基于HyperMesh的某发动机连杆应力及模态研究.pdf

第 61 卷 第 11 期Vol.61 No.112023 年 11 月November 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言发动机连杆机构作为发动机中重要组成部位，是连接活塞和曲轴的一种杆状零件。作为发动机的核心零部件之一，在发动机工作过程中承受着气压力和往复惯性力所产生的交变载荷，并负责将活塞受到的力传递到发动机曲轴转化成扭矩1。连杆承受的作用力及其本身惯性力的大小和方向都呈周期变化，因此连杆的工作状态直接影响发动机工作的稳定性与可靠性，这就要求连杆在受到压缩或拉伸等变载作用下有足够的强度和刚度2。王明武等3利用随机有限元法和蒙特卡罗法对 SL3100 柴油机连杆进行了随机应力分析；夏尚飞等4针对连杆复杂曲面提出了实体逆向设计的方法，并对模型进行了有限元静力学分析；李海峰5使用有限元法对汽车发动机连杆结构进行了分析，改进了汽车连杆结构优化相关的设计内容；鹿革等6采用有限元仿真分析方法校核其强度及稳定性。上述研究通过多种方法分析了发动机连杆应力及其稳定性，虽然对汽车连杆的结构提供了相关的优化内容，但都是从仿真角度出发，没有进行试doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.11.014基于 HyperMesh 的某发动机连杆应力及模态研究周壮，周长峰，董培阳，鲁大坤（250357 山东省 济南市 山东交通学院 汽车工程学院）摘要 针对某发动机连杆部分变形与整体变形的问题，通过 UG NX12.0 软件对发动机连杆结构建立逆向三维实体模型，基于有限元分析方法，利用 HyperMesh 软件对发动机连杆结构模型进行有限元仿真研究，以该模型为基础完成了连杆在实际工况下的应力和模态的仿真研究。试验结果表明：将实际载荷施加到连杆，得到实际工况下最大应力，通过 LMS 信号采集仪得到的测量点处的应变数值为 6.110-6，相应的应力为 1.28 MPa，仿真得到该部件的测量点应力为 1.26 MPa，误差为 1.5%，仿真与试验结果基本一致，进一步证明了有限元仿真的可靠性。完成上述工作后，对发动机连杆进行模态仿真，得到连杆自由模态下的固有频率和振型，为发动机连杆进一步优化和应力、模态仿真提供可靠的理论和应用依据。关键词 发动机连杆；有限元法；应力仿真；应力试验；模态仿真 中图分类号 U464.13 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)11-0072-04引用格式：周壮,周长峰,董培阳,等.基于 HyperMesh 的某发动机连杆应力及模态研究 J.农业装备与车辆工程,2023,61(11):72-75.Stress and modal research of an engine connecting rod based on HyperMeshZHOU Zhuang,ZHOU Changfeng,DONG Peiyang,LU Dakun(School of Automotive Engineering,Shandong Jiaotong University,Jinan 250357,Shandong,China)Abstract Aiming at the problem of partial deformation and overall deformation of the connecting rod of an engine,the inverse three-dimensional solid model of the connecting rod structure of the engine was established by UG NX12.0 software.Based on the finite element analysis method,the finite element simulation of the connecting rod structure model of the engine was carried out by HyperMesh software.Based on this model,the stress and modal simulation of the connecting rod under the actual working condition were completed.The test results showed that,the actual load was applied to the connecting rod to obtain the maximum stress under the actual working condition.The strain value at the measuring point was 6.110-6 and the corresponding