朱榮福，齊 鵬，劉龍超

(1．黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；3.北京亞新科天緯油泵油嘴股份有限公司研究所,北京 100166)

基于ANSYS參數(shù)化語言的發(fā)動機(jī)連桿設(shè)計

朱榮福1，齊 鵬2，劉龍超3

(1．黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；3.北京亞新科天緯油泵油嘴股份有限公司研究所,北京 100166)

為了使發(fā)動機(jī)連桿在設(shè)計時質(zhì)量輕、工作可靠，基于ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言建立發(fā)動機(jī)連桿的參數(shù)化模型，對連桿工作狀況和受力情況做出合理簡化；利用ANSYS的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，在滿足最大應(yīng)力值約束條件下，使連桿設(shè)計參數(shù)合理組合，最終達(dá)到連桿輕量化的設(shè)計目標(biāo)，同時優(yōu)化后連桿的模態(tài)和諧響應(yīng)分析滿足設(shè)計要求。

連桿；APDL；有限元；優(yōu)化設(shè)計

連桿是發(fā)動機(jī)的主要受力運動部件之一，工作中承受各種復(fù)雜的周期性外載荷，如果連桿的設(shè)計不合理，輕則使連桿桿身發(fā)生形變失效，重則導(dǎo)致發(fā)動機(jī)無法正常工作[1-2]。隨著能源問題加劇，要求汽車向輕量化發(fā)展，因此，發(fā)動機(jī)連桿輕量化已成為發(fā)動機(jī)開發(fā)中一個不可忽視的問題[3-4]。利用ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言APDL可以實現(xiàn)從實體建模、網(wǎng)格劃分、加載到求解計算甚至后處理過程的全參數(shù)化，其應(yīng)用已積累較多的輕量化設(shè)計經(jīng)驗[4-7]。以某發(fā)動機(jī)連桿為原型，在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上[8]，通過APDL優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，在滿足最大應(yīng)力值約束條件下，研究連桿的輕量化設(shè)計。

1 APDL參數(shù)化建模

考慮到ANSYS對復(fù)雜模型的參數(shù)化建模能力的限制，在建立連桿模型時，對連桿的油孔、定位槽等部位進(jìn)行簡化或忽略不計，且不考慮大頭孔與軸瓦、小頭孔與襯套等接觸問題。一般而言，輕量化優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)通常是減小連桿的體積，因此，在保證足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的前提下，確定優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)，降低最大應(yīng)力值。以對發(fā)動機(jī)整體參數(shù)及其他零件主要尺寸無影響且工藝上實現(xiàn)相對容易為原則，設(shè)計變量選取為對連桿體積影響較大，在一定程度上相互獨立的尺寸參數(shù)[9]，并滿足應(yīng)力、設(shè)計變量、剛度變形等約束條件[10]。以應(yīng)力和剛度變形為約束條件，連桿優(yōu)化設(shè)計變量選取如圖1所示，設(shè)計變量如表1所示。

圖1 連桿優(yōu)化設(shè)計變量選取

表1 優(yōu)化設(shè)計變量及初始值 mm

相應(yīng)APDL程序如下：

/PREP7

r1=0.0153 r2=0.0302...k,1+q,-l4,,w2 k,2+q,-l3-l4,,w1...

wpcsys, wproat,,90 cyl4,,,r1-rh1,0,r1,180...

k,6+q,-0.1855,0.00451,k,7+q,-0.1855,0,k,8+q,-0.1813802,0, v,1+q,2+q,3+q,4+q,5+q,6+q,7+q,8+q allsel vglue,all

