汽车发动机曲柄连杆机构的结构最优化设计

论文摘要

最优化问题广泛存在于国民经济各部门和工程应用各领域中。结构最优化设计是指在给定结构的类型、材料、布局拓扑和几何外形的情况下,优化各个组成构件的界面尺寸,使整体结构达到预期效果(降低成本、提高刚度或控制振动等)。曲柄连杆机构是发动机的两大机构之一,它的尺寸大小直接影响发动机的体积和重量,因此设计出重量轻而各方面性能又达到要求的曲柄连杆机构是一项重要的工作。目前结构优化设计的方法主要有多刚体动力学分析法、有限元分析法、优化设计理论方法以及汽车重要零部件结构优化设计方法。对汽车重要零部件进行结构优化是当前虚拟制造和装配领域的研究热点,本设计以曲柄连杆机构为研究对象建立三维数字化参数模型,将有限元算法内置在优化算法中,对其进行结构优化设计。曲柄连杆结构形状复杂,小圆角和细油孔较多,如果在建模时考虑这些因素则会使求解误差增大,运算精度降低。因此在几何建模的过程中,在不影响求解精度的情况下尽量简化这些细节特征。首先介绍了发动机主要零部件活塞、连杆和曲轴的设计要求,在此基础上应用三维软件CATIA分别建立了活塞、连杆和曲轴的三维模型。然后对其进行虚拟装配,对装配体有限元模型进行热力耦合分析,解决曲柄连杆机构结构设计的刚强度评价问题。最后从曲柄连杆机构受力及运动特点等方面入手,通过对各个零件的结构简化,分别建立了活塞、连杆和曲轴的三维数字化模型。在假设缸径、缸距、行程不变,假设连杆、曲轴等各自的结构尺寸成一定比例的情况下,以体积最小为目标函数,以结构尺寸及实体内最大应力小于许用数值为约束条件,分别以活塞裙部内径、活塞销座孔直径、连杆杆身的长度,连杆小头的孔径,连杆大头的孔径、连杆轴颈直径和曲轴轴颈直径等为设计变量,建立活塞、连杆和曲轴的优化数学模型。将有限元算法内嵌到优化算法中,通过ANSYS软件中Fist Order(一阶算法)或Subproblem Approximation(子问题近似算法)进行求解。对优化结果进行分析得出结论：当曲柄连杆机构载荷和约束条件不变时,活塞、连杆、曲轴在更小结构尺寸的情况下也能够满足强度要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.3 研究方案
• 1.3.1 本文的研究内容
• 1.3.2 本文的结构安排
• 第2章 汽车发动机曲柄连杆机构结构设计与三维建模
• 2.1 曲柄连杆机构的结构设计
• 2.1.1 活塞的结构设计
• 2.1.2 连杆的结构设计
• 2.1.3 曲轴的结构设计
• 2.1.4 曲柄连杆机构设计算列
• 2.2 曲柄连杆机构的三维建模与虚拟装配
• 2.2.1 CATIA软件简介
• 2.2.2 活塞三维模型的建立
• 2.2.3 连杆三维模型的建立
• 2.2.4 曲轴的三维模型建立
• 2.2.5 曲柄连杆机构的虚拟装配
• 第3章 基于热力耦合的汽油机曲柄连杆机构结构分析
• 3.1 汽油机曲柄连杆机构结构分析的现状分析
• 3.2 作功行程气体质量、温度、压力随曲轴转角的关系
• 3.3 曲柄连杆机构温度场分析
• 3.4 曲柄连杆机构装配体有限元分析中载荷的确定
• 3.5 曲柄连杆机构热力耦合分析的软件实现
• 3.5.1 ANSYS软件介绍
• 3.5.2 装配体热力耦合分析在ANSYS中的实现
• 3.6 本章小结
• 第4章 汽车发动机曲柄连杆机构结构优化
• 4.1 曲柄连杆机构结构优化建模
• 4.2 活塞的优化模型
• 4.2.1 模型假设
• 4.2.2 设计变量
• 4.2.3 目标函数
• 4.2.4 约束条件
• 4.3 连杆的优化模型
• 4.3.1 模型假设
• 4.3.2 设计变量
• 4.3.3 目标函数
• 4.3.4 约束条件
• 4.4 曲轴的优化模型
• 4.4.1 模型假设
• 4.4.2 设计变量
• 4.4.3 目标函数
• 4.4.4 约束条件
• 4.5 曲柄连杆机构优化设计理论与方法
• 4.5.1 有限元算法
• 4.5.2 优化算法:子问题逼近方法和一阶方法
• 4.6 ANSYS优化模块介绍
• 4.6.1 ANSYS中优化变量的选取
• 4.6.2 ANSYS的优化模块
• 4.7 实例优化仿真
• 第5章 结论和展望
• 5.1 总结
• 5.2 创新点
• 5.3 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