADAMS软件

3．4．2 创建各部分的约束和运动副

3．4．3 仿真试验

3．4．4 试验后处理(Post Processor)

3．5 本章小结

第4章 发动机曲柄连杆机构的有限元分析

4．1 有限元法简介

4．1．1 有限元法的优点

4．1．2 有限元法分析的基本过程

4．2 模态分析的方法及理论简介

4．2．1 模态分析的方法

4．2．2 模态分析的理论

4．3 连杆的静力学分析

4．3．1 连杆的载荷分布情况的确定

4．3．2 连杆的有限元模型的建立

4．3．3 连杆的网格化

4．3．4 连杆的约束处理

4．3．5 连杆的静力学分析结果

4．4 有限元模态分析

4．5 本章小结

第5章 连杆的优化设计

5．1 优化的基本原理

5．2 ANSYS WORKBENCH中的优化

5．3 连杆的结构尺寸优化

5．3．1 目标函数

5．3．2 连杆优化的设计变量

5．3．3 连杆的约束条件

5．3．4 优化过程

5．3．5 优化结果

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