2 APDL優(yōu)化結(jié)果分析

ANSYS優(yōu)化處理器能夠根據(jù)本次循環(huán)提供的設(shè)計變量、狀態(tài)變量及目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化參數(shù)，與上次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)作出比較，最終確定本次循環(huán)目標(biāo)函數(shù)是否收斂，或是否達(dá)到最優(yōu)。通過ANSYS的參數(shù)化語言APDL在優(yōu)化求解器(opt)中完成發(fā)動機(jī)連桿的優(yōu)化過程，經(jīng)過7次迭代，結(jié)果收斂，如表2所示。圖2～4分別給出了主要設(shè)計變量，連桿小頭過渡圓半徑、連桿大頭過渡圓半徑和連桿桿身1/2寬度隨迭代次數(shù)的變化曲線，圖5給出了連桿體積隨迭代次數(shù)的變化曲線。分析圖5可知，在保證具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性條件下，優(yōu)化后的發(fā)動機(jī)連桿體積減小了5%，達(dá)到了輕量化設(shè)計目標(biāo)。

表2 設(shè)計變量的尺寸變化 mm

圖2 連桿小頭過渡圓半徑迭代曲線

圖3 連桿大頭過渡圓半徑迭代曲線

圖4 連桿桿身1/2寬度迭代曲線

圖5 連桿體積迭代曲線

3 優(yōu)化后模態(tài)和諧響應(yīng)分析

連桿的模態(tài)通常表現(xiàn)為局部振型，特別是在連桿桿身中部會具有較大響應(yīng)位移。因此，對優(yōu)化后的連桿進(jìn)行8階模態(tài)分析，得到優(yōu)化前后的對比模態(tài)分析結(jié)果如圖6所示。分析圖6可知，連桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，相同階數(shù)的模態(tài)固有頻率與優(yōu)化前相比略有變小，可見，結(jié)構(gòu)優(yōu)化對發(fā)動機(jī)連桿模態(tài)產(chǎn)生的影響可以忽略。

連桿在激振力作用下發(fā)生受激振動時，其Y方向的響應(yīng)位移遠(yuǎn)大于在X方向和Z方向的響應(yīng)位移，因此，只需得到連桿桿身在Y方向的位移響應(yīng)即可。選用模態(tài)疊加法求解，施加簡諧載荷及約束，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的連桿進(jìn)行了諧響應(yīng)分析，仿真結(jié)果如圖7所示。分析圖7可知，連桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，與原發(fā)動機(jī)連桿相比，在激振力作用下發(fā)生受激振動時的響應(yīng)位移略有減小，其影響可以忽略。

圖6 優(yōu)化前后的模態(tài)分析結(jié)果對比

圖7 優(yōu)化后Y方向上的幅頻曲線

4 結(jié)束語

基于APDL語言建立了發(fā)動機(jī)連桿的ANSYS參數(shù)化模型，以輕量化為目標(biāo)，選用連桿小頭過渡圓半徑、連桿大頭過渡圓半徑和連桿桿身1/2寬度作為主要設(shè)計變量，對發(fā)動機(jī)連桿進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。分析結(jié)果表明，與原發(fā)動機(jī)連桿相比，體積減少了5%，且優(yōu)化前后連桿的模態(tài)和諧響應(yīng)變化可以忽略，達(dá)到了輕量化設(shè)計目標(biāo)。

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OptimumdesignofengineconnectingrodbasedonAPDL

ZHU Rong-fu1,QI Peng2, LIU Long-chao3

(1．College of Automobile and Traffic Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China；2.Traffic College, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China；3.ASIMCO Tianwei Fuel Injection Equipment Stock Co.，Ltd, Beijing 100166,China)

In order to make engine connecting rod light and reliable in design，the APDL based on ANSYS is used to establish an engine connecting rod’s parameter model，which working condition and force condition are simplified. On the premise of satisfying the maximum stress value constraints，the connecting rod’s design parameters are optimized to achieve the design objective light connecting rod. The results of modal analysis and harmonic response analysis can meet the design requirement.

connecting rod；APDL；finite element；optimization

2013-04-28

朱榮福(1981-)，男，講師，研究方向：汽車節(jié)能與環(huán)保 .

TB47

A

1671-4679(2014)01-0020-03

劉文霞]