1、中北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué)生 姓名： 田玉春 學(xué) 號(hào)： 0801024221學(xué) 院、系：機(jī)電工程學(xué)院車輛與動(dòng)力工程系專 業(yè)：熱能與動(dòng)力工程設(shè)計(jì)題目：柴油機(jī)連桿模態(tài)分析指導(dǎo)教師：王英2012年03月01日畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告1.結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜 述：文獻(xiàn)綜述課題名稱：柴油機(jī)連桿模態(tài)分析一.本課題研究的目的：研究連桿的受力情況，包括動(dòng)、靜載荷，以改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的設(shè)計(jì) 和受力狀況。連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要傳動(dòng)部件之一，其大頭孔與軸承連接，小頭孔通過活塞銷和 活塞連接，將作用于活塞的氣體膨脹壓力傳給曲軸，又受曲軸驅(qū)動(dòng)而帶動(dòng)活塞壓縮氣缸中 的氣體1。連桿是柴油

2、發(fā)動(dòng)機(jī)中傳遞動(dòng)力的重要零件，它把活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并將作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率10在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，連桿受膨脹氣體交變壓力的作用，連桿除應(yīng)具有足夠的剛度和 強(qiáng)度外，還應(yīng)盡量減小連桿的自身的質(zhì)量，以減小慣性力的作用。連桿在工作中承受著急劇變化的動(dòng)載荷，再加上連桿的高頻擺動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，會(huì)使連桿桿身發(fā)生變形：輕則 會(huì)影響曲柄連桿機(jī)構(gòu)的正常工作，使機(jī)械效率下降；重則會(huì)破壞活塞的密封性能，會(huì)排放 惡化，甚至造成活塞拉缸、拉瓦、使發(fā)動(dòng)機(jī)無法正常工作。因此對(duì)其剛度和強(qiáng)度提出了很 高的要求。所以對(duì)連桿的強(qiáng)度和剛度分析在連桿設(shè)計(jì)中占有很大的比重。隨著大型有限元 軟件的出現(xiàn)以及計(jì)算

3、機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行 設(shè)計(jì)研究越來越頻繁。連桿作為內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要構(gòu)件，其使用可靠性對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng) 機(jī)的可靠性有著決定性的影響。傳統(tǒng)的連桿設(shè)計(jì)基本上為靜態(tài)設(shè)計(jì)，而對(duì)連桿的動(dòng)態(tài)特性 很少涉及。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的高速化和大功率化，靜態(tài)設(shè)計(jì)越來越不能滿足需要，往往在進(jìn) 行靜態(tài)強(qiáng)度校核以及有限元靜態(tài)計(jì)算時(shí)，認(rèn)為強(qiáng)度足夠，而在多次使用中卻發(fā)現(xiàn)連桿上出 現(xiàn)裂紋這致命的損壞現(xiàn)象。因此，用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行連桿的動(dòng)態(tài)特性研究已經(jīng)成為連桿 設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。用有限元法對(duì)連桿的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，有時(shí)由于條件的限制，所建立 的模型有一些不太合理的地方，連桿在氣體爆發(fā)壓力最大時(shí)，不僅

4、受到軸向壓力，而且還 會(huì)受到一定彎矩的作用。同時(shí)對(duì)于邊界條件的處理也存在著不足，因此，采用先進(jìn)的有限 元工具和合理的計(jì)算條件對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)連桿進(jìn)行分析才能得到更精確地結(jié)果20自從三維實(shí)體特征建模軟件上市，Pro/ENGINEER及UG引入復(fù)合建模的概念，可以實(shí)體建模、曲面建模、薄壁建模、半?yún)?shù)化及參數(shù)化建模融為一體，被廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、 汽車、航天等行業(yè)。并能自動(dòng)進(jìn)行干涉檢查的高級(jí)裝配功能模塊、最先進(jìn)的CAM真塊以及具有A類曲線造型能力的工業(yè)造型模塊：它在全球迅猛發(fā)展，占領(lǐng)了巨大的市場份額，已 經(jīng)成為高端及商業(yè)CAD/CAE/CAM應(yīng)用開發(fā)的常用軟件3。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種近代方法，是

