基于响应面的连杆结构优化设计

摘要

连杆是内燃机的主要传动构件之一，承担着将燃气燃烧内能转化为机械能的重要任务。在发动机的工作过程中，连杆承受着复杂的交变载荷作用，工作条件十分恶劣。随着国六的颁布，发动机的排放和性能需要得到进一步提升，各零件的轻量化恰恰是解决这一问题的途径。在符合连杆结构强度、刚度的设计要求下，连杆的轻量化，使得连杆的工作状况更加恶劣。因此，对连杆的有限元分析及结构优化是十分必要的。 本文以某内燃机连杆为研究对象，对连杆的运动、受力情况进行分析。利用Pro/E参数建模功能，建立连杆的参数化模型。通过有限元静力学分析，得到连杆的应力、位移云图，并对不同工况下连杆的危险区域进行了分析。 通过对连杆参数的分析，确定出连杆优化需要考虑的因素。以连杆有限元分析为基础，对连杆的9个设计参数进行敏感性分析，得到每个参数对优化过程的影响程度，并筛选出影响较大的4个参数，作为设计变量。通过最佳空间填充设计获得25组样本点，构建出Kriging响应面模型。并额外计算10组测试点结果对响应面模型的精准度进行验证，验证得出所构建的响应面模型可靠。 通过遗传算法对连杆响应面模型进行寻优求解，得出3组优化设计结果。通过对比分析，选取较优的设计参数。将设计值代回求解，与响应面预测结果对比，得到连杆优化的质量误差不到1%，连杆质量下降13.07%并对优化后连杆模型危险部位进行分析，说明优化后的连杆安全可靠，完成连杆轻量化。

目录

声明

1 绪论

1.1 论文选题背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 连杆的静动态分析

1.2.2 连杆的结构优化设计

1.2.3 近似模型技术

1.3 本文主要研究内容

2 连杆有限元分析

2.1 连杆工作情况分析

2.1.1 曲柄连杆机构的组成及工作原理

2.1.2 连杆的运动分析

2.1.3 连杆的受力分析

2.2 连杆有限元模型

2.2.1 有限元法概述

2.2.2 参数化建模

2.2.3 材料属性定义

2.2.4 模型网格划分

2.2.5 边界条件定义

2.3 连杆静力学分析

2.3.1 拉伸工况分析结果

2.3.2 压缩工况分析结果

2.4 本章小结

3 响应面模型的建立

3.1 方法简介

3.1.1 参数敏感性分析简介

3.1.2 响应面法简介

3.2 参数敏感性分析

3.2.1 试验对象的选择

3.2.2 连杆参数筛选

3.3 响应面模型构建

3.3.1 试验设计

3.3.2 Kriging模型构建

3.3.3 Kriging模型验证

3.4 本章小结

4 连杆结构优化

4.1 结构优化设计概述

4.1.1 结构优化简介

4.1.2 结构优化理论基础

4.1.3 优化设计数学模型

4.1.4 遗传算法简介

4.2 连杆优化模型的建立

4.2.1 设计变量的选取

4.2.2 目标函数的选取

4.2.3 约束函数的选取

4.2.4 优化数学模型

4.3 模型优化求解

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

攻读博士（硕士）期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