基于ANSYS的汽车发动机连杆的有限元分析
有限元分析基础教程
有限元分析基础教程前言有限元分析已经在教学、科研以及工程应用中成为重要而又普及的数值分析方法和工具；该基础教程力求提供具备现代特色的实用教程。
在教材的内容体系上综合考虑有限元方法的力学分析原理、建模技巧、应用领域、软件平台、实例分析这几个方面，按照教科书的方式深入浅出地叙述有限元方法，并体现出有限元原理“在使用中学习，在学习中使用”的交互式特点，在介绍每一种单元的同时，提供完整的典型推导实例、MATLAB实际编程以及ANSYS应用数值算例，并且给出的各种类型的算例都具有较好的前后对应性，使学员在学习分析原理的同时，也进行实际编程和有限元分析软件的操作，经历实例建模、求解、分析和结果评判的全过程，在实践的基础上深刻理解和掌握有限元分析方法。
一本基础教材应该在培养学员掌握坚实的基础理论、系统的专业知识方面发挥作用，因此，教材不但要提供系统的、具有一定深度的基础理论，还要介绍相关的应用领域，以给学员进一步学习提供扩展空间，本教程正是按照这一思路进行设计的；全书的内容包括两个部分，共分9章；第一部分为有限元分析基本原理，包括第1章至第5章，内容有：绪论、有限元分析过程的概要、杆梁结构分析的有限元方法、连续体结构分析的有限元方法、有限元分析中的若干问题讨论；第二部分为有限元分析的典型应用领域，包括第6章至第9章，内容有：静力结构的有限元分析、结构振动的有限元分析、传热过程的有限元分析、弹塑性材料的有限元分析。
在基本原理方面，以基本变量、基本方程、求解原理、单元构建等一系列规范的方式进行介绍；在阐述有限元分析与应用方面，采用典型例题、MATLAB程序及算例、ANSYS算例的方式，以体现出分析建模的不同阶段和层次，引导学员领会有限元方法的实质，还提供有大量的练习题。
本教程的重点是强调有限元方法的实质理解和融会贯通，力求精而透，强调学员综合能力(掌握和应用有限元方法)的培养，为学员亲自参与建模、以及使用先进的有限元软件平台提供较好的素材；同时，给学员进一步学习提供新的空间。
基于ANSYS的车架有限元分析报告
汽车经过130多年的发展，安全与节能已成为汽车设计的重要容。
在汽车结构中，车架作为整车的基体和主要承载部件，具有支撑连接汽车各零部件和承受来自汽车、外各种载荷的作用，其结构性能直接关系到整车性能的好坏。
本文以某运油车车架为研究对象，运用CATIA软件对车架模型进行简化与建立，利用ANSYS软件对车架模型进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束，并对车架进行了弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，并分析位移与应力图，为汽车安全与节能设计提供了理论支持。
同时对车架也进行了模态分析，得出车架的固有频率与振型，提高整车设计水平，对避免共振与提高乘坐舒适性提供了理论基础。
关键字：车架,有限元，ANSYS, 静态分析，模态分析The automobile which has developed for 130 years, security and energy saving has become the leading content for automobile deign. Among the many complex structures in automobile, the frame of the vehicle is the basic part and the main bearing part. It has the function of connecting all parts of the vehicle together and subjecting various loads from inside and outside the vehicle. The performance of frame structure affects whether the automobile property is good or not.In this paper, the frame