中北大学毕业设计开题报告格式

This manuscript was revised by the office on December 10, 2020. 1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：

文 献 综 述 课题名称：柴油机连杆模态分析

一.本课题研究的目的：研究连杆的受力情况，包括动、静载荷，以改进发动机连杆的设

计和受力状况。 连杆是汽车发动机的主要传动部件之一，其大头孔与轴承连接，小头孔通过活塞销和活塞连接，将作用于活塞的气体膨胀压力传给曲轴，又受曲轴驱动而带动活塞压缩气缸中的气体[1]。连杆是柴油发动机中传递动力的重要零件，它把活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动并将作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率[1]。 在发动机工作过程中，连杆受膨胀气体交变压力的作用，连杆除应具有足够的刚度和强度外，还应尽量减小连杆的自身的质量，以减小惯性力的作用[2]。连杆在工作中承受着急剧变化的动载荷，再加上连杆的高频摆动产生的惯性力，会使连杆杆身发生变形：轻则会影响曲柄连杆机构的正常工作，使机械效率下降；重则会破坏活塞的密封性能，会排放恶化，甚至造成活塞拉缸、拉瓦、使发动机无法正常工作。因此对其刚度和强度提出了很高的要求。所以对连杆的强度和刚度分析在连杆设计中占有很大的比重。随着大型有限元软件的出现以及计算机技术的发展，使得用现代设计理论和方法对发动机的各个构件进行设计研究越来越频繁。连杆作为内燃机结构中的一个重要构件，其使用可靠性对整个发动机的可靠性有着决定性的影响。传统的连杆设计基本上为静态设计，而对连杆的动态特性很少涉及。但随着发动机的高速化和大功率化，静态设计越来越不能满足需要，往往在进行静态强度校核以及有限元静态计算时，认为强度足够，而在多次使用中却发现连杆上出现裂纹这致命的损坏现象。因此，用现代设计方法进行连杆的动态特性研究已经成为连杆设计中的重要环节。用有限元法对连杆的强度进行了分析，有时由于条件的限制，所建立的模型有一些不太合理的地方，连杆在气体爆发压力最大时，不仅受到轴向压力，而且还会受到一定弯矩的作用。同时对于边界条件的处理也存在着不足，因此，采用先进的有限元工具和合理的计算条件对车用发动机连杆进行分析才能得到更精确地结果[2]。 自从三维实体特征建模软件上市，Pro/ENGINEER及UG引入复合建模的概念，可以实体建模、曲面建模、薄壁建模、半参数化及参数化建模融为一体，被广泛地应用在机械、

