4V-105柴油机连杆有限元分析与优化设计

论文摘要

柴油机连杆在工作中承受复杂的载何,对连杆的机械性能要求较高,连杆应该具有足够的抗疲劳强度和结构强度,同时质量应该尽可能小以减少惯性力对连杆工作过程的影响。采用常规设计难于使连杆达到既轻又可靠的要求,传统用解析法对连杆所受的应力和应变情况分析,解析误差太大。本文介绍了4V-105柴油机连杆的工作概况,利用CAE设计分析程序ANSYS对连杆进行了有限元分析和优化设计。在对连杆模型进行分析后,对连杆模型进行适当的必要的简化,利用ANSYS有限元分析软件的APDL参数化建模功能对4V-105型柴油机连杆进行参数化建模,并对连杆模型进行了ANSYS前处理;根据连杆的受载状况,对连杆进行载何分析,通过引入相应的惯性力,根据前期ADAMS对4V-105柴油机连杆动力学仿真结果,施加以工作过程产生的最大合载为外力,将求解连杆的动力问题化为相应的静力问题;根据分析的结果,对连杆有限元模型进行加载并求解,对结果进行了简要结构强度计算分析;用有限元的方法对连杆杆身尺寸进行了优化,并对优化结果进行较详细的体积变化分析、结构强度校核以及疲劳分析、对连杆进行相应的实验测试验证等,以验证连杆尺寸优化结果的合理性。最后得出了合理的连杆优化设计结果,为进一步研究该型号柴油机连杆的其他动态性能或进一步优化连杆大小端相关尺寸提供了有价值的依据。避免大量实验验证过程,降低设计成本,提高设计效率,缩短开发周期。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 概述
• 1.1 连杆的工作概况
• 1.2 有限元的基本理论
• 1.3 连杆优化设计的意义
• 1.4 连杆的优化设计方法及国内外现状
• 1.5 连杆优化设计的主要内容和方案
• 第2章 连杆的有限元模型
• 2.1 有限元的基本理论
• 2.2 接触问题简介
• 2.3 建模方案的确定
• 2.4 连杆模型的建立
• 2.4.1 实体模型的建立
• 2.4.2 定义单元类型
• 2.4.3 定义实常数
• 2.4.4 定义材料模型
• 2.4.5 网格的划分
• 2.4.6 创建接触对
• 第3章 连杆载荷的计算
• 3.1 气体作用力的计算
• 3.2 活塞组件的惯性力
• 3.3 连杆的惯性力
• 3.4 预紧力
• 3.5 连杆大小端的载荷的等效计算
• 3.5.1 最大压缩工况
• 3.5.2 最大拉伸工况
• 第4章 连杆有限元模型的加载与求解
• 4.1 预紧力加载
• 4.2 边界条件的处理
• 4.3 最大压缩工况计算求解及结果分析
• 4.4 最大拉伸工况计算求解及结果分析
• 4.5 疲劳分析
• 4.5.1 疲劳分析概述
• 4.5.2 连杆疲劳分析
• 第5章 连杆的优化设计
• 5.1 优化设计概述
• 5.1.1 优化设计理论
• 5.1.2 约束优化设计问题的最优解条件
• 5.1.3 优化设计的数值解法和收敛准则
• 5.2 ANSYS 优化设计的过程
• 5.2.1 ANSYS 优化设计概述
• 5.2.2 ANSYS 优化模块中的两种求解模式
• 5.2.3 ANSYS 的优化方法和收敛准则
• 5.3 连杆的最优化设计
• 5.3.1 构建优化分析文件
• 5.3.2 构建优化控制文件
• 5.3.3 计算流程
• 5.3.4 优化结果
• 5.4 结果分析
• 5.4.1 体积变化分析
• 5.4.2 强度校核
• 5.4.3 疲劳分析
• 5.4.4 连杆应力测试验证
• 结论
• 参考文献
• 附录A 优化分析文件
• 致谢