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基于ANSYS的连杆模态特性分析


第 4 期 ( 总第 143 期) 2007 年 8 月

机械工程与自动化 M ECHA N ICAL  EN GI NEER IN G & AU T O M A T IO N

No. 4 A ug .

文章编号: 16726413( 2007) 04-003903

基于 AN SYS

的连杆模态特性分析
代伟峰, 樊文欣, 程志军
( 中北大学 振动与噪声研究所, 山西 太原 030051) 摘要: 用有限元软件 A NSY S 对某军用发动 机连杆进行了动态特性分析, 通过计算得出了 该连杆的模态分布情 况 以及每一模态下的振型, 指出了连杆的薄弱环节, 为今后设计高性能的发动机连杆提供了参考。 关 键词: 有 限元分析; 连杆; 动态特性 中 图分类号: T P273∶ T H 133. 5   文献标识码 : A

0 引言 随着大型有限元软件的出现以及计算机技术的发 展, 使得用现代设计理论和方法对发动机的各个构件 进行设计研究越来越频繁。连杆作为内燃机结构中的 一个重要构件, 其使用可靠性对整个发动机的可靠性 有着决定性的影响。传统的连杆设计基本上为静态设 计, 而对连杆的动态特性很少涉及。但随着发动机的 高速化和大功率化, 静态设计越来越不能满足需要, 往 往在进行静态强度校核以及有限元静态计算时, 认为 强度足够, 而在多次使用中却发现连杆上出现裂纹这 一致命的损坏现象。因此, 用现代设计方法进行连杆 的动态特性研究已经成为连杆设计中的重要环节。 1 连杆模态的有限元模型 1. 1 振动原理 有限元法就是对连续体进行合理的离散化, 使连 续体转换成由 m 个节点、 个单元构成的网格结构。 由 n 振动学理论可知, 离散后的连杆结构系统的动力学微 分方程为: b a M D+ CD+ K D= F( t ) 。 …………………… ( 1) 式中:  D —— 振动位移;  M—— 连杆体质量;  C —— 阻尼系数;  K —— 刚度系数; F ( t)—— 外加载荷。 若 C = 0, F ( t) = 0, 便得到结构的无阻尼自由振动 方程。对于连杆体的模态计算来说, 阻尼对结构的固 有频率和振型的影响很小, 因此式( 1) 可变为: b M D+ K D= 0 。……………………………… ( 2) 这 是一个二阶常系数线性齐次微分方程, 因为
收稿日期: 2006-11-30; 修回日期: 2007-02-28 作者简介: 代伟峰( 1984-) , 女, 湖北荆州人, 硕士研究生。

K ( 为特征值) , 又因为K = M K j X( X 为圆频率) , 由此可导出连杆结构的固有频率与 振型的特征方程为: 2 K - X M 5 = 0 。 …………………………… ( 3) 2 式中: 5 —— 特征矢量, 即结构的正则化振型, 5 = j 。 本文采用了算法稳定、易于充分使用计算机内存 的子空间迭代法求解其特征值。 1. 2 有限元网格模型 有限元网格模型的建立是用有限元计算分析问题 的先决条件, 结果的可靠与否主要取决于计算的数学模 型是否与实际结构相符合。 连杆是相对不规则的空间结 构, 用平面单元或梁单元很难模拟其实际结构。 另外, 在 模态分析时也不能象静态计算那样只取连杆的一个对 称部分。 因此, 本文采用 CAD 软件 So lidWor ks 建立连 杆体的三维模型, 通过 PAT A 导入 ANSYS 有限元分 析软件。 在对模型进行网格划分时采用 8 节点四面体单 元, 该发动机连杆共分为了64 813个单元、15 428个节 点, 图 1 为发动机连杆的三维网格模型。 坐标系取沿连 杆的长度方向为 y 轴, 连杆小头圆孔的中心线方向为 z 轴, x 轴由右手定则确定。 2 有限元计算结果与分析 利用上面建立的三维有限元网格模型对此发动机 连杆进行了动态特性分析, 分析截止频率采用默认形 式。截取了连杆的 20 阶模态, 其结果见表 1。 由计算结果可以看出, 该连杆的模态比较密集, 在 300Hz ~ 1 500Hz 之 间 有 9 阶 模 态。除 了 400Hz ~ 500Hz、 700Hz~800Hz、 900Hz~1 000Hz、 200Hz~ 1 1 300Hz、1 900Hz~2 000H z 之外的每 100 频段内都
2 = MK - K = 0, 所以 K ±

