柴油發(fā)電機(jī)連桿的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)強(qiáng)度分析
摘 要：連桿作為柴油發(fā)電機(jī)的主要傳遞動(dòng)力的構(gòu)件，承受著由活塞傳遞的周期性變化的氣體壓力作用，工作環(huán)境極其惡劣，因而其結(jié)構(gòu)非常容易損壞。文中通過(guò)傳統(tǒng)的方法得出連桿的受力大小、方向與運(yùn)動(dòng)情況，并求解出了靜態(tài)研究所需要的邊界條件。利用ansys workbench有限元軟件，得到連桿在最大拉壓工況下的應(yīng)力與變形情況，為其優(yōu)化分析打好了基礎(chǔ)。最后采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法對(duì)連桿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
連桿是柴油發(fā)電機(jī)中最為關(guān)鍵的機(jī)構(gòu)，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)展有著非常之大的影響。本文借助于有限元軟件極強(qiáng)的計(jì)算能力和功能，仿真分析柴油發(fā)電機(jī)連桿的靜強(qiáng)度和其動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)最大應(yīng)力值和最大變形量為約束條件對(duì)連桿的形狀進(jìn)行優(yōu)化分析，從而實(shí)現(xiàn)合理優(yōu)化。
一、柴油發(fā)電機(jī)連桿的靜態(tài)強(qiáng)度分析
連桿三維模型的建立以及有限元模型的處理
本文對(duì)連桿大小頭孔最大拉、壓受力按照180°范圍余弦規(guī)律處理。壓力按照余弦規(guī)律沿圓周方向分布公式為：式中的依次為拉伸工況下連桿大頭孔和小頭孔施加的受力分布規(guī)律。
經(jīng)分析計(jì)算，得出連桿大頭端的應(yīng)力和變形分布。
由以上分析結(jié)果可知，連桿的最大應(yīng)力出現(xiàn)在連桿大頭孔橫截面的左右兩側(cè)邊緣部位，最大應(yīng)力值是237.11。連桿最大變形出現(xiàn)在連桿大頭端頂部區(qū)域，最大位移量是0.12416。
由以上分析結(jié)果可知，在約束住柴油發(fā)電機(jī)連桿的大端，使柴油發(fā)電機(jī)連桿小端的受到拉力的情況中，連桿的最大應(yīng)力出現(xiàn)在柴油發(fā)電機(jī)連桿小頭端潤(rùn)滑油孔位置，最大應(yīng)力值是342.58。連桿的最大變形發(fā)生在小端頂部區(qū)域，最大位移是0.11541。
由以上分析結(jié)果可知，柴油發(fā)電機(jī)連桿的最大應(yīng)力發(fā)生在連桿小端與桿身連接的過(guò)渡區(qū)域，最大應(yīng)力值是321.92。連桿的最大變形發(fā)生在整個(gè)小頭端上，其最大位移是0.10632。
連桿組件結(jié)構(gòu)示意圖
二、柴油發(fā)電機(jī)連桿的動(dòng)態(tài)分析
在ansys軟件中，本文使用默認(rèn)的blocklanceos法。根據(jù)分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)連桿的前3階模態(tài)頻率為零或接近于零。因前3階模態(tài)等于零或近似為零，說(shuō)明其為剛體模態(tài)，從第4階模態(tài)開始的分析計(jì)算結(jié)果才是有用的。第7階模態(tài)之后，模型的形狀發(fā)生了明顯的彎曲和扭曲變化，表明施加的頻率和模型產(chǎn)生了共振現(xiàn)象。
由以上的分析可知，每一階非零振型中連桿的變形都很大，尤其是大、小頭孔的變形，已經(jīng)變成了橢圓形。這將導(dǎo)致與其配合的零件之間發(fā)生嚴(yán)重的擠壓變形和嚴(yán)重磨損。最終會(huì)導(dǎo)致連桿軸頸相對(duì)于軸承，柴油發(fā)電機(jī)活塞相對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)氣缸發(fā)生歪斜，引起連桿疲勞破環(huán)。
三、柴油發(fā)電機(jī)連桿的優(yōu)化分析
1、 連桿設(shè)計(jì)變量的參數(shù)化
（1）根據(jù)前面連桿的靜態(tài)研究和模態(tài)研究結(jié)果，選取可優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量如表1。
（2）確定連桿優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，假設(shè)柴油發(fā)電機(jī)連桿的密度是十分均勻的，選取連桿質(zhì)量作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。
（3）進(jìn)行優(yōu)化迭代，根據(jù)計(jì)算機(jī)軟件與硬件和可能得到的優(yōu)化結(jié)果綜合分析選取迭代次數(shù)為30次。
2、優(yōu)化結(jié)果的分析
本文將連桿質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)實(shí)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，比較三種最優(yōu)結(jié)果的質(zhì)量。僅通過(guò)比較連桿的質(zhì)量可以得出，第一組的質(zhì)量是最小的，比二組少2.13%，比第三組少3.87%。第一組結(jié)果顯示，其最大應(yīng)力為437.6mpa，最大變形量為0.15958mm，最大變形量非常接近設(shè)置的變形量的上限。而第二組結(jié)果顯示，其最大應(yīng)力為382.15mpa，最大變形量為0.15008mm。第三組數(shù)據(jù)質(zhì)量與第一二組相差太大直接舍棄。因此，選取第二組作為最終優(yōu)化分析的結(jié)果，優(yōu)化后，連桿的質(zhì)量減輕了9.0%。
比較選取的優(yōu)化結(jié)果，柴油發(fā)電機(jī)連桿的最大應(yīng)力值為454.37，最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值。其最大變形量為0.1425，小于約束變形量0.16。所以連桿強(qiáng)度滿足要求。雖質(zhì)量減輕，但其局部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度卻得到了優(yōu)化。
本論文主要對(duì)柴油發(fā)電機(jī)連桿進(jìn)行了靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。主要過(guò)程為計(jì)算連桿的運(yùn)動(dòng)和受力特性，用建成連桿實(shí)體模型，將其導(dǎo)入workbench中實(shí)行靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性分析研究。通過(guò)確保柴油發(fā)電機(jī)連桿有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)變形量的條件下，使連桿的質(zhì)量減輕了9.0%，且形狀得到了優(yōu)化。

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