of a fuel tanker is studied. We simplify and establish the model of frame by CATIA. The parameter of the frame is defined. The model of frame is meshed by ANSYS. Add the force and freedom of the model of frame by ANSYS. The static analysis of the frame includes the situation of bending, torsion, barking and swerve by ANSYS. According to the figure of displacement and stress, it provide theoretical support for the automobile design of security and energy saving. At the same time, the modal analysis of the frame is also studied. Based on the frame of natural frequency and vibration mode, it provide theoretical basis for avoiding resonance and improving ride comfort and improve the level of vehicle design.Keywords: Frame, Finite element, ANSYS, Static analysis, Modal analysis目录1 绪论 (1)1.1 概述 (1)1.2 研究背景 (1)1.3 有限元法的应用与发展 (2)1.4 选题的目的与意义 (2)1.5 本文的主要研究容 (3)2 基于CATIA与ANSYS的车架有限元建模 (4)2.1 有限元法简介 (4)2.2 CATIA软件简介 (6)2.3 车架几何模型建立 (7)2.3.1车架几何模型简化 (7)2.3.2 车架几何模型建立 (7)2.4 车架有限元模型建立 (10)2.4.1 网格划分前处理 (10)2.4.2 车架有限元网格的划分 (10)3 车架有限元静态分析 (13)3.1 汽车车架刚度理论 (13)3.1.1 汽车车架弯曲刚度 (13)3.1.2 汽车车架扭转刚度 (13)3.2 车架载荷分类与处理 (13)3.2.1 静载荷 (13)3.2.2 动载荷 (14)3.3 车架工况的有限元分析 (14)3.3.1 满载弯曲工况 (14)3.3.2 满载扭转工况 (16)3.3.3 紧急制动工况 (18)3.3.4 紧急转弯工况 (19)4 车架有限元模态分析 (21)4.1 模态分析简介 (21)4.2 模态分析基本理论 (21)4.3 车架的模态分析 (22)4.4 车架模态分析结果评价 (27)结论 (29)致 (31)参考文献 (32)1 绪论1.1 概述最初汽车的发展，通常运用经验判断和试验仿真进行结构分析。
有限元分析实例
机械与动力工程学院
26
1.钢板弹簧的作用
承载
导向
减振
缓和冲击
国内外研究现状
钢板弹簧的垂直方向载荷的计算上常用计算方法：
三角形板法 :假设各弹簧片为一个整体的三角形板
国 内
板端接触法
:假设力在各片弹簧间的传递仅靠各片 端来完成
共同曲率法 :假定各片的弯曲具有共同的曲率
第二，在同一工况下，例如在标定功率工况下，当活 塞的活塞顶圆角半径的变化是5 mm , 6 mm , 3 mm , 2 mm时，活塞的最高温度变化为: 361.15℃~180.96℃ ,356.94℃~180.01℃, 369.78℃~182.24℃ , 373.88℃~183.7℃。这是因为当 活塞的活塞顶圆角半径变大时，燃烧室容积变大，压 缩比变小，活塞的整体温度降低了。当活塞的活塞顶 圆角半径变小时，燃烧室容积变小，压缩比变大，活 塞的整体温度升高了。所以在设计活塞的活塞顶圆角 时应在不影响其结构时尽可能的大一点。本文中活塞 顶圆角半径为6 mm的活塞是相对较好的。