stress was 1.28 MPa obtained by the LMS signal acquisition instrument.The stress at the measuring point of the component was 1.26 MPa obtained by simulation,with an error of 1.5%.The reliability of finite element simulation was further proved.After the above work was completed,the modal simulation of the engine connecting rod was carried out,and the natural frequency and mode shape of the connecting rod under the free mode were obtained,which provided a reliable theoretical and application basis for the further optimization of the engine connecting rod and the stress and mode simulation.Key words engine connecting rod;finite element method;stress simulation;stress test;modal simulation.收稿日期：2022-11-0473第 61 卷第 11 期验验证。本文基于某发动机连杆，通过试验和仿真对其进行应力分析，得到连杆测量点的应力，仿真结果与试验结果基本吻合，证明了有限元仿真的可靠性。对连杆施加实际载荷，得到最大应力小于屈服应力，校核连杆强度，通过模态仿真，得到其振型和固有频率，为连杆设计提供一定指导。1 模型建立与分析通过 UG NX12.0 软件对发动机连杆结构建立逆向三维实体模型，如图 1 所示。逆向得到的三维模型较为准确，指导意义更强。在发动机连杆应力仿真研究中涉及的主要材料参数如表 1 所示。表 1 主要材料参数Tab.1 Main material parameters密度/(kg/m3)弹性模量/MPa 泊松比 屈服应力 0/MPa7 9002.1e50.38501.1 网格划分及质量检查发动机连杆存在的一些细节特征不利于网格划分和结果分析，因此对 CAE 模型进行了几何简化7。通过 toggle 命令抑制不必要的线，并划分二维单元。对二维单元进行质量检查，用单元优化和替换节点命令对失败的单元进行修改和优化。在划分好的二维单元上创建三维单元，单元类型为四面体，对三维单元进行质量检查，质量符合要求，隐藏三维单元删除二维单元，其中节点数为 80 560，单元数为 356 799。网格划分模型如图 2 所示。1.2 加载和约束连杆工作时，连杆大头与曲轴配合，连杆小头在 90范围内受到压力或拉力的作用8。考虑到连杆试验中的载荷和约束的施加方式，在有限元仿真中，将连杆大头内圆柱面设为夹紧约束，在连杆小头的内圆柱面上施加相应的载荷，连杆小头所受载荷为 514 N。用刚性单元将中心点分别与连杆大头和连杆小头半圆柱面上的节点耦合，在连杆大头中心节点生成约束，连杆小头中心生成 514 N 的载荷。如图 3、图 4 所示。2 试验（1）试验设置使用 LMS 数据采集仪进行应变试验，试验设备如表 2 所示。发动机连杆实际测量点位置距离连杆小头 103 mm，如图 5 所示。表 2 试验设备Tab.2 Test equipment仪器名称规格型号用途LMS Test.Lab 测试软件PCB应变分析LMS SCADAS 信号采集仪40 通道采集信号应变连接线PCB传输信号应变片BX120-3AA获取响应信号（2）试验结果通过 LMS 信号采集仪得到的测量点处的应变数值为 6.110-6，相应的应力为 1.28 MPa。实际测量点应变如图 6 所示。XCYC 图 1 发动机连杆实体模型Fig.1 Solid model of engine connecting rod图 3 连杆在试验中的约束和载荷Fig.3 Constraints and loads of connecting rod in test图 4 连杆在仿真中的约束和载荷Fig.4 Constraints and loads of connecting rod in simulation图 5 连杆实际测量点Fig.5 Actual measuring point of connecting rod图 2 发动机连杆网格划分模型Fig.2 Mesh generation model of engine connecting rodXYZ周壮 等：基于 HyperMesh 的某发动机连杆应力及模态研究74农业装备与车辆工程 2023 年3 仿真结果与分析用上述有限元模型进行线性静力学（linear static）分析，仿真所得最大位移为 0.02 mm，位于连杆小头，最大应力为16.93 MPa，位于连杆小头，测点应力为 1.26 MPa。