5、系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng) 用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振 型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過程稱為模態(tài)分 析。這個(gè)分析過程如果是由有限元計(jì)算的方法取得的，則稱為計(jì)算模態(tài)分析；如果通過試 驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。如果通 過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就可 能預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié) 構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備的故障診斷的重要方法4。有限元法（Finite Element Met

6、hod,簡稱FEM）作為模態(tài)分析的方法是一種數(shù)值離散化 方法，根據(jù)變分原理求其數(shù)值解。因此適合于求解結(jié)構(gòu)形狀及邊界條件比較復(fù)雜、材料特 性不均勻等力學(xué)問題能夠解決幾乎所有工程領(lǐng)域中各種邊值問題（平衡或定常問題、動(dòng)態(tài)或非定常問題）。有限元法的基本思想是：在對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和受力分析的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)加 以簡化，利用離散化方法把簡化后的邊界結(jié)構(gòu)看成是由許多有限大小、彼此只在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)處相連接的有限單元的組合體。然后，從單元分析入手，先建立每個(gè)單元的剛度方程，冉 用計(jì)算機(jī)對(duì)平衡方程組求解，便可得到問題的數(shù)值近似解。用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析步驟 是：結(jié)構(gòu)和受力分析-離散化處理-單元分析-整體分析-引

7、入邊界條件求解。二.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1）連桿的結(jié)構(gòu)連桿由連桿小頭、連桿桿身和連桿大頭構(gòu)成。連桿桿身一般都采用從大頭到小頭逐步 變小的工字型截面形狀。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)均衡，同一發(fā)動(dòng)機(jī)中各連桿的質(zhì)量不能相差 太大，因此，在連桿部件的大、小頭兩端設(shè)置了去不平衡質(zhì)量的凸塊，以便在稱量后切除 不平衡質(zhì)量。連桿大、小頭兩端對(duì)稱分布在連桿中截面的兩側(cè)。考慮到裝夾、安放、搬 運(yùn)等要求，連桿大、小頭的厚度相等（基本尺寸相同）。在連桿小頭的頂端設(shè)有油孔（或油 槽），發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，依靠曲軸的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，把氣缸體下部的潤滑油飛濺到小頭頂端的油孔 內(nèi)，以潤滑連桿小頭襯套與活塞銷之間的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)副602）連桿的工況

8、連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的主要機(jī)構(gòu)。其主要功用是將氣缸內(nèi)氣體作用在活塞 上的力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)力矩，從而輸出動(dòng)力7。3）連桿的分析方法a）傳統(tǒng)方法對(duì)連桿的分析通常忽略次要載荷而取五種主要機(jī)械載荷，即襯套裝配預(yù)緊力、連桿 螺栓預(yù)緊力、作用在連桿小端的最大拉伸載荷（活塞組件及連桿本身的慣性力）和最大壓 縮載荷（氣體爆發(fā)壓力和慣性力的共同作用）網(wǎng)。以往對(duì)連桿的分析，往往是對(duì)連桿進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，且為節(jié)省時(shí)間往往對(duì)連桿大小頭部分所承受載荷進(jìn)行簡化分析，而這對(duì)載荷和 約束的處理就帶來了一定的困難。載荷近似認(rèn)為按余弦規(guī)律分布，并且是離散的作用到大 小頭內(nèi)表面。如果將變形放大100倍之后可以發(fā)現(xiàn)連桿的受力變