满载应力分析（少片）
最大应力 =280.68MPa<材料许
用应力=1000MPa
结论
1.对板簧的结构与尺寸设计的强度方面的校核与有限元分析 表明校核的结果符合相关技术要求。
2.在相同条件以及同样寿命的前提下，使用少片变截面钢板 弹簧，重量大约比多片弹簧减少50%左右。
基于Workbench 对发动机活塞的温度场分析
有限元结课汇报
主讲人：尹振华
主 1、基于Workbench的曲柄连杆组动力学分析——
要 成
2、基于ANSYS刹车盘应力分析——
员 及
发动机连杆的有限元分析及结构优化
２３ 网格划分 ． 建 模 后须 对 模 型 进行 网格 划 分 。Ａ ＷＥ不 仅 具 有 功 能 强 大 的 网 格 划 分 工 具 ，还 能 进 行 智 能 化 网
格划 分 ，生 成 形 状 特 性 较 好 的单 元 来 保 证 网格 质 量 ，给 使 用 者 节 省 了大 量 的 时 间 和精 力 。一 般 情 况 下 ，采 用 默认 网格 控 制 即 可 。有 时 ，为 了获 得 高 质 量 的 网 格 ，也 可 通 过 一 定 的控 制 使 其 尽 量 符
３ 建 出连 杆 在 摆动 面 及 垂 直 摆 动 面 方 向 上 的截 面 ） 草 图 ，再 用 扫 略 命 令 切 出 圆弧 过 渡 区 。最 终 选 定
思 路 三 进 行 建 模 ，此 法 所 建 模 型 更接 近 实 物 ，且 所 需 指 定 的优 化 参 数 较 少 ，优 化 耗 时也 较 少 ，约
合 有 限 元 计 算 的 要 求 ，提 高计 算 精 度 。根 据 所 建 模 型 ，本 文 比较 了 四种 不 同 网格 尺 寸 对 计 算 结 果 的影 响 ，在 完全 采 用 默 认 控 制 的情 况 下 ，连 杆 上
图 １ 网格 划 分 后 的实 体 模 型
２４２约束处理 ．． 边 界 约 束 可 消除 整 体 模 型 的 刚性 位 移 和确 定
一
般 来 说 ，对 于 钢 、铜 、铝 等 塑 性 材 料 ，可
根 据第 四 强度理 论 ，选 用 Ｖ ｎＭｉ ｓ ｏ ｓ 等效 应力 进行 ｅ 强 度校 核 。
２４ Ａ 中的连杆边界处理 ． ＷＥ
２４１施 加载荷 ．．
１ ）在最 大 压 缩 工 况 下 ，应 力 集 中区 主 要分 布
连杆的有限元分析
目录第一章序言 (1)1.1课题研究的目的和意义 (1)1.2课题的分析 (1)1.3研究内容 (2)第二章有限元的基本原理及其应用 (4)2.1有限元分析概述 (4)2.2有限元分析的优缺点 (5)2.2.1有限元法的优点 (5)2.2.2有限元分析的缺点 (6)第三章连杆的工作条件及载荷的确定 (7)3.1.连杆的结构和布置 (7)3.2柴油机一般采用斜连杆的原因 (9)3.3连杆的工作条件及受力 (10)3.4连杆的材料及制造工艺 (11)第四章连杆的建模 (15)4.1SolidWorks软件介绍 (15)4.1.1概述 (15)4.1.2 SolidWorks软件的特点 (16)4.1.3 SolidWorks软件的应用 (17)4.2连杆模型的建立 (17)4.2.1创建连杆的几何模型 (18)4.2.2连杆的力学模型的建立 (32)第五章计算结果及其分析 (40)5.1最大拉伸情况的结果与分析 (40)5.1.1连杆受拉时应力结果 (40)5.1.2连杆受拉时应变结果 (41)5.1.3连杆受拉时位移结果 (43)5.2最大压缩情况的结果与分析 (44)5.2.1连杆受压时应力结果 (44)5.2.2连杆受压时应变结果 (45)5.2.3连杆受压时位移结果 (46)5.3分析总结 (46)引用文献 (49)附录(英文翻译) (51)第一章序言1.1课题研究的目的和意义连杆是发动机中传递动力的重要零件，它把活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动，并将作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。
