汽车发动机连杆结构有限元分析方法探究

李海峰

摘要：汽车发动机由多个零件共同组成，这些零件当中的机构承担着不同的责任以及义务。发动机连杆结构是整个汽车发动机当中最为重要的组成部分，他们共同组成了汽车发动机的活塞连杆组，为发动机的运行打下了坚实的基础。使用有限元法对汽车发动机连杆结构进行分析，可以提高它在工程实践应用当中的效果，同时也可以有效推动汽车行业的发展。通过对收集到的资料进行分析，可以发现从有限语言的角度进行讨论，可以很好的将发动机联板结构分析适应性的问题进行解决，同时也可以更好的改进汽车连杆结构优化相关的设计内容。

关键词：发动机连杆;有限元分析结构;分析适应性

中图分类号：TH133.5                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0073-02

0  引言

在发动机运行的过程当中，发动机内部的连杆结构受到压缩拉伸等交变的载荷作用。如果连杆存在刚度不足的情况，那么经过一段时间的使用之后，整个杆体会出现变形弯曲的现象，甚至整个连杆的大头都会视源变形，一旦发生这一情况就会使得发动机的活塞气缸轴承等零部件出现偏磨的现象。而且连杆的杆身本身就是属于一个长杆件在运行的过程当中需要承受较大的工作压力，为了防止连杆的杆身因受到多种力量的影响，出现弯曲变形的情况，那么杆身就需具备较强的刚度和强度。总而言之，对于汽车的使用，汽车发动机的使用效果和使用寿命来说，发动机连杆结构的质量直接影响到了相关的指标。

1  有限元法

在社会快速发展的背景之下，人们对科学技术的要求也越来越高，随着工程技术的深入发展，各个行业在进行产品生产的过程当中，都已经融入了高科技的技术。但是人们对工程技术的实际要求也不断的提高，使用传统的线性理论知识已经无法满足各行业在设计方面的各项要求，要想解决工程当中存在的实际问题，现场工作人员需要花费更多的时间和精力，对非线性的问题进行深入的探讨。那么要想真正的解决非线性的问题，就需要使用数值模拟的方法进行解决，这种方法的实用性和应用广泛性都比较高，其中使用价值较高的是有限元法。从第一的角度进行分析，有限元法实质上是以力学模型作为基础进行近似数值计算的一种方法，它所求得的解是一种数值解。在对工程问题进行研究时，使用有限元法进行分析，如果能够获得较好的处理结果，那么就说明计算过程所得的数值精确度非常高。

有限元法的实际操作过程，就是将一个物体离散成有限个单元，按照一定的方法将这些不同的单元进行连接以及组合之后，使得单元的组合与原来的物体相似度越来越高和对不同单元的问题进行解决之后，就可以有效的分析物体原本存在的问题。经过分析之后，不同单元的问题变得更加简单，解决这些简单的问题与解决一个大的难题相比，花费的时间和精力比较少。

并且对这些单元的内容进行针对性的分析，最终得到对整个物体的分析结果。在网络划分当中划分的每一个小块，我们称之为单元。确定每一个单元的形状，每个单元之间相互连接的点，我们将其称为节点。在每一个单元节点上又包含着整个物体的结构，我们将这个结构内力称为节点力，也可以说是节点载荷。这些定义和概念在后期的物理量分析工作以及计算当中都会用到。

2  有限元法解决结构分析的适应性

2.1 建立在严格理论基础上的可靠性

从数学的角度对有限元计算方法的计算过程进行分析，分析的过程需要建立在变分原理和加权余量法原理的基础之上，这两个原理对有限元方程进行分析，可以证实微分方程和边界条件的等效积分形式，利用这些原理进行发动机连杆结构的分析可以获得准确的效果，因为这是建立在原有正确的失学模型基础之上。那么这种方法的计算结果就可保证其准确性。在离散期间，随着单元数目的增加或者单元自由度的增加，有限元解的结果，其相似程度会不断的提升。发动机的连杆结构本身就具有复杂的特点，这些复杂的内容很难使用传统的方法进行解决，也很难获得准确的分析结果。有限元法是建立在严格理论基础上开展的一种问题分析方式，它的可靠性相对较高，在对物体进行单元离散之后，单元数目会得到大幅度的增加，单元自由度的增加程度也十分明显。

2.2 广泛物理问题的适应性

因为使用有限元法解决结构分析的问题，不仅能够获得准确的分析结果，而且它的使用门槛比较低，可以对多种类型的物体进行分析和计算，它对各个单元所对应的方程也没有固定的要求。据了解有些有限元法可以用于各种物理问题的解决过程，例如弹射性的问题，线弹性的问题等等，同时也可以对物理量相互耦合的问题进行解决。有限元法解决结构性问題的适应性涉及的内容比较复杂，在建立严格理论基础之上的可靠性和广泛物理问题的适应性的基础上，还具有对复杂几何模型的适应性。与前面两个适应性相比复杂几何模型的适应性具有一定的特殊点。因为在一个空间当中，单元的表现形式可以有不同类型的内容。可以是多维的，也可以是一维的。每一个单元可以有着不同种类型的形式每一个单元也可以采用不同的连接方式。所以发动机的连杆结构及运行过程是非常复杂的。此时使用传统的方法进行结构性的分析，无法真正的了解到结构的实质。使用有限元方法进行解决，就可以获得较好的解决结果。因为这些复杂的几何结构都可以离散成不同的单元而研究人员，只需要对每一个单元的问题进行分析之后，将多个单元的内容进行有效整合之后就可以获得相应的分析结果。

