摘 要

连杆是柴油机的重要构件和主要运动件，其结构形状和受载情况都很复杂。连杆的可靠性和寿命在很大程度上影响着柴油机的可靠性和寿命。对连杆进行的结构分析，国内外已有大量的文献。有限元法是计算力学各种方法中影响最大、应用最广泛的一种数值计算方法。

有限元分析是现代工程设计中一种快捷有效地辅助工具。将有限元技术应用于柴油机连杆的结构分析和设计，提出改进意见，使连杆结构能够满足强度和刚度要求，已经成为柴油机设计的重要组成部分。
　　本文是基于ANSYS软件来对柴油机连杆进行分析，基于有限元法，研究了精细接触设置条件下柴油机连杆组合结构接触动力响应分析方法，为连杆结构设计与优化提供参考。与传统的计算相比，借助于计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。探讨在精细接触设置条件下、受动载作用时的连杆组零部件的应力与变形分布规律，分析柴油机连杆在动载荷下的应力变化情况。连杆疲劳寿命预测载荷谱的建立提供数据支撑。对零件的设计和优化有很大的参考作用。
　　正是因为上述优点，我在本设计中运用AUTO-CAD以及PROE来建立三维模型。再将此模型导入ANSYS软件来对其进行分析。

关键词：连杆，有限元分析，ANSYS，动力响应分析

Abstract

The connecting rod is one of the important transmission parts of the internal-combustion engine.  Its structure and shape and the loading conditions are very complicated. Link reliability and lifetime significantly affect the reliability and life of the diesel engine. Structural analysis carried out on the rod, has a large number of domestic and foreign literature. Finite element method is a computational mechanics greatest impact various methods, the most widely used numerical method.

Finite element analysis is a fast and modern engineering design effectively aids. it has becomes an important part of diesel engine design to use the finite element technique applied to diesel engine connecting rod structural analysis and design, and then suggest improvements, so that the link structure can meet the requirements of strength and stiffness.

This article is based on the diesel engine connecting rod ANSYS software to the finite element method to study the fine under the conditions of diesel engine connecting rod disposed in contact with the contact assembly structure dynamic response analysis method for the design and optimization of link structure to provide a reference. Compared with traditional computing, by means of computer finite element analysis method can be faster and more accurate results. Set the correct model, dividing the appropriate grid and set a reasonable solution process analysis model can accurately obtain all parts of the stress and deformation results. Explore the fine touch to set conditions under dynamic load components when linkage group distribution of stress and deformation analysis engine connecting rod under stress in dynamic load changes. Rod load spectrum fatigue life prediction establishment to provide data support. It is a great reference On the part of the design and optimization.

It is because of these advantages, the use of this design in my AUTO-CAD and PROE to create 3D models. Then put this model into ANSYS software to analyze them.

Keywords: Connecting Rod; Finite Element Analysis; ANSYS; Dynamic Response Analysis

目 录

第一章 前 言 1

1.1研究背景和意义 1

1.1.1 连杆的工作环境及研究意义 1

1.1.2有限元的定义及其特点 1

1.2连杆有限元分析国内外研究现状 2

1.2.1传统研究方法 2

1.2.2现代研究方法 2

1.3课题研究思路及其内容 3

第二章ANSYS分析的理论基础 4

2.1连杆动力响应分析的理论基础 4

2.1.1动力学计算理论与公式 4

2.1.2瞬态动力学分析法 5

2.2柴油机连杆的静态分析 5

2.3柴油机连杆的动态分析 5

2.4ANSYS有限元分析的基本过程 6

2.4.1建立几何实体模型 6

2.4.2设置单元属性 6

2.4.3网格划分 6

2.4.4施加载荷 6

2.4.5施加约束 6

2.4.6定义求解控制 6

2.4.7求解并查看结果 6

第三章 连杆组件的有限元计算 7

3.1有限元法在柴油机结构分析中的应用 7

3.1.1有限元方法的优点 7

3.1.2 ANSYS软件提供的分析类型 7

3.1.3应力、应变问题有限元法的基本原理 8

3.2连杆组件三维实体模型的建立 11

3.3 连杆组件有限元模型的建立 12

3.3.1将连杆的实体模型导入ANSYS中 13

3.3.2定义连杆的单元属性 13

3.3.3定义连杆的材料等属性 14

3.3.4连杆的网格划分 15

第四章 连杆的模态分析 17

4.1 ANSYS模态分析理论 17

4.1.1模态分析概论 17

4.1.2模态分析的优点 17

4.2 ANSYS求解计算 17

4.2.1连杆有限元模型的建立 17

4.2.2对连杆施加约束 17

4.2.3对连杆施加载荷 18

4.2.4求解计算 18

4.3模态求解计算 19

4.3.1分析类型的设定 19

4.3.2求选择模态提取方法 20

4.3.3求解 20

4.3.4查看结果 20

4.4总结 23

第五章 连杆动力响应分析 24

5.1瞬态动力学分析 24

5.1.1瞬态动力学分析的方法 24

5.1.2分析方法及步骤 24

5.2连杆动态载荷的计算 24

5.2.1计算相关公式 25

5.3连杆有限元模型的建立 25

5.3.1连杆初始条件的设置和网格划分 26

5.4施加约束与载荷 27

5.4.1施加位移约束 27

5.4.2定义载荷步 27

5.4.3施加载荷 29

5.5设置求解器 31

5.5.1指定分析类型 31

5.5.2设定瞬态分析选项 32

5.6求解计算 33

5.7进入时间历程后处理器查看结果 34

5.7.1连杆变形变形图 34

5.7.2应力云图 35

5.7.3绘制时间历程变量曲线 36

5.8总结 39

第六章 展望 40

致谢 41

参考文献 42

第一章 前 言

1.1研究背景和意义

1.1.1 连杆的工作环境及研究意义

零部件的疲劳断裂，很大一部分原因是由于，大部分机械零部件在工作过程中均承受着大小或方向随时间做有规律或无规律变化的动载荷的作用，不断变化循环的动载荷导致零部件材料产生循环塑性变形以至于萌生裂纹，载荷的反复变化会加速零部件裂纹的扩展，在工程机械中，普遍存在着极其严重的疲劳失效问题。

连杆是发动机的一个重要组成部分，工作中经受拉伸，压缩和弯曲等交变载荷的作用，在机体中做复杂的平面运动，这些作用力的大小或方向周期性地变化，则会导致连杆的疲劳。传统设计方法使用的材料力学公式很难计算出这种复杂构件的应力和变形状态，有限元法以其独特的特点，能够对结构形状和受载情况复杂的构件进行分析。为了能在设计阶段对连杆结构进行优化改进，有必要对连杆进行结构分析，国内外已有大量的文献研究探讨这方面的问题，而单纯的静强度分析已经不能满足设计要求，连杆有限元分析的精细化是连杆结构分析的主要发展方向。本文在瞬态动力学理论的基础上，分别对某型柴油机连杆进行有限元模态分析、动力响应分析，探索连杆组零部件动态响应分析的应力与变形分布规律，为连杆结构设计及改进提供参考。

相比较于经典力学的研究方法对连杆进行结构分析的局限性，有限元分析能考虑到由于连杆几何形状的差异性和受载的复杂性，与实际情况相比，利用其计算分析得到的应力和变形结果相对来说更接近。