9、形情況，很明顯，連桿小 頭和大頭的變形情況出現(xiàn)不同程度的失真，這是由于作用在節(jié)點(diǎn)上的載荷力方向和大小始 終不變，所以當(dāng)連桿受力發(fā)生變形時(shí)，加載到節(jié)點(diǎn)上的力就不能反映真實(shí)的受力情況9約束一般都是加載到桿身的節(jié)點(diǎn)上或者是加到連桿的大頭內(nèi)表面，這種約束的加載不符合 真實(shí)的連桿受約束情況，容易造成不可知的誤差，而且在約束處會(huì)產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，不 能如實(shí)的反映連桿的應(yīng)力分布100b）有限元分析法連桿的有限元分析建模模型經(jīng)歷了一個(gè)由簡單到復(fù)雜、由淺入深的演變發(fā)展過程。 從最早的曲梁模型到20世紀(jì)七八十年代的平面連續(xù)模型以及 90年代至今的三維實(shí)體模型。 經(jīng)過近50年特別是最近30年的發(fā)展，有限元的基礎(chǔ)理論

10、和方法已經(jīng)比較成熟，有限元計(jì) 算結(jié)果可以作為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)11 o在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域使用有限元方法，可以很直接的分析內(nèi)燃機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)問題、熱載荷問題和缸內(nèi)的流場問題。連桿的 計(jì)算分析在早期多采用經(jīng)驗(yàn)公式。有限元理論和方法提出后，迅速在連桿分析上得到廣泛 應(yīng)用。有限元技術(shù)的應(yīng)用提高了內(nèi)燃機(jī)零部件設(shè)計(jì)的可靠性，縮短了設(shè)計(jì)周期。大大推動(dòng) 了內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的發(fā)展。近幾年來，隨著軟硬件水平的提高，活塞連桿組有限元技術(shù)又取得 了很多新的進(jìn)展12 o在進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)的可靠性分析中，通過數(shù)值方法求取零部件的載荷響應(yīng)是必 不可少的。目前在工程領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法有：有限元法，邊界元法、離

11、散單元法 和有限差分法，究其廣泛性而言，主要還是有限單元法 13o隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用，有 限元法用于解決工程技術(shù)問題得到了越來越廣泛的重視。目前國外柴油機(jī)零部件有限元分 析課題基本集中在應(yīng)力位移場分析、溫度場分析及振動(dòng)分析三個(gè)方面。另外，基于有限元 分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)也已逐漸發(fā)展起來。國外許多著名發(fā)動(dòng)機(jī)研究機(jī)構(gòu)如奧地利 AVL研究所、英國Ricard。研究所、美國ATAG以及主要發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠商如美國 GM FORD 日本NISSAN TOYOTA德國MT曲廣泛開展了發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的有限元分析，發(fā)表了大量的 研究報(bào)告和論文14。分析的零件小到橡膠密封圈，大到整個(gè)機(jī)體、缸蓋、幾乎涵蓋了所

12、有 需要分析的零件。近幾年來，柴油機(jī)零部件有限元分析的一個(gè)特點(diǎn)是分析更加精確細(xì)致，特別對(duì)小型零 部件開始采用非線性模型進(jìn)行接觸問題的分析研究。柴油機(jī)零部件有限元分析的另一個(gè)特 點(diǎn)是需要先進(jìn)的前處理技術(shù)和高配置硬件設(shè)備，以進(jìn)行大規(guī)模復(fù)雜零部件的分析。這類零 件主要包括曲柄連桿機(jī)構(gòu)及其固定件。曲軸、連桿、活塞的計(jì)算己經(jīng)在原來二維模型的基 礎(chǔ)上，進(jìn)行三維模型的分析，充分考慮零件細(xì)節(jié)對(duì)零件應(yīng)力分布或溫度分布的影響。機(jī)體 的剛度、強(qiáng)度分析及噪聲預(yù)測(cè)己經(jīng)用于機(jī)體的結(jié)構(gòu)修改研究。連桿工作的可靠性問題長期 以來一直是人們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)研究和改造過程中關(guān)注的熱點(diǎn)問題。對(duì)連桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，國內(nèi) 外有大量的文獻(xiàn)報(bào)道，歸納