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 机 械 工 程 与 自 动 化                2007 年第 4 期 

有 1 阶模态, 而在1 000Hz~2 500Hz 之间的模态主要 分布在1 300Hz~1 900Hz 频段内, 共有 6 阶模态。并 且相邻阶模态相差不是很大。连杆受力复杂, 既有螺 栓装配预紧力、连杆轴瓦装配时产生的预紧力以及连 杆衬套过盈装配产生的预紧力, 又有活塞、曲轴以及 自身的惯性力, 还有活塞传递的缸内气体的爆发压力。 惯性力变化与发动机的转速有关, 其频率通常是发动 机基频的谐次, 而气缸的爆发压力在某种程度上可以 看作脉冲激励, 其频率范围很错。 由计算结果可知, 在 发动机工作过程中由于连杆模态密集, 很容易发生共 振响应, 从而引起连杆的动应力过大, 以至于出现疲 劳裂纹。前 4 阶模态, 频率相对较低, 而发动机在低
阶数 1 2 3 4 计算值 380. 6 575. 2 613. 4 860. 8 阶数 5 6 7 8 计算值 1 115. 8 1 190. 2 1 381. 1 1 406. 3 阶数 9 10 11 12

频段内的激励也较大, 所以极易引起较大的动态响应。 相邻的两阶模态频率相差小, 易引起相邻模态的耦合 振动。

图 1 发动机连杆的三维网格模型

表 1 连杆的计算固 有频率
计算值 1 593. 9 1 635. 8 1 783. 2 1 865. 4 阶数 13 14 15 16 计算值 2 033. 1 2 067. 4 2 155. 2 2 178. 4 阶数 17 18 19 20

Hz
计算值 2 230. 7 2 330. 6 2 384. 7 2 445. 2

  振型反映了在某阶模态下结构各个部位之间位移 的相对值。 从振型图上可以找出在该阶振动模态下, 结 构振动响应的表现形态 ( 弯曲变形、扭转变形或者弯 曲扭转的复合变形等) , 同时也能发现振动时节点的位 置。节点一般情况下也是在结构动态响应时易于产生 破坏的部位。通过对发动机的工作特性分析可知, 高 频激励所引起的结构响应一般较小, 对连杆的工作可 靠性影响不严重。 因此, 本文主要对连杆1 700Hz以下 的 10 阶振型进行了分析, 图 2~图 9 为连杆的第 1 阶 至第 8 阶振型图。

第 7 阶为连杆的弯扭复合振动。在所有的整体振型下, 连杆的大、 小头圆孔都存在失圆现象。孔的失圆会使大 头与曲轴连杆轴颈、 小头与活塞销失去正常配合, 导致 常见的抱瓦、 烧瓦、 减磨材料疲劳脱落等一系列故障。 连 杆的弯曲振动会使活塞相对于气套、 轴颈相对于轴承发 生歪斜, 产生附加应力, 引起裂纹和损坏。

图 5 连杆的第 4 阶振型

图 2 连杆的第 1 阶振型

图 6 连杆的第 5 阶振型

图 3 连杆的第 2 阶振型

图 4 连杆的第 3 阶振型

从以上振型图中可以看出, 在 1 700Hz 以下的前 8 阶模态内, 连杆的振动形式多样, 集中表现为弯曲振动。 第 1 阶、第 4 阶为绕 x 轴的弯曲振动; 第 3 阶、第 6 阶 为绕 z 轴的弯曲振动; 第 2 阶为绕 y 轴的弯曲振动; 第 5 阶、 8 阶模态为对应于第 1 阶、 4 阶的扭转振动; 第 第

由振型图还可知, 弯曲振动和弯扭复合振动时, 连 杆的结构形状变化最大, 而且有显著的节点位置。第 1 阶、第 2 阶、第 3 阶弯曲振型的节点在连杆的中部; 第 4 阶弯曲振型的节点靠近小头部位; 第 5 阶弯扭复 合振型的节点位置与第 6 阶弯曲振型的节点位置基本 相同, 节点位置有 2 个, 分别在连杆杆身与连杆小头 结合部分和连杆杆身与大头结合部分; 第 7 阶、 8 阶 第 弯扭复合振动时节点在杆身中间, 出现应力集中。所 以, 在对连杆进行设计时, 不仅要考虑杆身与大、小 头的连接部位应力集中的影响, 更要考虑杆身的中间 部位及连杆动态特性对其疲劳强度的影响。 3 结论 ( 1) 用有限元计算法对连杆进行动态特性分析是

