某单缸发动机连杆的频率可靠性分析及优化

发布时间：2020-07-08 16:23

【摘要】：连杆是发动机中的关键构件之一。连杆在工作过程中受到各种复杂周期性变化的载荷、热应力及振动影响,使得连杆在工作过程中极易发生功能失效,进而引起整个发动机的工作失效,因而对曲柄连杆机构进行动力学分析,并在此基础上对连杆构件进行可靠性分析和优化就显得尤为重要。本文以宗申NC450型摩托车发动机连杆为研究对象,结合系统动力学、有限元分析、可靠性理论等相关基础学科,应用有限元分析软件、多平台集成优化设计及MATLAB软件对其进行动力学分析、随机有限元模态分析,并设计了集成仿真实验,获得了随机设计变量输入的模态频率响应值,进而完成了连杆频率可靠性分析及优化,总结出了频率可靠性分析及优化的方法。本文研究内容如下:(1)由运动模型图和力学模型,结合运动学和动力学知识,运用数学分析软件MATLAB求得了曲柄连杆机构在工作过程中相关组件的参数变化图,求得连杆大头、小头所受的力的变化曲线,确定了连杆有限元分析的位移和载荷约束条件。(2)建立了适用于ANSYS的连杆静力有限元分析模型,并完成了连杆静强度有限元分析,得到了连杆在最大拉伸和压缩工况下的应力云图,确定了连杆工作中产生应力集中的危险节点,求得了两种工况下的应力极值,完成了连杆静强度校核。(3)运用ANSYS软件,完成了连杆约束模态分析,利用多平台集成优化软件ISIGHT集成ANSYS设计联合仿真实验,得到了随机设计变量输入下的连杆最低阶固有频率的响应值;设计DOE实验对样本对进行了主效应分析、Pareto图分析,筛选出对响应较为敏感的设计变量。(4)应用MATLAB软件,编制相应的BP神经网络程序,对筛选出的样本对进行非线性神经网络回归分析,求得了满足设计精度的权值和阈值,拟合了连杆的频率失效功能函数;结合均值一次二阶矩法,对连杆的频率可靠性进行了分析。(5)分别以连杆的可靠性和最低阶固有频率为目标,运用近似代理模型的思想,采用RBF神经网络代理模型结合ASA算法(自适应模拟退火算法)对连杆的可靠性和设计变量参数进行优化,经优化,连杆的最低阶固有频率提升了32.6%,降低了连杆工作时落入共振频率区域的可能性。相应地,连杆可靠度指标?相对提升了5.2%。
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464.133.2
【图文】：

技术路线图,频率可靠性

6图 1-1 频率可靠性技术路线图本章小结本章首先阐述了选取频率可靠性为主要研究的理论依据。通过比较传统析及设计方法，论证了频率可靠性研究的深远意义。并以曲柄连杆机构研究对象，综合介绍了可靠性研究的发展现状和研究趋势，以及连杆机性的发展现状。总结全篇，概括了本文研究的主要内容与研究的重难点可靠性研究的主要技术路线图。

连杆,三维模型,连杆材料

图 3-2 连杆三维模型图料和属性据可知，连杆的材料为 20CrMo,连杆小头及杆部经致范围为（20-30）HRC，连杆毛坯先经过正火处面硬度大致在（45-65）HRC，有关连杆材料 20C表 3.1 连杆材料相关参数表材料密度ρ（g/cm3）横向变形系数（μ）弹性模量 E（MPa）屈服极限σs（MPa）7.84 0.278 2.1×105680 分好坏将直接影响有限元分析的精确度和计算时间带的有限元网格前处理模块，其强大的网格处理功

有限元网格,连杆

单元类型为 Solid92 单元（四面体实体结构单元），该单元中每个单元有 10 个节点，相对应地每个节点都有沿 X 方向，Y 方向，Z 方向移动的 3 个自由度,网格单元尺寸控制在3mm，离散化后的连杆有限元模型如图3-3所示，三维模型被分割成15997个四面体单元。图 3-3 连杆有限元网格图3.2.4 约束边界条件施加约束边界条件的好坏程度，不仅影响有限元分析计算结果的正确度和精确度，甚至有可能使整个分析结果发散，导致运算失败。除某些特定的自由体模型及其仅受的相对平衡的外力，由于求解条件限制无法求得约束边界条件外，其余任何分析模型都必须根据相应的工况，结合运动学和动力学分析，在分析模型的某些特定的节点上进行约束。为分析方便，本节将连杆三维模型图 3-2 转化到二维平面进行分析，如图 3-4 所示

【参考文献】