摘 要

连杆机构在生活中处处都能发现它的身影，作为一个结构简单，作用巨大的部件，我们有必要对其进行深入研究，让它发挥出更为巨大的作用。本文选择了一款型号为R175的单缸四冲程发动机内的连杆作为研究对象，发动机在工作时连杆处在载荷巨大、高温高压的恶劣的工作环境中，因此选择发动机连杆进行研究显得意义重大。

本文利用UG对所要研究的发动机部件进行建模，并将所有模型装配好后导出成x_t文件的形式以便于后续的分析研究。

接着将模型导入ADAMS分析软件，用ADAMS进行连杆等关键部件的运动学分析，得到了诸多关键部件运动参数的随时间变化图像，有助于深入了解发动机工作时的状态，也为接下来求连杆在两个极限工况下的受力作铺垫。

然后求出连杆部件在极端工况下的受力，并将模型导入ANSYS进行材料设置、画网格、固定等工作，再对模型进行加载，进行了两大类、四小类情况的静强度分析，从分析结果中找到了此发动机连杆存在的不足之处：存在较为严重的应力集中现象。

最后针对连杆部件存在的应力集中问题从三个角度进行了优化设计不仅有效减小了此连杆存在的问题，而且提出了让连杆结构更为合理的方案。

关键词：连杆；ADAMS；ANSYS；静强度分析；优化设计

Kinematics Analysis of Linkage Mechanism Based on ADAMS

ABSTRACT

Connecting rod mechanism can be found everywhere in life. As a simple and powerful component, it is necessary for us to study it deeply and make it play a greater role. This paper chooses a single cylinder four-stroke engine with R175 as the research object. When the engine works, the connecting rod is in the harsh working environment with large load and high temperature and high pressure. Therefore, it is of great significance to select the connecting rod of the engine for research.

In this paper, UG is used to model the engine components to be studied, and all the models are assembled and exported to the form of x_t file for subsequent analysis and research.

Then the model is imported into ADAMS analysis software, and the kinematics analysis of key components such as connecting rod is carried out by ADAMS. The time-varying images of the movement parameters of many key components are obtained, which helps to understand the working state of the engine in depth, and paves the way for the next calculation of the force of connecting rod under two extreme conditions.

Then, the stress of connecting rod components under extreme conditions is calculated, and the model is imported into ANSYS for material setting, meshing and fixing. Then, the model is loaded and the static strength analysis is carried out in two or four categories. From the analysis results, the shortcomings of this engine connecting rod are found: there is a serious phenomenon of stress concentration.

Finally, aiming at the problems existing in the connecting rod components, the optimization design is carried out from three angles, which not only effectively reduces the problems existing in the connecting rod, but also puts forward a more reasonable scheme to make the connecting rod structure.

