柴油發電機連桿的動態和靜態強度分析
摘 要：連桿作為柴油發電機的主要傳遞動力的構件，承受著由活塞傳遞的周期性變化的氣體壓力作用，工作環境極其惡劣，因而其結構非常容易損壞。文中通過傳統的方法得出連桿的受力大小、方向與運動情況，并求解出了靜態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力與變形情況，為其優化分析打好了基礎。最后采用結構優化的方法對連桿進行了優化設計。
連桿是柴油發電機中最為關鍵的機構，對柴油發電機的發展有著非常之大的影響。本文借助于有限元軟件極強的計算能力和功能，仿真分析柴油發電機連桿的靜強度和其動態運動特性，對最大應力值和最大變形量為約束條件對連桿的形狀進行優化分析，從而實現合理優化。
一、柴油發電機連桿的靜態強度分析
連桿三維模型的建立以及有限元模型的處理
本文對連桿大小頭孔最大拉、壓受力按照180°范圍余弦規律處理。壓力按照余弦規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律。
經分析計算，得出連桿大頭端的應力和變形分布。
由以上分析結果可知，連桿的最大應力出現在連桿大頭孔橫截面的左右兩側邊緣部位，最大應力值是237.11。連桿最大變形出現在連桿大頭端頂部區域，最大位移量是0.12416。
由以上分析結果可知，在約束住柴油發電機連桿的大端，使柴油發電機連桿小端的受到拉力的情況中，連桿的最大應力出現在柴油發電機連桿小頭端潤滑油孔位置，最大應力值是342.58。連桿的最大變形發生在小端頂部區域，最大位移是0.11541。
由以上分析結果可知，柴油發電機連桿的最大應力發生在連桿小端與桿身連接的過渡區域，最大應力值是321.92。連桿的最大變形發生在整個小頭端上，其最大位移是0.10632。
連桿組件結構示意圖
二、柴油發電機連桿的動態分析
在ansys軟件中，本文使用默認的blocklanceos法。根據分析計算，發現柴油發電機連桿的前3階模態頻率為零或接近于零。因前3階模態等于零或近似為零，說明其為剛體模態，從第4階模態開始的分析計算結果才是有用的。第7階模態之后，模型的形狀發生了明顯的彎曲和扭曲變化，表明施加的頻率和模型產生了共振現象。
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，已經變成了橢圓形。這將導致與其配合的零件之間發生嚴重的擠壓變形和嚴重磨損。最終會導致連桿軸頸相對于軸承，柴油發電機活塞相對于柴油發電機氣缸發生歪斜，引起連桿疲勞破環。
三、柴油發電機連桿的優化分析
1、 連桿設計變量的參數化
（1）根據前面連桿的靜態研究和模態研究結果，選取可優化的設計變量如表1。
（2）確定連桿優化的目標函數，假設柴油發電機連桿的密度是十分均勻的，選取連桿質量作為優化設計的目標函數。
（3）進行優化迭代，根據計算機軟件與硬件和可能得到的優化結果綜合分析選取迭代次數為30次。
2、優化結果的分析
本文將連桿質量作為目標函數實行優化設計，比較三種最優結果的質量。僅通過比較連桿的質量可以得出，第一組的質量是最小的，比二組少2.13%，比第三組少3.87%。第一組結果顯示，其最大應力為437.6mpa，最大變形量為0.15958mm，最大變形量非常接近設置的變形量的上限。而第二組結果顯示，其最大應力為382.15mpa，最大變形量為0.15008mm。第三組數據質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化分析的結果，優化后，連桿的質量減輕了9.0%。
比較選取的優化結果，柴油發電機連桿的最大應力值為454.37，最大應力值遠小于許用應力值。其最大變形量為0.1425，小于約束變形量0.16。所以連桿強度滿足要求。雖質量減輕，但其局部的結構強度卻得到了優化。
本論文主要對柴油發電機連桿進行了靜態特性、動態特性和優化設計的研究。主要過程為計算連桿的運動和受力特性，用建成連桿實體模型，將其導入workbench中實行靜態與動態特性分析研究。通過確保柴油發電機連桿有足夠的強度和適當變形量的條件下，使連桿的質量減輕了9.0%，且形狀得到了優化。

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