13、起來主要是以下幾個(gè)方面：有限元強(qiáng)度應(yīng)力分析、動(dòng)態(tài)響應(yīng)分 析、可靠性分析和優(yōu)化分析。目前內(nèi)燃機(jī)連桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究還主要是在一些科研單位， 對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行產(chǎn)品考核試驗(yàn)還不是很多，如何真正的將這個(gè)技術(shù)應(yīng)用于連桿生產(chǎn)廠 家的實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)也是急需研究的課題15。結(jié)合本行業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及工藝條件，由發(fā)動(dòng)機(jī)和計(jì)算機(jī)等多方專業(yè)技術(shù)人員配合，進(jìn)行 原型移植和二次開發(fā)，才是我國柴油機(jī)行業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展道路，國內(nèi)己有大連理 工大學(xué)馮立巖博士、薛冬新博士等人在這方面進(jìn)行了有益的探索并取得一些重要成果。錢 麗麗在連桿大頭-曲柄銷接觸的三維有限元素法計(jì)算中對(duì)連桿大頭曲柄銷的接觸力情況進(jìn) 行了詳細(xì)的研究，認(rèn)為沿活塞

14、銷軸線方向的各接觸面的接觸角度是不同的，越靠近中間接 觸面，接觸角度越小，接觸角度的大小大約在 120180之間，這與曲柄銷受力向下彎 曲有關(guān)，接觸力大小也是越靠近中間接觸面越小何。20世紀(jì)80年代末到90年代初采用常單 元插值線性單元插值和邊界元等方法對(duì)連桿進(jìn)行平面應(yīng)力應(yīng)變分析。近幾年采用（連桿多質(zhì)量代替系統(tǒng)）的準(zhǔn)靜態(tài)平面變厚度有限元法，由最大應(yīng)力和最小安全系數(shù)來判別強(qiáng)化后連桿的安全性，并提出改進(jìn)連桿結(jié)構(gòu)的途徑170對(duì)連桿的三維實(shí)體應(yīng)力應(yīng)變分析開始于 90年代 初。國內(nèi)外許多高校、發(fā)動(dòng)機(jī)廠商和科研單位對(duì)各種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿進(jìn)行了強(qiáng)度和應(yīng)力 分析，確定了不同載荷下的高應(yīng)力區(qū)及其變形形狀，計(jì)算出

15、連桿最危險(xiǎn)部位的安全系數(shù)， 從而為連桿的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)180連桿靜態(tài)應(yīng)力的精確計(jì)算已經(jīng)成為人們關(guān)心的焦點(diǎn)之 一，這就要求進(jìn)一步改進(jìn)邊界條件的處理技術(shù)，如各種載荷的精確計(jì)算，考慮連桿使用中的 變形，考慮軸承油膜的剛度、阻尼特性，采用接觸算法、達(dá)到能真正模擬各組件之間的接觸 行為等。考慮振動(dòng)作用的連桿動(dòng)態(tài)強(qiáng)度計(jì)算是連桿的研究發(fā)展方向之一190隨著發(fā)動(dòng)機(jī)高速化，大功率化，動(dòng)態(tài)計(jì)算是對(duì)連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)、計(jì)算疲勞強(qiáng)度、提高使用可靠性 的必要手段。國內(nèi)外近年來對(duì)內(nèi)燃機(jī)連桿進(jìn)行了很多動(dòng)態(tài)研究取得了令人滿意的進(jìn)展。考 慮振動(dòng)作用的連桿動(dòng)態(tài)分析將成為連桿分析的重點(diǎn)。對(duì)影響連桿可靠性分析的因素進(jìn)行詳 細(xì)的機(jī)