如图 7、图 8 所示。3.1 实际载荷分析不同类型发动机的工作状态也不相同。当连杆运动到惯性力最大状态时，连杆主要承受拉伸载荷，载荷计算公式为 ()Fm R1lj2m=-+(1)式中：mj活塞往复运动质量；=R/L。查阅鹿革等6的研究及计算可得，达到最大惯性力时，连杆所受最大拉伸载荷为 12 191.8 N。最大拉伸应力max计算公式为 maxAFmaxlv=(2)图 9、图 10 为实际载荷下有限元仿真结果。可得最大位移为 0.35 mm，最大应力为 587 MPa，小于许用屈服应力，连杆满足强度要求。3.2 模态仿真在有限元法基础上建立的模态分析理论，不仅可以节约时间、降低成本，还能保证试验人员的安全，从而更有效地提高产品质量9。通过模态分析能够得到结构的固有频率和振型，能有效避免连杆在工作时发生共振导致疲劳断裂10。利用HyperMesh求解连杆前12阶振型，结果如表3所示。表 3 模态求解结果Tab.3 Modal solution results阶数固有频率/Hz阶数固有频率/Hz16 0 101 568.97519.3112 527.081 054.4123 330.991 211.8 在自由模态仿真下，连杆未受任何位移约束，前 6 阶为刚体模态，其固有频率为 0，不具备参考意义；从第 7 阶开始为弹性模态，即有效模态。图 11 为连杆模态振型图，反映了连杆在该阶模态下的相对位移变化11，可见连杆振型丰富：弯曲、扭转、弯扭。由图 11 可知，连杆大端和小端均存在失圆现象，将会影响连杆孔与曲轴和活塞销的配合，导致连杆机构磨损加剧，以至于无法正常工作。图 6 实际测量点应变Fig.6 Actual measured point strainuEAmplitudeF20:Point18Amplitude6.705.406.10Time/s1.000.000.0031.002.092E-021.860E-021.627E-021.395E-021.1 62E-029.298E-03 6.974E-034.649E-032.325E-035.871E-16 No ResultContour PlotDisplacement(Mag)Analysis systemMax=2.092E-02Grids 21 065Min=5.871E-16Grids 80567图 7 连杆位移图Fig.7 Displacement diagram of connecting rodXYZ1.693E+011.505E+011.317E+011.129E+019.407E+007.527E+005.647E+003.766E+001.886E+005.787E-03No ResultContour PlotElement Stresses(2D&3D)(vonMises)Analysis systemSimple AverageMax=1.693E+01Grids 23194Min=5.787E-03Grids 237184 Value=1.264图 8 连杆最大应力及测点应力图Fig.8 Maximum stress of connecting rod and stress diagram of measuring pointXYZ3.583E-013.185E-012.787E-012.389E-011.990E-011.592E-011.194E-017.962E-023.981E-020.000E-00 No ResultContour PlotDisplacement(Mag)Analysis systemMax=3.583E-01Grids 7543Min=0.000E+00Grids 229图 9 连杆实际载荷位移图Fig.9 Actual load-displacement diagram of connecting rodXYZ图 10 连杆实际载荷应力图Fig.10 Actual load stress diagram of connecting rod5.871E+025.218E+024.566E+023.914E+023.262E+002.609E+001.957E+001.305E+006.525E+012.649E-02No ResultContour PlotElement Stresses(2D&3D)(vonMises)Analysis systemMax=5.871E+023D 223511Min=2.649E-023D 221297XYZ75第 61 卷第 11 期周壮 等：基于 HyperMesh 的某发动机连杆应力及模态研究4 结论（1）本文根据现有发动机连杆，通过逆向建立了三维实体模型。