Key words：Connecting rod； ADAMS；ANSYS；Static Strength Analysis ；optimal design

目 录

1绪论 1

1.1课题的研究背景及意义 1

1.2国内外研究状况综述 1

1.3论文的研究内容 2

2曲轴连杆机构的建模与分析 4

2.1所选发动机的介绍 4

2.2基于UniGraphics的主要部件参数化建模 5

2.2.1建模软件UniGraphics介绍 5

2.2.2曲轴连杆机构的模型分析与简化 6

2.3各部件三维模型图及相关参数 7

2.3.1部件三维模型图 7

2.3.2部件相关参数 9

3基于ADAMS的运动学分析 10

3.1多体系统动力学理论与ADAMS软件 10

3.1.1多体系统动力学理论 10

3.2 ADAMS软件介绍 10

3.3曲轴连杆机构多刚体动力学模型的建立 11

3.3.1模型导入仿真环境 11

3.3.2添加零件材料属性 12

3.3.3创建运动副和约束 12

3.3.4施加作用力和转矩 14

3.3.5样机的检查 15

3.4曲轴连杆机构的运动分析 16

3.4.1活塞运动的位移、速度以及加速度 17

3.4.2连杆运动的角位移、角速度和角加速度 19

3.4.2.1连杆运动角位移 20

3.4.2.2连杆运动角速度 21

3.4.2.3连杆运动角加速度 22

3.4.3曲轴运动 23

4基于ADAMS的动力学分析 24

4.1连杆受力分析 24

4.1.1气体压力的计算 24

4.1.2往复惯性力的计算 25

4.1.2.1连杆组往复惯性力的计算 25

4.1.2.2活塞组往复惯性力的计算 28

4.1.3离心惯性力的计算 28

4.2连杆在拉压工况下受力分析 28

4.2.1最大拉伸工况下受力 29

4.2.2最大压缩工况下受力 29

4.2.3连杆受力仿真结果 30

5连杆的静强度分析 31

5.1ANSYS软件介绍 31

5.2发动机连杆部件的有限元分析 31

5.2.1连杆模型的导入及材料属性设置 32

5.2.2连杆网格的划分 33

5.2.3施加载荷 34

5.2.4计算及分析 35

5.2.4.1最大拉伸工况下的结果及分析 35

5.2.4.2最大压缩工况下的结果及分析 38

5.2.4.3两种情况下综合分析对比 41

6连杆的优化设计分析 42

6.1连杆的优化改进方案 42

6.1.1采用力学性能更好的材料 42

6.1.2优化连杆结构 43

6.1.3轻量化设计 46

7总结、创新点与展望 50

7.1结论 50

7.2创新点 51

7.3展望 51

致谢 52

参考文献 53

绪论

1.1课题的研究背景及意义

内燃机在十九世纪中期开始就在人类社会中扮演着极为重要的作用，即使在今天，其作用也体现在生活中的方方面面。连杆作为发动机中极为重要的部件，且发动机在运转过程中处在高温高压、受力复杂的环境下，常常有因发动机连杆质量不过关而发生弯曲、疲劳断裂等轻则致使发动机报废，重则造成人身财产安全事故。连杆的结构与强度直接影响发动机整个机器的工作性能，随着科技进步，发动机功率进一步增大，为了更为安全可靠有效地保持发动机的运作，如何合理地提高连杆强度和进行连杆部件的强度校核和可靠性分析是人们一直在进行的工作，找到一种结构可靠，强度高的设计方案是诸多研究人员一直以来的目标。

1.2国内外研究状况综述

近年来国内外对连杆机构的相关研究十分广泛，涉及到了生活的方方面面。

发动机是所有机器的心脏，里面的连杆机构非常重要，对此的相关研究也非常火热。例如，西华大学利用UG和ADAMS软件，利用发动机曲轴连杆机构的虚拟样机，将曲轴连杆机构进行多体动力学模型，从而得到了发动机曲轴连杆机构的各个部件运动曲线图像及活塞动力学特征数据曲线，为后续引擎的噪音和振动分析和预测，提供了更正确的约束条件^[1]。中北大学的吴迪同学利用三维设计软件Pro/E对某6V150柴油机曲柄连杆机构系统进行了结构设计及模具系统结构设计，在ADAMS/View环境下，设置了曲轴、活塞、活塞模型，通过对活塞部件的运动学分析，提高了引擎研究的效率和水平。为更加细致的研究提供了可靠的基础^[2]。浙江树人大学以ADAMS动态学仿真为平台，为单缸内燃机曲柄连杆机构的动力分析建立了准确的模型，研究曲柄机关的惯性力是引起机体振动的关键所在。据研究结果显示，曲轴的质量特性参数的变化对发动机平衡和振动产生了很大的影响，为了准确地得到了机构的运动和动力的变数，他们参考了机构的线性分析和优化设计^[3]。对于双对置柴油发动机，因为其节能、高效的特点而受到汽车制造商的青睐。为了更好地研究其性能,西安理工大学以ADAMS软件作为虚拟样机设计平台，对双对置发动机的曲柄连杆机构进行建模与运动学仿真，为后续的优化设计奠定了基础^[4]