【最新资料，WORD文档，可编辑修改】 汽车、航天等行业。并能自动进行干涉检查的高级装配功能模块、最先进的CAM模块以及具有A类曲线造型能力的工业造型模块：它在全球迅猛发展，占领了巨大的市场份额，已经成为高端及商业CAD/CAE/CAM应用开发的常用软件[3]。 模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法[4]。 有限元法( Finite Element Method,简称FEM) 作为模态分析的方法是一种数值离散化方法, 根据变分原理求其数值解。因此适合于求解结构形状及边界条件比较复杂、材料特性不均匀等力学问题能够解决几乎所有工程领域中各种边值问题( 平衡或定常问题、动态或非定常问题) 。 有限元法的基本思想是:在对整体结构进行结构分析和受力分析的基础上, 对结构加以简化,利用离散化方法把简化后的边界结构看成是由许多有限大小、彼此只在有限个节点处相连接的有限单元的组合体。然后, 从单元分析入手, 先建立每个单元的刚度方程, 再用计算机对平衡方程组求解, 便可得到问题的数值近似解。用有限元法进行结构分析步骤是: 结构和受力分析- 离散化处理- 单元分析- 整体分析- 引入边界条件求解[5]。 二．国内外研究现状及发展趋势 1）连杆的结构 连杆由连杆小头、连杆杆身和连杆大头构成。连杆杆身一般都采用从大头到小头逐步变小的工字型截面形状。为了保证发动机运转均衡，同一发动机中各连杆的质量不能相差太大，因此，在连杆部件的大、小头两端设置了去不平衡质量的凸块，以便在称量后切除不平衡质量[5]。连杆大、小头两端对称分布在连杆中截面的两侧。考虑到装夹、安放、搬运等要求，连杆大、小头的厚度相等（基本尺寸相同）。在连杆小头的顶端设有油孔（或油槽），发动机工作时，依靠曲轴的高速转动，把气缸体下部的润滑油飞溅到小头顶端的油孔内，以润滑连杆小头衬套与活塞销之间的摆动运动副[6]。 2）连杆的工况 连杆机构是发动机实现热功转换的主要机构。其主要功用是将气缸内气体作用在活塞上的力转变为曲轴的旋转力矩，从而输出动力[7]。 3）连杆的分析方法 a)传统方法 对连杆的分析通常忽略次要载荷而取五种主要机械载荷，即衬套装配预紧力、连杆螺栓预紧力、作用在连杆小端的最大拉伸载荷（活塞组件及连杆本身的惯性力）和最大压缩载荷（气体爆发压力和惯性力的共同作用）[8]。以往对连杆的分析，往往是对连杆进行单独计算，且为节省时间往往对连杆大小头部分所承受载荷进行简化分析，而这对载荷和约束的处理就带来了一定的困难。载荷近似认为按余弦规律分布，并且是离散的作用到大小头内表面。如果将变形放大100倍之后可以发现连杆的受力变形情况，很明显，连杆小头和大头的变形情况出现不同程度的失真，这是由于作用在节点上的载荷力方向和大小始终不变，所以当连杆受力发生变形时，加载到节点上的力就不能反映真实的受力情况[9]。约束一般都是加载到杆身的节点上或者是加到连杆的大头内表面，这种约束的加载不符合真实的连杆受约束情况，容易造成不可知的误差，而且在约束处会产生大的应力集中，不能如实的反映连杆的应力分布[10]。 b)有限元分析法 连杆的有限元分析建模模型经历了一个由简单到复杂、由浅入深的演变发展过程。从最早的曲梁模型到20世纪七八十年代的平面连续模型以及90年代至今的三维实体模型。经过近50年特别是最近30年的发展，有限元的基础理论和方法已经比较成熟，有限元计算结果可以作为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据[11]。在内燃机领域使用有限元方法，可以很直接的分析内燃机零部件的结构问题、热载荷问题和缸内的流场问题。连杆的计算分析在早期多采用经验公式。有限元理论和方法提出后，迅速在连杆分析上得到广泛应用。有限元技术的应用提高了内燃机零部件设计的可靠性，缩短了设计周期。大大推动了内燃机工业的发展。近几年来，随着软硬件水平的提高，活塞连杆组有限元技术又取得了很多新的进展[12]。 在进行内燃机零部件结构的可靠性分析中，通过数值方法求取零部件的载荷响应是必不可少的。目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法，边界元法、离散单元法和有限差分法，究其广泛性而言，主要还是有限单元法[13]。随着计算机的发展与应用，有限元法用于解决工程技术问题得到了越来越广泛的重视。目前国外柴油机零部件有限元分析课题基本集中在应力位移场分析、温度场分析及振动分析三个方面。另外 ，基于有限元分析结果的结构疲劳寿命预测也已逐渐发展起来。国外许多着名发动机研究机构如奥地利AVL研究所、英国Ricard。研究所、美国ATAC，以及主要发动机生产厂商如美国GM、FORD、日本NlSSAN、TOYOTA、德国MTR等广泛开展了发动机零部件的有限元分析，发表了大量的研究报告和论文[14]。分析的零件小到橡胶密封圈，大到整个机体、缸盖、几乎涵盖了所有需要分析的零件。 近几年来，柴油机零部件有限元分析的一个特点是分析更加精确细致，特别对小型零部件开始采用非线性模型进行接触问题的分析研究。柴油机零部件有限元分析的另一个特点是需要先进的前处理技术和高配置硬件设备，以进行大规模复杂零部件的分析。这类零件主要包括曲柄连杆机构及其固定件。曲轴、连杆、活塞的计算己经在原来二维模型的基础上，进行三维模型的分析，充分考虑零件细节对零件应力分布或温度分布的影响。机体的刚度、强度分析及噪声预测己经用于机体的结构修改研究。连杆工作的可靠性问题长期以来一直是人们在发动机研究和改造过程中关注的热点问题。对连杆进行结构分析，国内外有大量的文献报道，归纳起来主要是以下几个方面：有限元强度应力分析、动态响应分析、可靠性分析和优化分析。目前内燃机连杆优化设计的研究还主要是在一些科研单位，对优化后的结果进行产品考核试验还不是很多，如何真正的将这个技术应用于连杆生产厂家的实际设计和生产也是急需研究的课题[15]。 结合本行业设计经验及工艺条件，由发动机和计算机等多方专业技术人员配合，进行原型移植和二次开发，才是我国柴油机行业计算机辅助设计的发展道路，国内己有大连理工大学冯立岩博士、薛冬新博士等人在这方面进行了有益的探索并取得一些重要成果。钱丽丽在连杆大头-曲柄销接触的三维有限元素法计算中对连杆大头曲柄销的接触力情况进行了详细的研究，认为沿活塞销轴线方向的各接触面的接触角度是不同的，越靠近中间接触面，接触角度越小，接触角度的大小大约在120°～180°之间，这与曲柄销受力向下弯曲有关，接触力大小也是越靠近中间接触面越小[16]。20世纪80年代末到90年代初采用常单元插值线性单元插值和边界元等方法对连杆进行平面应力应变分析。近几年采用(连杆多质量代替系统)的准静态平面变厚度有限元法，由最大应力和最小安全系数来判别强化后连杆的安全性，并提出改进连杆结构的途径[17]。对连杆的三维实体应力应变分析开始于90年代初。国内外许多高校、发动机厂商和科研单位对各种型号发动机的连杆进行了强度和应力分析，确定了不同载荷下的高应力区及其变形形状，计算出连杆最危险部位的安全系数，从而为连杆的改进设计提供依据[18]。连杆静态应力的精确计算已经成为人们关心的焦点之一,这就要求进一步改进边界条件的处理技术,如各种载荷的精确计算,考虑连杆使用