在 HyperMesh 软件中对发动机连杆进行了应力仿真，得到了发动机连杆在一定负载状态下的应力、应变及位移结果，可为发动机连杆设计提供理论依据；（2）对连杆进行加载应变试验，通过 LMS 信号采集仪得到测量点处应变数值为 6.110-6，相应的应力为 1.28 MPa，仿真得到的该部件的测量点应力为 1.26 MPa，误差为 1.5%，可得仿真与试验结果基本一致，证明有限元仿真的可靠性；（3）有限元仿真得到最大位移为 0.35 mm，最大应力为 587 MPa，小于许用屈服应力，得出连杆满足强度要求；（4）通过模态振型得到连杆会发生弯曲、扭转和弯扭变形，杆端存在失圆现象，影响正常工作，所以在连杆设计时应采取措施减少对连杆的损坏。参考文献1 刘碘卉.某发动机连杆的动力学分析及结构优化 D.重庆:重庆理工大学,2021.2 张志鹏.汽车发动机连杆结构有限元分析方法探索 J.内燃机与配件,2020(07):78-79.3 王明武,崔毅.连杆随机应力分析 J.上海交通大学学报,1997(09):54-57.4 夏尚飞,刘希震,杜辉,等.发动机连杆逆向设计与有限元分析 J.机械工程与自动化,2021(03):59-61.5 李海峰.汽车发动机连杆结构有限元分析方法探究 J.内燃机与配件,2021(07):73-74.6 鹿革,吕昕晖,纪兴华,等.发动机连杆强度及稳定性分析 J.机械工程与自动化,2020(05):78-817 王鹏飞.基于 ANSYS 的汽车发动机连杆性能分析 J.山东工业技术,2019(11):5-78 颜腾峰,程仙国.基于 ANSYS Workbench 发动机连杆有限元分析 J.汽车零部件,2016(06):58-60.9 李腾腾,钟绍华.ANSYS 的发动机连杆的模态分析 J.汽车工程师,2010(04):25-27,32.10 阮帅帅,谭丕强,崔淑华.发动机连杆的有限元分析及结构优化 J.制造业自动化,2011,33(10):110-113.11 张敏,张翠平.基于 Workbench 的发动机连杆模态分析 J.装备制造技术,2015(10):231-233.作者简介 周壮（1997-），男，硕士研究生，研究方向：车辆动力学仿真和控制。E-mail：通信作者 周长峰（1976-），男，副教授，博士，研究方向：车辆动力学仿真及优化设计。E-mail：8.276E+017.358E+016.440E+015.523E+014.605E+013.687E+01 2.769E+011.851E+019.333E+001.542E-01No ResultContour PlotElgen Mode(Mag)Analysis systemMax=8.276E+01Grids 7544Min=1.542E-01Grids 29594 （d）（e）（f）图 11 模态振型图Fig.11 Modal shape diagram（a）1 阶弯曲 （b）1 阶弯扭 （c）1 阶扭转 （d）2 阶弯曲 （e）2 阶弯扭 （f）3 阶弯曲9.989E+018.933E+017.877E+016.821E+015.764E+014.708E+01 3.652E+012.596E+011.539E+014.832E+00No ResultContour PlotElgen Mode(Mag)Analysis systemMax=9.989E+01Grids 7544Min=4.832E+00Grids 45731.433E+021.275E+021.116E+029.567E+017.977E+016.388E+01 4.798E+013.209E+011.619E+012.998E-01No ResultContour PlotElgen Mode(Mag)Analysis systemMax=1.433E+02Grids 7633Min=2.998E-01Grids 2728.468E+017.531E+016.593E+015.656E+014.718E+013.781E+01 2.843E+011.906E+019.685E+003.099E-01No ResultContour PlotElgen Mode(Mag)Analysis systemMax=8.468E+01Grids 7542Min=3.099E-01Grids 309948.208E+017.297E+016.386E+015.475E+014.564E+013.653E+01 2.742E+011.831E+019.196E+008.607E-02No ResultContour PlotElgen Mode(Mag)Analysis systemMax=8.208E+01Grids 4951Min=8.607E-02Grids 68078.902E+017.915E+016.928E+015.941E+014.953E+013.966E+01 2.979E+011.992E+011.004E+011.719E-01No ResultContour PlotElgen Mode(Mag)Analysis systemMax=8.902E+01Grids 7544Min=1.719E-01Grids 33544XYZXYZXYZXYZXYZXYZ （a）（b）（c）