HyperWorks软件在发动机连杆结构改进中的应用

概述

发动机连杆用于连接活塞与曲轴，并把活塞承受的气体压力传给曲轴，使活塞的往复运动变成曲轴的旋转运动。连杆工作时，承受活塞顶部气体压力和惯性力作用，这些力的大小和方向都是周期性变化的，因此，连杆受到的是压缩、拉伸和弯曲等交变载荷。如果连杆失效，缸体和缸盖都将受到冲击，甚至发生捣缸事故。

1 连杆计算案例

某发动机连杆在疲劳试验中发生大头断裂，断裂位于螺栓孔最后一道螺纹截面，失效形式如图1所示。

2 连杆有限元计算数据

2.1 连杆有限元模型

2.2材料与属性

2.3 连杆有限元计算工况

3 连杆断裂位置疲劳安全系数计算结果

结论：该危险截面疲劳安全系数偏低,不满足要求。

4 连杆断裂原因

4.1斜切口连杆螺栓孔最后一道螺纹截面受力状态分析

往复惯性力工况断裂截面承受拉伸、弯曲组合应力，爆发工况断裂截面承受压缩、弯曲组合应力，在交变载荷和应力集中的作用下，连杆大头螺栓孔末端截面发生断裂。

5 连杆结构改进措施

5.1使用HyperMorph减小螺栓孔直径,增加断裂截面壁厚

由于连杆外部轮廓受运动干涉限制不能更改，因此考虑减小螺栓直径，将螺栓孔直径Φ14减为Φ12，为保证计算精度，使用HyperMorph减小螺栓孔直径。

螺栓孔疲劳计算结果见表2

5.2 螺栓配合长度增加2mm

螺栓孔疲劳计算结果见表2

5.3借鉴其它连杆加强方式

借鉴其它连杆加强方式做出改进方案3、改进方案4

5.4 使用OptiStruct优化大头结构

连杆大头局部拓扑优化

优化目标：连杆螺栓孔最后一道螺纹应力最小
约束：设计区体积百分比
工况：往复惯性力工况、爆发工况

根据优化结果做出的改进方案5

螺栓孔疲劳计算结果见表2

使用HyperMorph对改进方案5过渡圆角进行调整，得出改进方案6。

螺栓孔疲劳计算结果见表2

6分析结论

改进方案1、改进方案2、改进方案6断裂位置疲劳安全系数大于1.3，满足要求。改进方案1和方案2杆身增重较小，但更换连杆螺栓会增加生产成本，所以选择方案6。

经疲劳试验证明，使用OptiStruct、HyperMorph做出的连杆优化方案6满足要求。

参考文献
[1] 陈家瑞编著.汽车构造.人民交通出版社
[2] 杨连生编著.内燃机设计.中国农业出版社
[3] 张胜兰编著.基于HyperWorks的结构优化设计技术.机械工业出版社
[4] 姚卫星编著.结构疲劳寿命分析.国防工业出版社
[5] 朱仙鼎编著.中国内燃机工程师手册.上海科学技术出版社