16、理研究也是重點(diǎn)內(nèi)容之一 200三.意義：本次畢業(yè)設(shè)計(jì)前處理利用ProE軟件，計(jì)算分析及后處理利用Ansys軟件。按柴油 機(jī)連桿受拉的受壓的兩種工況，對(duì)其進(jìn)行有限元計(jì)算分析(主要應(yīng)用了接觸和邊界非線性 的原理)，的到了連桿(其中還包括連桿蓋、預(yù)緊螺栓、預(yù)緊螺母、活塞銷、連桿大頭軸瓦 和連桿小頭襯套)的應(yīng)力圖和它們的安全系數(shù)。為連桿的設(shè)計(jì)和制造提供了充分的數(shù)據(jù)資 料，具有很高的工程使用價(jià)值。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)一方面是對(duì)大學(xué)生四年來所學(xué)理論知識(shí)和實(shí)際聯(lián)系的一種體現(xiàn)。另 一方面鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考、自我創(chuàng)新的意識(shí)能力。參考文獻(xiàn)：1吳植民，汽車構(gòu)造.北京：人民交通大學(xué)出版社， 1986. 02.2樓華山，樓江燕

17、，楊靖.虛擬樣機(jī)技術(shù)在柴油機(jī)中的應(yīng)用.科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2007,9:35.3吳衍平，陳國華，馬元鎬.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的三維整體形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，1998,2:21-24.4范蒙，姜樹李.SL4105柴油機(jī)的連桿桿身的變形分析.農(nóng)機(jī)化研究，2006,7:217.5屠丹紅.連桿組件的有限元分析J.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào).2004 , 2:35.6.馬天兵.基于ANSYS勺滾動(dòng)軸承的有限元分析J.煤礦機(jī)械,2004,25(2) : 66-68.7施興子.連桿有限元法分析的邊界條件的研究J.武漢水運(yùn)工程學(xué)報(bào).1994. 18(2): 122-127.8.彭智晶.模具設(shè)計(jì)技能培訓(xùn).Pro/ENGINEER中文

18、版/華南理工大學(xué)廣州汽車學(xué)院J. 北京：人民郵電出版社,2010.7(4)30-509呂洋波，等.Pro/ENGINEERWildfire 4.0動(dòng)力學(xué)與有限元分析從入門到精通M.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2010.10張定華.工程力學(xué)M.北京：高等教育出版社，2000.11孫巖，等.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)M.北京：理工大學(xué)出版社，2007.12徐中華，張茜.程偉基于Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 和ANSYS勺四缸曲軸有限元模態(tài) 分析-機(jī)械工程與自動(dòng)化J.2009(4)5-1213周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社.2005. 32532714王天靈.493柴油機(jī)連桿三維有限元分析

19、J.小型內(nèi)燃機(jī).1998 (4) : 31-32, 46.15李春旺，解武杰，楊尊袍，傅振堂，孫強(qiáng)基于Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 預(yù)處理的ANSY 有限元分析方法-空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)J . 2009,10(5)1-316Guagliano M, Terranova A, Vergani L. Theoretical andExperimental Study of the Stress Concentration Factor inDiesel Engine CrankshaftsJ . Trans ASME J MechDes, 2008, 115(3)

20、: 47-5217Fabrizio lessandro U . Rebora, Finite Element Analysis of DynamicallyLoaded Journal Bearings : Influence of the Bolt Preload , ASME 2002, 124, 486-493 18矯津毅，豈興明等.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 基礎(chǔ)入門與范例精解.機(jī)械工業(yè)出版 社19甘登岱等，Pro/ENGINEER 2000i/i (平方)與三維模型設(shè)計(jì)，清華大學(xué)出版社20劉剛，劉作成.Pro/ENGINEER 2000i/i基礎(chǔ)與實(shí)例教程.北京希望電子出版社21杜鵬，劉輝.汽車零部件22呂彩琴，蘇鐵雄.柴油機(jī)連桿的有限元疲勞強(qiáng)度分析J.華北工學(xué)院報(bào).