不同特性材料连杆的模态分析*

范东祥1，范纪华1，2，许侃雯1，陈立威1，王 琪1，2 方海峰1，2

(1.江苏科技大学 苏州理工学院，江苏 张家港 215600；2.江苏科技大学 机电与汽车工程学院，江苏 张家港 215600)

摘要：以某发动机用连杆为研究对象，使用UG软件建立了连杆的三维模型，导入到有限元软件ANSYS Workbench中生成连杆的有限元模型，与此同时，通过三种不同特性的材料分别对连杆进行模态分析，并得出三种连杆的固有频率和振型。计算结果表明：设计高性能、高质量的连杆需要考虑连杆的固有特性，其将为降低振动和噪声提供理论参考，进而避免发生共振现象。

关键词：有限元；发动机连杆；模态分析

0 引言

连杆作为车用发动机的核心零件，其设计的好坏直接影响到汽车发动机组的使用寿命和性能，并且关系到汽车使用者的安全问题。王晓云等[1]在2011年用ANSYS对某种连杆进行了静力分析以及模态分析和谐响应分析，由此得出了连杆在工作过程中位移随时间变化的历程。代伟峰等[2]通过对连杆进行模态分析，发现了连杆容易断裂的位置。刘昌领等[3]针对六缸压缩机的连杆，通过建立模态理论方程，并利用ANSYS进行模态分析以及谐响应分析，由此对连杆进行结构优化。刘波等[4]对连杆进行了静态应力分析以及预应力模态分析，得出连杆组件相应工况下的固有频率和振型。李腾腾等[5]对连杆进行模态分析，提出在连杆设计过程中要采取抗弯扭措施，尽量减少连杆部件变形。目前，已有很多关于连杆的静态分析和动态特性的研究，但对不同特性材料的固有属性的研究较少，所以尽管有大量的实验数据，却不够完善。随着连杆材料的种类越来越多，所以对已有的不同特性材料的连杆进行固有属性的研究是很有必要的。本文采用ANSYS Workbench对三种不同特性材料的连杆进行模态分析，由此得到了连杆的固有频率和振型，为以后的设计提供了理论基础。

1 三种不同材料的特性

目前连杆使用的材料主要有球墨铸铁、调质钢或非调质钢、钛合金。其中又以调质钢或非调质钢的使用量最多，球墨铸铁的使用量其次，钛合金使用的最少(主要用于赛车发动机连杆，且价格比较高)。本文主要对用球铁QT40-10、调质钢40Cr和钛合金Ti-6Al-4V制做的连杆进行研究，这三种材料的性能参数见表1。

表1 三种材料的性能参数

材料密度(kg/m3)弹性模量(GPa)泊松比QT40-1073001730.340Cr78502100.3Ti-6Al-4V44001100.34

2 三种材料连杆的模态分析

2.1 模态分析理论

模态分析是动态特性研究过程中必不可少的一个环节，机械结构和部件的固有频率和振型都是用模态分析来确定的，它是谐响应分析、瞬态动力分析和谱分析的首要任务。

对于连杆的模态分析计算来说，其动力学微分方程可以表示为：

.

(1)

其中：M为连杆体质量，kg；x为连杆的振动位移，m；C为阻尼系数，N/(m·s-1)；K为刚度系数，N/m；F为外加载荷，N。

由于在连杆的模态分析中，阻尼比对部件的固有频率和振型影响非常小，所以结构的无阻尼自由振动(即C=0和F=0)方程为：

.

(2)

由式(2)可以导出连杆的固有频率和振型的特征方程：

K-ω2MΦ=0.

(3)

其中：Φ为特征矢量，即部件的正则化振型；ω为连杆的固有频率。

2.2 连杆有限元模型的建立

2.2.1 建立三维模型

由于连杆的造型较复杂，为了更真实地模拟出连杆的实际工作情况，因此要把连杆的具体形状真实地表现出来。由于ANSYS Workbench软件的造型功能远远不如以建模为主的UG、SolidWorks等软件，因此本文采用UG建模软件进行建模，得到的连杆三维模型如图1所示。

图1 利用UG建立的连杆三维模型

2.2.2 连杆模型的导入与网格划分

利用Parasolid格式把连杆三维模型导入到ANSYS Workbench中，并对连杆三维模型进行网格划分。有限元网格模型的划分是用有限元计算分析问题的首要条件，计算结果的对错主要取决于计算的数学模型是否与实际结构相吻合。本文在对实体模型网格划分前，首先确定了网格单元的尺寸(采用单元尺寸值为2.5 mm)，然后执行网格划分命令，完成后可以查看网格的质量是否达到理想的网格质量。此发动机连杆的节点数为80 707，单元数为51 905，建立生成的有限元网格模型如图2所示。

2.3 载荷和边界条件的施加

本文对连杆进行自由状态下的振型及固有频率模态分析，只考虑其本身重量的影响，不考虑连杆在工作时所受到的交变力，并根据实际工作情况对连杆施加固定约束。因为连杆的小头内表面与活塞相连，大头内表面与曲柄相连，因此，本文假设连杆大头固定，不对小头施加任何约束载荷。