连杆在工作过程中要承受装配载荷（包括轴瓦过盈及螺栓预紧力）和交变工作载荷（包括气体爆发压力及惯性力）的作用，工作条件比较苛刻。
现代汽车正向着环保节能方向发展，这就要求发动机连杆在满足强度和刚度的基础上，应具有尺寸小、重量轻的特点。
本文通过SolidWorks这个三维制图软件制作连杆的三维模型，然后通过COSMOSWorks软件，对连杆模型进行网格划分、加载和约束的处理，然后再进行计算分析，得出柴油机连杆在受拉和受压的两种工况下的应力、应变等分析结果。
基于ANSYS对发动机连杆的有限元分析
荷如 图 １ 所示 ， 假设 连 杆 的 轴孔 长 度 为 ２ Ｌ ， 接 触 角 为２ ｏ ｒ ， 内孑 Ｌ 半径为 ｒ ， 具 体计算 方法 如 下 ：
｛
状、 物 理 参 数 等 不 确 定 因 素存 在差 异 ， 即使 是 同一
类 型 的连 杆 所受 应 力 和应 变也 有 所 不 同 ．所 以 ． 在 进 行 发 动 机 连 杆 设 计 时 ．在 保 证 其 具 有 足 够 的 刚 度、 疲劳强度和稳定性的同时 。 还 需 要 尽 量 达 到 质
（ 甘 肃 蓝 科 石 化 高 新 装 备股 份有 限公 司 ． 甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ７ ０ ）
摘 要： 连 杆 是 发动 机 重要 组 成 部分 ， 因 其质 量 较 大 ， 受力复杂 ， 易 引起 连 杆 变形 而导 致 失 效 。针 对 这 一情 况 ， 在 合 理
简 化 模 型 的前 提下 ， 利用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ有 限元 软件 建 立 连 杆模 型 ， 在 满足 强 度 、 刚 度 和 稳定 性 的同 时 ， 将 优化 设 计 和 有 限元 计 算 相结 合 ， 建 立 以连 杆 的最 小 质 量为 目标 函数 的优 化 方 法 ， 对 连杆 进 行 结构 优 化分 析 。优 化 后 ， 连 杆质 量 、 最 大 应力
限元分 析 ． 并 且 和 真实 受 力情 况 相差 不 大 。在 柱 坐
连杆材 料 为 ４ ０ Ｃ ｒ ， 其 力学性 能见 表 １ ． 经查 阅文
最小 。 在 中间 附 近 速 度 最 大 ． 因 而使 活 塞 组 件 随活
ｌ ｑ ｒ ＝ ｑ Ｃ ｏ ｓ （ Ｋ ｙ ）
ｇ
式 中： Ｋ ＝ ９ ０ 。 ／ ０； ｄ ｓ ＝ ｒ ｄ ｙ ； ０＝ １ ２ ０ 。 ／ ２ 。
基于ANSYS汽车连杆的模态分析
基于ANSYS汽车连杆的模态分析摘要：振动现象是机械结构经常需要面对的问题之一。
由于振动会造成结构的共振或或疲劳，从而破坏结构。
所以必须了解结构固有的频率和振型，避免在实际工况中因振动因素造成结构的损坏。
模态分析主要研究结构或机器部件的结构特性，将得到结构的固有频率和振型，对复杂结构进行精确的模态分析，将为评价现有结构的特性特性、新产品和诊断动态性能的预估及优化设计，提供科学的依据。
关键词：ansys；汽车连杆；模态分析1引言汽车众所周知的最常用的交通工具之一，在整个汽车的复杂系统中，发动机就是其中最重要的之一，常常也称作汽车的心脏。
当汽车发动机工作时，活塞燃烧室产生的气体其爆炸力通过连杆传递给曲轴，曲轴带动飞轮转动从而将动力输出。
在这工作的过程中，发动机连杆在传递燃料爆炸作用力的同时也承受了最大最强烈的冲击力、动态应力，因此,连杆成为发动机动力学负荷最高的部件。
连杆是发动机传递力最重要的零部件之一，同时也肩负着传递力的方向的重任。
所以,汽车发动机连杆的质量和性能就直接关系到整个发动机工作的稳定性以及故障率。
利用有限元对汽车连杆零部件进行模态分析,有利于对连杆零部件更科学的使用。
2基本原理2.1ANSYS简介ANSYS软件是可以处理的分析类型：结构分析、热分析、电磁分析、流体分析、耦合场分析。
结构分析首先待求的自由度是位移，而其他量诸如应变、应力、反应力等均是通过位移值来得到的。
在ANSYS中，结构分析主要包括7种：静力分析、模态分析、谱分析、瞬态动力学分析、谐响应分析、特征屈服分析、专项分析。
而模态分析是本论文的着重应用，主要分析用于计算结构的自然频率和振型，用于解决实际生活中的机械振动。
