連桿是內燃機中重要的傳動(dòng)零件之一，在工作中承受各種復雜的和周期性變化載荷，若其強度不夠，很容易引起疲勞破壞而斷裂，導致發(fā)動(dòng)機故障，造成極嚴重的后果。作為一種有效的分析方法，有限元分析在連桿的設計過(guò)程中己經(jīng)得到了廣泛應用。
    隨著(zhù)我國農業(yè)機械化的迅速發(fā)展，農業(yè)機械的應用越來(lái)越廣泛，而單缸發(fā)動(dòng)機是我國農業(yè)機械的主要機型，其中1100型單缸柴油機是主要機型之一。本文運用ANSYS軟件對1100型柴油機的連桿進(jìn)行了有限元分析，得到連桿的應力分布、安全系數和疲勞壽命的情況，并根據分析結果進(jìn)行了優(yōu)化設計，為此連桿的可靠性設計提供了依據。
1、建立模型
    連桿材料為45號優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼，建立準確和可靠的計算模型是應用有限元法進(jìn)行分析的重要步驟之一。對連桿的大頭端做了簡(jiǎn)化處理，不考慮連桿軸瓦、襯套和螺栓的預緊力，把連桿體和連桿蓋作為一個(gè)整體造型。對一些影響連桿強度極微的小倒角和小圓角做了簡(jiǎn)化處理。
2、載荷施加
    連桿在工作時(shí)所承受的周期性變化的外力主要由兩部分組成：一是經(jīng)活塞頂部傳來(lái)的燃氣爆發(fā)壓力，對連桿起壓縮作用；二是活塞連桿組高速運動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，對連桿起拉伸作用。故在分析時(shí)，主要考慮連桿的最大燃氣壓力、活塞組件的慣性力和連桿組件的慣性力。
2.1、氣體作用力
    氣體作用力是由于燃氣爆發(fā)產(chǎn)生的氣體壓力直接作用在活塞上，活塞通過(guò)活塞銷(xiāo)把作用力傳遞到連桿小頭。
2.2、活塞組件的往復慣性力
    活塞組件的所有零件包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷(xiāo)和活塞銷(xiāo)片環(huán)�；钊�組件的質(zhì)量m}即為所有組件的質(zhì)量之和�；钊�組件的往復慣性力作用在活塞銷(xiāo)上，并通過(guò)活塞銷(xiāo)作用在連桿上。
2.3、連桿的慣性力
    連桿組包括連桿體、大頭蓋、連桿軸瓦、連桿螺栓和連桿襯套。連桿組的質(zhì)量由這些部分組成。為了簡(jiǎn)化計算，通常把作復雜平面運動(dòng)的連桿質(zhì)量分為兩部分：一部分集中在連桿小頭質(zhì)量為m，把其看作只與活塞一起做往復運動(dòng)；另一部分集中在連桿大頭質(zhì)量為mz，把其看作只與曲柄一起做旋轉運動(dòng)。因此，連桿的慣性力包括小頭部分的往復慣性力和大頭部分的旋轉慣性力。
    對連桿的分析包括兩種工況，即最大拉伸工況和最大壓縮工況。載荷的作用力方向通過(guò)大小頭孔中心的連線(xiàn)，并且作用在連桿大小頭孔的內表面，沿軸線(xiàn)方向按二次拋物線(xiàn)分布，沿徑向呈余弦分布。在最大拉伸工況下，連桿小頭孔載荷沿小頭孔圓周方向在120°范圍內按余弦分布，連桿大頭孔載荷沿大頭孔圓周方向在180°范圍內按余弦分布；在最大壓縮工況下，連桿大小頭孔的載荷均沿孔的圓周方向在180°范圍內按余弦分布。
3、連桿的結構優(yōu)化
    由于整個(gè)連桿的安全系數為1.24，數值較設計值富裕量較少，為了提高連桿的整體性能，對連桿進(jìn)行了優(yōu)化設計。由前面的分析結果可知，連桿的小頭與桿身的過(guò)渡位置及靠近連桿大頭的工字型截面內為主要應力的集中部位，需要對這兩個(gè)位置進(jìn)行結構尺寸改進(jìn)，主要改進(jìn)位置有3處，即連桿小頭與桿身的過(guò)渡圓角D、靠近連桿大頭工字型截面內的倒角Dz以及邊倒角D3。結構優(yōu)化方案與優(yōu)化后的分析計算可知：方案1的結構相對于優(yōu)化前的最大拉應力減小了很多，但最大壓應力幾乎保持不變，疲勞壽命有很大的增加；在方案2中，隨著(zhù)3個(gè)倒圓角尺寸的增大，最大壓應力迅速降低，疲勞壽命有所增加，在第3種方案中，當圓角尺寸繼續增加的時(shí)候，最大拉應力及最大壓應力相對于方案2已基本不變，且其安全系數與第2種方案相同，都為1.350。
    根據優(yōu)化分析的目標(即通過(guò)連桿的最優(yōu)化設計)，遵守質(zhì)量最輕、應力應變最小和疲勞壽命最大的原則，對3種方案綜合考慮，認為方案2為最優(yōu)化方案。其原因是方案2中的應力值相對于優(yōu)化前的應力值己經(jīng)減少很大，而疲勞壽命值也有顯著(zhù)增加。在方案3中，雖然疲勞壽命有所增加，但其修改的結構尺寸與原尺寸己有很大出入，結構形狀已發(fā)生了很大的改變。因此，認為方案2是最優(yōu)方案。

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