图2 网格划分后的连杆模型

2.4 连杆模型模态求解与分析

根据以上所述的约束，对此发动机连杆进行模态分析，并根据模态分析的理论知识，提取了连杆的前6阶模态。三种材料的发动机连杆前6阶固有频率与最大变形量如表2～表4所示，其中40Cr的发动机连杆振型云图如图3所示。

表2 QT40-10连杆的前6阶固有频率与最大变形量

阶数123456固有频率(Hz)272.82637.531072.32356.34580.56186.1最大变形量(mm)112.38114.17160.68131.83133.5789.646

表3 40Cr连杆的前6阶固有频率与最大变形量

阶数123456固有频率(Hz)289.86677.351139.22503.44866.66572.5最大变形量(mm)108.37110.1154.95127.13128.8186.448

表4 Ti-6Al-4V连杆的前6阶固有频率与最大变形量

阶数123456固有频率(Hz)280.48654.581086.62421.64694.06360.4最大变形量(mm)144.75147.05206.97169.94172.37115.48

图3 40Cr连杆的前6阶振型云图

从图3可以清楚地看到：连杆的振动形式多为弯曲振动，同时伴随着扭转变形与拉伸变形；第1阶与第2阶振型变形情况相类似，主要是小头部位与杆身部位振动比较密集，第1阶振型为杆身与小头绕Y轴弯曲振动，第2阶振型为杆身与小头绕Z轴弯曲振动；第3阶振型为小头与杆身绕X轴扭转振动；第4阶与第5阶振型为连杆中部的2阶弯曲振动，第4阶弯曲方向沿着Z轴上下摆动，第5阶弯曲方向沿着Y轴上下摆动；连杆的第6阶振型为杆身与小头沿X轴做伸缩振动。连杆的弯曲振动通常会使得活塞与小头发生错位，产生额外的应力，容易造成裂纹和疲劳损坏。因此在设计时，不仅要避免连杆的大、小头与杆的连接处应力集中，还要避免杆身扭转变形使连杆本身产生疲劳破坏，以及避免与连杆相连的活塞与曲柄的配合发生歪斜，从而造成发动机的损坏。

以上是对材料为40Cr的连杆的振型图的分析，其他两种材料的振型图与其类似，分析结果相同，在此不再赘述。

3 结语

运用有限元软件对连杆进行了模态分析，从模态分析的结果可以看出，三种材料的连杆的受力都主要集中在连杆杆身靠小头的部位，以及杆身中间部位，容易出现弯曲扭转发生疲劳破坏。根据三种材料的模态分析结果可知，它们的固有频率是有差别的，在发动机转速固定的情况下，或者在不改变连杆生产流水线的前提下，可以根据具体的工作情况选择合理的材料制造连杆，以避免发生共振现象，达到减振的目的。

参考文献：

[1] 王晓云，罗丹，任耿鑫.基于ANSYS的485Q型连杆动态特性分析[J].机械传动，2011，35(8):81-84.

[2] 代伟峰，樊文欣，程志军.基于ANSYS的连杆模态分析[J].机械工程与自动化，2007(8)：39-41.

[3] 刘昌领，罗晓兰.基于ANSYS的六缸压缩机连杆模态分析及谐响应分析[J].机械设计与制造，2013(3)：26-29.

[4] 刘波，董小瑞，毛虎平，等.4V-105柴油机连杆系统接触模态特性研究[J].内燃机与配件，2014(7)：6-10.

[5] 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(4)：25-32.

Modal Analysis of Connecting Rod of Different Characteristic Materials

FAN Dong-xiang1, FAN Ji-hua1,2, XU Kan-wen1, CHEN Li-wei1, WANG Qi1,2, FANG Hai-feng1,2

(1. Suzhou Institute of Technology, Jiangsu University of Science &Technology, Zhangjiagang 215600, China; 2. School of Mechatronics & Automotive Engineering, Jiangsu University of Science & Technology, Zhangjiagang 215600, China)

Abstract：An engine connecting rod is taken as the research object. The three-dimensional model of connecting rod is established by UG software. It is imported into the finite element software ANSYS Workbench to generate the finite element model. At the same time, through three kinds of materials with different characteristics, the modal analysis is carried out on the connecting rod respectively, and the natural frequencies and vibration modes of three groups of connecting rods are obtained. The calculation results show that the design of high performance, high quality of the connecting rod needs to consider the intrinsic characteristics of connecting rod, which will provide theoretical reference for reducing vibration and noise, thus avoiding resonance phenomenon.

Key words：FEM; engine connecting rod; model analysis

文章编号：1672- 6413(2017)01- 0055- 02

*江苏省高校自然科学基金面上项目(15KJB130003)；张家港江苏科技大学产业技术研究院质量提升项目

收稿日期：2016- 05- 03；

修订日期：2016- 12- 03

作者简介：范东祥(1993-)，男，江苏泰州人，在读本科生，专业为机械设计制造及其自动化。

中图分类号：TP319.7∶U464.133+.2

文献标识码：A