2.2ANSYS模态分析简介结构动力学分析不同于静力学分析，常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响，同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用效果。
模态分析是动力学分析功能的一种。
动力学分析是用来确定质量（惯性）和阻尼起重要作用的结构和构件动力学特性的技术。
基于ANSYS的汽车发动机连杆性能分析
基于ANSYS的汽车发动机连杆性能分析作者：王鹏飞来源：《山东工业技术》2019年第11期摘要：本文用ANSYS软件对汽车发动机连杆进行了静力学分析和模态分析，建立了发动机连杆性能分析模型。
通过静力学分析，建立了发动机连杆的力学性能模型，得出了连杆总变形、定向变形、等效应力以及等效弹性应变分布情况。
通过模态分析，得出了发动机连杆模型的模态分布情况以及每一模态下的模态振型。
最后，综合得出了连杆的易变形位置，并提出了相应的防治措施，为高性能连杆的设计提供改良依据。
关键词：发动机连杆；ANSYS；有限元；静力学分析；模态分析DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2019.11.0030 引言汽车发动机连杆是发动机的重要零部件之一，它的性能影响着发动机整体结构的运动可靠性和工作稳定性。
发动机连杆的作用是把活塞与曲轴连接起来，把作用在活塞上的力传递给曲轴，使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动[2]，从而对外输出做功。
发动机连杆由大头、小头和杆身三部分构成。
与活塞销连接的部分称连杆小头，连杆小头与活塞一起做往复运动；与曲轴连接的部分称连杆大头，连杆大头与曲轴一起做旋转运动；连接小头与大头的杆部称连杆杆身。
发动机连杆的运动有上下运动以及左右摆动，从而形成复杂多变的平面运动。
因此，发动机连杆的受力情况也是复杂多变的，在工作过程中经常受到拉伸、压缩、弯曲和扭转等多种交变载荷的复杂应力的作用，工作环境恶劣。
如此复杂的应力作用容易造成发动机连杆的疲劳、磨损、弯曲甚至断裂，进而影响发动机正常工作[3]。
因此，对发动机连杆进行性能分析就显得尤为重要。
多数发动机连杆性能问题很难通过经典的弹性力学分析，进而求解微分方程而得到其解析解。
但基于ANSYS的有限元分析方法则可以避免求解微分方程。
基于此，本文用ANSYS软件对汽车发动机连杆进行了静力学分析和模态分析，建立了发动机连杆性能分析模型，为发动机连杆的改良设计提供一定思路。
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汽车发动机连杆的有限元分析
摘要：采用ANSYS软件对汽车发动机连杆应力进行分和模态分析，计算出连杆的最大应力和应变;模态分析提取了前4阶模态，分析了连杆的固有频率、振型，找到了变形最大区域。
为连杆优化设计、结构改进和表面热处理提供理论依据。
关键词：ANSYS；连杆；模态分析；应力和应变
1 前言
连杆是汽车发动机的重要构件和主要运动件，功用是将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。
连杆工作过程中承受装配载荷和交变载荷的作用还有气缸内气体压力，惯性力、轴承摩擦和磨损等。
所以要求连杆具有足够的抗疲劳强度、抗冲击，足够的强度和刚度。
应力分析是对连杆的静力分析，分析了连杆应力分布，应变情况；模态分析研究的是连杆的动态特性，用ANSYS对连杆进行模态分析，得出了连杆前4阶的固有频率和振型，通过分析结果可知连杆存在的问题及结构的薄弱环节，为连杆优化设计、结构改进和表面热处理提供理论依据。
2连杆有限元分析的理论基础
2.1静力学分析理论
当连杆加载和约束时，利用平衡条件和边界条件将各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程：
{K}{q}={f}
式中｛K｝—整体结构的刚度矩阵；
｛q｝—节点位移列阵；
｛f｝—载荷列阵.