 2007 年第 4 期                 机 械 工 程 与 自 动 化 

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行之有效的。

图 7 连杆的第 6 阶振型

展, 是对连杆结构进行合理设计、提高其使用可靠性 的重要手段。 ( 3) 连杆的动态设计不 仅要满足连杆自身的 需 要, 还应与曲轴和机体 3 者所组成的激励传递系统的 动态特性有机地结合起来统一考虑。 ( 4) 连杆的应力集中一般在大、 小头连接部位, 但 杆身的中部应力集中现象也较明显, 因此应改变传统 的设计观念, 在设计时充分考虑连杆的中部。 ( 5) 因弯曲振动易产生裂纹, 因此在设计时应充 分考虑, 避免产生过多的弯曲振动, 减少疲劳损伤, 以 提高连杆的使用寿命。
参考文献: [ 1]  王勖成, 邵敏. 有限元基本原理与 数值算法[ M ] . 北京: 清 华大学出版社, 1988. [ 2]  韩松涛, 郝志勇. 4108Q 型柴油机连杆的模态 特性有限元 分析[ J ] . 车辆与动力技术, 2000( 4) : 37-39. [ 3]  张朝 晖. A N SY S8. 0 结构分 析及实例 解析[ M ] . 北京: 机 械工业出版社, 2005.

图 8 连杆的第 7 阶振型

图 9 连杆的第 8 阶振型

( 2) 连杆的动态特性分析是静态设计的补充和发

Modal Analysis of Diesel Engine Connecting Rod Based on ANSYS
DAI Wei-feng, FAN Wenxin, CHENG Zhi-jun
( Ins tit ut e of V ibrat ion Sh ock & N oise, N ort h U niver sit y of China, Taiyuan 030051, C hina)

Abstract: In this pa per , the dynamic char acterist ic of the connecting r od of the diesel engine is analyzed by use of A NSY S. T hro ugh analy sis, the m odes of vibration are kno w n. T he paper points out the vulner able spo ts of the co nnecting r o d. T he r eferences ar e offer ed for the co nnecting r od desig n in the fut ur e. Key words: finite element analy sis ; co nnecting ro d; dy namic cha racter istic

( 上接第 38 页) 3 总结 通 过 优化 设 计, 悬 臂 托 架 的体 积 由 117 289. 46 3 3 mm 变为70 465. 85mm , 重量减轻了0. 365 2kg , 即减 轻了 40% 。 固有频率从改造前的 417Hz 变为优化设计 后的 332. 97Hz, 远离了共振点。稳定受力中最大形变 点的形变为 0. 06mm , 很好地满足了改造要求。 可 以看 出, COSM OSWo rks 的 快速 有 限 元算 法 ( F FE ) 是工程设计分析人员结构分析的利器。该算法 中的图形化操作界面可使您直观地划分网格单元、 定 义边界载荷条件及快速地求解计算结果, 其分析结果

与实际试验结果十分相近。利用该算法可以大大地提 高工程设计人员的工作效率, 达到事半功倍的效果。
参考文献: [ 1]  濮良 贵, 纪名 刚. 机械 设计 [ M ] . 北 京: 高等 教育 出版 社, 2001. [ 2]  刘鸿文. 材料力学[ M ] . 北京: 高等教育出版社, 1992. [ 3]  杨宗明. 基 于 CAE 技术的优 化方法及 其应用[ J] . 机械设 计与制造, 2004( 4) : 5-6. [ 4]  金志宇. 基于 CO SM O SWo rks 的 压路机振 动轴优化 设计 [ J ] . 机械工程师, 2006( 5) : 111112.

Optimum Design of Cantilever Bracket by Using COSMOSWorks
QIU Chao, HE Wenping
( Henan U nivers it y of Technol ogy, Zhengzh ou 450007, Ch ina)

Abstract: It is mo re co nv enient and efficient to do an o ptimum desig n of the cantilever bracket str uct ur e used in pr oduction line by using finite element analysis soft war e COSM OSW or ks . Hopefully this paper w ill give a r eference to t he o ptimum design . Key words: cant ilev er br acket ; CO SM OSW or ks ; o ptimum desig n


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