摘 要

柴油发动机连杆结构复杂，在柴油发动机运作过程中，连杆承受复杂的载荷，对自身的机械性能要求很高，足够的结构强度以及抗疲劳强度是连杆所应该具备的，为了减小惯性力对连杆的影响，应该保证连杆的质量尽可能的小。本文目的在于设计一款柴油发动机的连杆，尽量满足连杆即轻又可靠地要求。本文运用CATIA有限元软件进行连杆的设计，然后导入到大型通用型有限元分析软件ANSYS中，进行静力学以及疲劳分析，观察所设计的连杆是否满足强度要求。在运用CATIA有限元软件进行设计时，对连杆进行一些结构上的简化处理，保证之后的静力学分析以及疲劳分析可以更加简单且准确的进行。对柴油发动机的原理进行分析，然后结合柴油发动机连杆受力的各方面因素，选取连杆在最危险工况（最大拉伸工况和最大压缩工况）时的状态进行静力学分析。将CATIA中设计好的发动机连杆导入到ANSYS中，设置材料参数，划分网格，施加位移约束以及施加载荷，然后对连杆进行静力学分析。根据静力学分析的结果，选取杆身上的点，结合等效应力以及安全系数的原理，对连杆进行疲劳分析。最后根据分析的结果，提出优化设计建议。

关键字：连杆、有限元、CATIA、ANSYS、疲劳分析

ABSTRACT

The structure of the diesel engine connecting rod is complex. When the diesel engine is working, the connecting rod is subjected to complex loads. So high mechanical properties of the connecting rod is required. The connecting rod should have sufficient resisting the fatigue strength composes in reply a structure intensity. In order to reduce the impact of inertia force on the link, it should ensure that the quality of the connecting rod as small as possible.

The main body of this book is to use CATIA to design a diesel engine connecting rod, and then import the diesel engine connecting rod into ANSYS. Then we do the static and fatigue analysis on the diesel engine connecting rod, and judge whether the connecting rod meets the strength requirements. When making use of CATIA to design the diesel engine connecting rod ,we should do some structural simplification on the connecting rod to make the static and fatigue analysis of the connecting rod more simple and precise.

Analyze the principle of the engine and combined with all aspects of diesel engine connecting rod factors. We select the state of the connecting rod in the most dangerous conditions (maximum tensile conditions and maximum compression conditions) to do the static analysis.

Import the diesel engine connecting rod from CATIA into ANSYS. After setting the material parameters , dividing the grid and applying the displacement constraint and loads on the connecting rod, doing the static analysis on it. According to the results of the static analysis combined with the principle of equivalent stress and safety factor, choosing node from the connecting rod shaft to do the fatigue analysis. At the end of this book, we based on the results of the analysis, propose the proposed optimization.

Keywords: Connecting rod; Finite element; CATIA; ANSYS; Fatigue analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本论文研究的问题和主要内容 3

第2章 连杆的设计 4

2.1 四冲程内燃机工作原理 4

2.2 发动机连杆的设计要求 5

2.3 发动机连杆的结构设计 6

2.4 发动机连杆的设计结果 6

第3章 发动机连杆的运动与受力分析 9

3.1曲柄连杆机构的运动分析 9

3.1.1活塞的移动 10

3.1.2活塞的速度 11

3.1.3活塞的加速度 11

3.1.4 连杆摆动的角位移 11

3.1.5 连杆摆动的角速度 12

3.1.6 连杆摆动的角加速度 12

3.2 连杆的载荷计算 13

3.2.1 作用于活塞的气体力 13

3.2.2 活塞组的惯性力 15

3.3危险工况下连杆的受力分析 16

3.4本章小结 16

第4章 发动机连杆的有限元分析预处理 17

4.1连杆模型的建立 17

4.2定义单元类型 17

4.3定义材料属性 17

4.4网格的划分 17

4.5发动机连杆施加压缩载荷 18

4.6发动机连杆施加拉伸载荷 19

第5章 发动机连杆的有限元分析加载和求解 20

5.1边界条件的处理 20

5.2最大压缩工况的计算求解及结果分析 21

5.3最大拉伸工况的计算求解及结果分析 25

5.4疲劳分析 28

5.5优化设计建议 30

总 结 31

参考文献 32

附录A 34

致 谢 35

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

随着当今社会的飞速发展，汽车行业也在快速的发展，人们对于汽车的各项指标的要求也在不断提高，而与汽车各项指标直接相关的就是汽车的发动机。发动机从十九世纪八九十年代被创造以来，一直在不停的被改进和创新，经过几百年的改进和变化，在一百多年前出现了往复活塞式内燃机。现如今，内燃机已经发展的相对成熟，其基本的结构一直以来变化不是很大，但是其性能及设计水平有了很大的提升，并在不断的提高当中。并且最能代表发动机技术水平的指标：燃油经济性、升功率、紧凑性、制造成本、可靠性和使用寿命等都在不断的被完善^[1]。

连杆是内燃机主要活动部件之一，在发动机运转的时候，静态和动态波动负载施加在连杆上。连杆总成的运行原理是将活塞组件的上下运动转变成为曲轴的转动，并把作用在活塞头上的力传递到曲轴销上。连杆的大端圆孔与曲轴销相连，与曲轴一起进行旋转运动，连杆的小端圆孔与活塞销相连，随活塞一起进行上下运动。连杆在运动过程中受到多种力的协同作用，其中包含由活塞传递过来的气体作用力、往复运动时的惯性力以及连杆自身摆动时产生的惯性力，这些力的大小跟方向都是周期变化的^[2]。

连杆组件的外形设计工作非常困难，如果设计出现问题，所设计的连杆组件不满足条件，那么在连杆的运转的时候，会出现应力集中以及刚度或强度不够等问题，致使其失效，然后会导致发动机的曲柄连杆机构无法照常运转，影响整体运转效率，严重的更会致使活塞失去完好的密封条件，使排气功能失去作用，以至于活塞拉瓦拉缸，最后发动机将无法运转。因此，在设计连杆时，要结合连杆所处的环境，以及发动机所需要连杆达到的参数要求，有针对性的进行设计，力求能设计出一个满足各项要求和指标的连杆。