解该有限元方程就可以得到最后分析时所需的各单元应力及变形值。
2.2模态分析理论
模态分析研究系统是在无阻尼自由振动情况下系统的自由振动，用于确定结构的振动特性，是谐响应分析的基础，固有频率和主振型是振动系统的自然属性。
系统的运动微分方程可表示为：[M]｛X(t)｝+[K]{x(t)}=0
弹性体的自由振动可分解为一系列简谐振动的叠加，因此,式(2)的解可设为：
X(t)=φcosω（t−t0）
式中：ω为简谐振动的频率；
t为时间变量；
t0为由初始条件确定的时间常数。
代（3）入（2）得到特征值和特征向量分别对应系统的固有频率和主振型。
3基本分析过程
6.5
2.5
0.5
1.8 0.3
1.2
1.6
0.5
0.9
45o
中间连接点
C
C
曲柄销
活塞销
连杆几何模型（单位cm ）
45o
0.2
0.4 0.3
4.7
4.0 3.2
如图所示连杆结构，连杆厚度1.5cm ，过渡圆角0.25cm ，材料属性为弹性模量E=3.0e7（Mpa ）,泊松比0.3，材料为40Cr,密度ρ=7800kg/m 3
3.1静力学分析
根据结构特征，采用ANSYS 实体建模。
选用单元类型为Solid95, Solid95是三维20结点四面体结构实体单元，在保证精度的同时允许使用规则的形状，适用于曲线边界的建模。
图1 连杆模型
3.1.1网格划分
连杆的实体模型网路划分采用智能网络划分，划分等级为3级。
图2 网格划分图
3.1.2约束条件和施加荷载
实际工程中，汽车连杆的大头孔是与轴承配合的，而小头孔的内侧90°范围内受面压力作用。
在ANSYS中选取大孔内表面级Y=0的所有面施加对称约束，在小头孔的内侧90°范围内施加P=l 000psi面压力。
图3 连杆加载和约束示意图
3.1.3计算及结果分析
图4和图5分别为汽车连杆的位移云图和应力云图
图4 连杆位移云图
图5 连杆应力云图
结果显示，最大合位移出现在小孔内外表面；最大等效应力出现在小头孔内表面上，其值为12.9MPa。
从图中的应力和位移等直线可以看出:(1)整个连杆结构的最大应力出现在小头孔的承载区范围内，其他部位受力情况较均匀。
这与实际情况是相吻合的。
(2)最大变形
出现在小轴孔表面，而大孔的变形非常小。
在实际情况中，由于小孔是承载区，它的变形相对较大，大孔远离承载区，受影响较弱。
综合上述分析，有限元分析结果是客观的，较为真实的反应了汽车连杆的受力情况。
3.2模态分析
根据模态分析理论，低阶频率下的振动对结构影响最大。
3.2.1约束及加载
大头保留绕孔中心线的转动自由度，其他自由度约束；小头保留沿气缸方向上移动和绕孔中心线的转动自由度，其他自由度约束。
3.2.2计算及结果分析
本文分析连杆的前4阶模态，模态分析结果如表1所示，振型云图如图7所示
表1模态分析结果
阶次固有频率/Hz 振型描述
1 1.8726 水平弯曲
2 1.6700 垂直弯曲
3 2.771
4 纵向弯曲
4 2.7754 水平弯曲
图7 振型云图
由振型云图可以看出，前4阶模态内，连杆的振动形式多样，集中表现为水平弯曲、垂直弯曲和纵向扭转。
其中，前3阶模态振动最大位移均出现在连杆中部，第2、3阶模态分析的振动位移最大，第1、4阶模态的振动位移相对较小，说明第2、3阶振动幅度较大，易发生共振。
4.结论
（1）最大位移出现在连杆小头圆孔处，最大值为0.12~0.13mm，然后逐渐向内递减，到连杆大头圆孔处为最小位移。
（2）最大应力出现在杆与小头圆孔接触处，值为12.9MPa，是整个连杆最危险的部位，应采取相应的表面处理手段进行强化。
（3）利用有限元软件ANSYS对连杆进行了静力分析和模态分析，通过分析分析得到了连杆的模态和变形情况，因此，在设计连杆时，不仅要考虑杆身与大小头连接处应力集中问题，也要考虑避开共振频率的问题。
参考文献：
[1] 赵经文，王宏钰.结构有限元分析[M].北京：科学出版社，2001.
[2] 陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3] 徐兀．汽车发动机现代设计．北京：人民交通出版社，1995。