基于ANSYS汽车连杆的模态分析

李路云

摘要：振动现象是机械结构经常需要面对的问题之一。由于振动会造成结构的共振或或疲劳，从而破坏结构。所以必须了解结构固有的频率和振型，避免在实际工况中因振动因素造成结构的损坏。模态分析主要研究结构或机器部件的结构特性，将得到结构的固有频率和振型，对复杂结构进行精确的模态分析，将为评价现有结构的特性特性、新产品和诊断动态性能的预估及优化设计，提供科学的依据。

关键词：ansys；汽车连杆；模态分析

1引言

汽车众所周知的最常用的交通工具之一，在整个汽车的复杂系统中，发动机就是其中最重要的之一，常常也称作汽车的心脏。当汽车发动机工作时，活塞燃烧室产生的气体其爆炸力通过连杆传递给曲轴，曲轴带动飞轮转动从而将动力输出。在这工作的过程中，发动机连杆在传递燃料爆炸作用力的同时也承受了最大最强烈的冲击力、动态应力，因此,连杆成为发动机动力学负荷最高的部件。连杆是发动机传递力最重要的零部件之一，同时也肩负着传递力的方向的重任。所以,汽车发动机连杆的质量和性能就直接关系到整个发动机工作的稳定性以及故障率。利用有限元对汽车连杆零部件进行模态分析,有利于对连杆零部件更科学的使用。

2基本原理

2.1ANSYS简介

ANSYS软件是可以处理的分析类型：结构分析、热分析、电磁分析、流体分析、耦合场分析。结构分析首先待求的自由度是位移，而其他量诸如应变、应力、反应力等均是通过位移值来得到的。在ANSYS中，结构分析主要包括7种：静力分析、模态分析、谱分析、瞬态动力学分析、谐响应分析、特征屈服分析、专项分析。而模态分析是本论文的着重应用，主要分析用于计算结构的自然频率和振型，用于解决实际生活中的机械振动。

2.2ANSYS模态分析简介

结构动力学分析不同于静力学分析，常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响，同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用效果。模态分析是动力学分析功能的一种。动力学分析是用来确定质量（惯性）和阻尼起重要作用的结构和构件动力学特性的技术。动力学分析的主要目的：

（1）确定结构振动特性，即固有频率和振型。

（2）分析结构的动力响应特性、响应的变化规律等。

3汽车连杆的模态分析

3.1汽车连杆结构建模

建模步骤归纳如下：指定分析标题--定义单元类型--定义材料性能--建立结构几何模型--进行网格划分等。

本文采用某品牌汽车连杆为模型，对其结构进行模态分析。其尺寸为：长度为435mm，连杆厚度为15mm，且大孔的半径R=80mm；小孔的半径R=55mm。整个汽车连杆采用同一种材料，其性质如下：弹性模量210Gpa；泊松比:0.3；质量密度：7800kg/m3。本文采用单元SOLID186进行有限元分析，网格划分采用智能划分的最精细划分，单元形状选择四边形。汽车连杆模型划分网格完成后的模型如图1所示。

图1汽车连杆网格划分后的模型

3.2对汽车连杆模型进行加载求和

在连杆大孔内边面进行施加法向约束，在Y=0的所有表面施加对称约束边界条件,汽车连杆大孔表面顶点约束，汽车连杆小孔表面约束，其模型如图5所示：

3.3后处理分析

本文在Ansys的结构分析中模态分析进行计算求解。分析了汽车发动机连杆的多阶振型及位移云型的变化过程，分析选项全部设置完成后的状态如图2所示；

图2汽车连杆在后处理的模型

计算完成后可以看到汽车连杆各节振型及位移图的动态过程。

4结果与结论

4.1实验结果

1）运用有限元法对连杆进行模态分析可以有效地计算连杆的振型和共振频率，找出连杆的薄弱环节。

2）发动机在工作过程中由于连杆模态密集，很容易发生共振的响应，从而引起连杆的动应力过大，以至于出现疲劳和裂纹损坏现象。发动机通常工作在低频区，而连杆前三阶频率较低，相邻模态之间频率相差较小，也容易引起耦合振动，在设计过程中要加以优化设计。

3）连杆在不同阶数的模态下主要变形为弯曲、扭转或弯扭组合，在连杆设计过程中要采取抗弯扭措施，尽量减小变形对连杆性能的损坏。

4）连杆的动态特性分析是静态设计的补充和发展，是对连杆结构进行合理设计，提高使用可靠性的重要手段。

5）连杆的动态设计不仅要满足连杆

4.2实验结论

本例子对车用发动机的连杆进行有限元分析，对连杆有限元计算中建模的方法和模态分析进行了研究；同时模态计算的结果表明，在气体爆发压力瞬时载荷的作用下以及曲轴纵振动激励载荷的作用下，连杆有发生共振的可能，这提醒我们在今后的设计中，要避免共振发生。