3  连杆有限元分析

汽车发动机是整个汽车的重点核心内容，发动机的运行质量直接影响到汽车使用的效果和发动机当中动力的传递，则是非常重要的一个零件，它影响到了发动机的运行效果，也影响到了整个汽车的价值。连杆是汽车发动机当中能够对动力进行传递的重要零件，它的运行过程是把活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动，并且在整个作用的过程当中，将活塞的力传给曲轴并输出功率。连杆在实际工作的过程当中需发挥的作用是其他汽车发动机零件无法替代的，它需要承受装配载荷以及交变工作的载荷，同时还会包括气体爆发压力和惯性力等多个方面的内容。现在很多行业的产品都已经朝着环保节能的方向发展，现代汽车也不例外，所以在发动机连杆的设计方面也必须要在多个指标方面满足环保汽车的各项需求，特别是在强度和刚度方面。而且在满足其新型要求的前提下，发动机的连杆还需具备尺寸小、重量轻的特点，只有这样才可以为汽车发动机的运行效果提供保证。当然他的这些特点也给它问题分析的过程带来了较大的难度。

连杆的三维有限模型需要使用力学进行分析和计算过程，包括的零件比较复杂，分别有连杆螺母，活塞销曲，轴连杆，轴颈连杆，大头轴瓦以及连杆盖。在进行计算的过程当中，使用计算精度比较高的任何一点单元的划分网格，可以将其划分为24，204个节点，17，258个单元。其实在进行实际安装期间，因为受到多种因素的影响，实际的操作难度比较高。例如在较大的螺栓预紧力的影响之下，连杆和连杆盖的分析过程均处于接触的状态。这一状态在连杆有限元模型当中很难直接反映出来，所以在进行模型的计算和建设工作是对这一过程进行了简化。虽然在建模分析的过程当中，将连杆和连杆盖的实际分析工作合为一体，但最终的分析结果并没有受到影响。同样螺旋连杆和连杆螺母虽然合为一体，但最终的结果不会受到影响。

4  发动机连杆结构有限元分析过程

4.1 连杆结构的三维计算模型建立

杆身、瓦盖、瓦轴、曲柄、活塞销、螺栓螺母等都是连杆结构的重要组成部分，这些零部件的计算过程具有比较大的难度，其中大端是连杆结构比较容易出现损坏的部位，所以在进行分析时，工作人员需要将分析的重点放在大端附近。

4.2 连杆结构几何离散化

将连杆结构进行几何离散的话，其实就是将连续的求解欲离散成一个虚拟的线或者面将这些线和面的组成设定为有限个单元的组合体，经过离散之后，每一个单元与单元之间是利用单元节点相互联系的，这样的组合体可以模仿或者在各项指标和数据上逼近求解的区域。此时，我们就可以通过对这些单元的相关内容进行分析之后，获得原有物体或结构体存在问题的解答方法。因为使用有线语音分析的方式对物体进行几何离散之后，已经不是原来的物体及结构体，所以它的计算结果只能近似，不能十分准确。要想保证计算结果与正确的结果无限接近，那么就需要将单元进行深入地划分，保证划分数目非常多，且要保证一定的合理性。在实践操作的过程当中，工作人员需要认识到有限元技术对实现问题的解决，必须要保证解决的过程始终结合模型的实际情况，将产品结合模型进行离散之后，对计算量的大小进行分析，这样才能获得更加准确的结果。通过对汽车连杆结构的模型进行研究之后，可以发现与其他模型相比，汽车连杆结构模型具有一定的特殊性，它是多面体接触问题，这时可以将连杆结构的零部件作为整体，将其接触面进行简化之后，计算相关的问题和数据。

4.3 连杆结构网格单元特性分析

位移模式有三种不同类型的方法，这三种不同类型的方法分别是首先选择节点位移作为基础位置时的位移法，其次是选择节点力作为基础位置时的立法，最后是取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知法的混合法。对于汽车的连杆结构，网格模型进行研究和分析时，要想获得更加准确的分析结果，并且使得分析的过程更加简单，就需使用位移法，这种方法易于实现计算自动化，而且应用的范围非常广泛。

深入了解连杆结构单元网格的力学性质和特点找到其相应的关系式之后，根据弹性力学的集合方程以及物理方程确定相应的强度矩阵。连杆结构可以利用条件以及边界条件，将每个单元按照原来的结构重新连接起来和有限元分析方程，则可以将这些边界条件进行有效的处理之后获得相关的数据并求解。经过一系列的计算以及操作，可得到节点位移的相关数据。利用有限元法对物体存在的问题进行分析，其过程需使用不同类型的方程和这些方程与物体单元之间的契合度相对较高。每一个有限元模型都具有相应的节点，如果有限元模型的节点越多，那么就说明这个模型的线性方程数量也远远高于部分节点比较少的有限元模型。当然在线性方程数量比较高的前提下，计算分析处理的复杂度越来越高，计算分析的结果难度也比较大，但是它可以很好的展现出物体存在的问题和提出相应的解决对策。在这个步骤，我们需要对计算出来的结果进行深入的加工以及分析，并且以不同的形式展现出来。

5  结语

上文重点针对汽车发动机的连杆结构强度进行了深入的讨论，并且从有限语言的角度探讨发动机的连杆结构，通过对收集到的数据进行分析，可获得如下分析结果。从疲劳强度的角度来看，为汽车连杆结构进行深入的改进，并且按照目前汽車连杆的实际情况开展优化设计工作，具有很大的意义，使用有限元法了解发动机连杆结构的相关内容之后，可以为汽车连杆结构的改进和优化提供理论基础。而且有限元法的应用可以让工作人员获得更加准确的连杆结构应力数据。

参考文献：

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