基于Workbench的发动机连杆优化

作为汽车发动机的核心部件，连杆直接决定了发动机的效率和性能，基于此本文将使用ANSYS Work-bench中的Design explorer优化模块对某发动机连杆进行优化，针对连杆三维模型的重要参数，例如连杆大头外圆直径等，进行约束优化设计，以获得满足轻量化要求的连杆机构。

连杆在发动机中承担连接和传动的功能，所以承受较大的周期性交变应力作用，此外为了限制连杆运动惯性力，提高连杆运动性能，需要将连杆的质量尽量降低，同时还必须满足刚度和强度的要求，防止连杆在工作中断裂失效。因此，一个重量轻且具有足够强度的连杆在现代汽车设计中备受重视[1]。有学者利用Matlab 优化工具箱对连杆杆身的工字形结构进行可靠性优化设计并给出定量描述[2]。

有研究人员以ANSYS 软件为平台， 建立了连杆的有限元模型， 在满足屈服强度条件下对连杆进行结构优化设计， 得出的连杆质量比传统设计的质量要小[3]。此外也有学者在灵敏度分析的基础上，选择合理的设计参数以连杆质量最轻为目标对连杆进行了优化设计[4]。在国外有学者对连杆进行拓扑优化，操纵并比较拓扑优化前后连杆的最大主应力、等效应力、最大主应变和总变形值[5]。也有对锻钢连杆模型进行优化，并进行一些减重活动。在优化的帮助下实现了轻量化的结果[6]。

参考国内外的研究现状，本文将运用优化理论以及有限元分析的理论，以连杆的质量作为目标进行最优化求解，使连杆质量更加小，同时对比优化前后连杆的最大等效应力和最大变形，保证其有足够强度，不影响发动机正常运行。

2. 优化理论 机械优化设计即在满足约束前提下， 寻找一组设计参数， 使机械产品单项设计指标达到最优的过程。

其方法主要包括解析法和数值计算方法，解析法主要是利用微分学和变分学的理论，用于解决小型和简单的问题；而数值计算方法是利用已知的信息，通过迭代计算来逼近最优化问题的解。机械优化的数学模型如下： ()()()()()mins.t.

01,2, , 01,2, , nuvfXXRgXumhXvp∈≤=== (1) 其中[]123, , , , nXx x xx=为设计变量，是在优化中决定的参数，在优化设计过程中优选并且动态变化。

()min fX 为目标函数，()(), g Xh X 为约束条件，分别为不等式约束和等式约束。求解优化设计问题即为在由所有约束条件构成的可行域内，求使目标函数取得最小值的一个设计点。本设计的设计变量是结构的尺寸，目标函数是连杆质量的最小值，约束条件为应力约束、变形约束和结构边界约束。

3. 连杆模型建立及优化对象参数化 3.1. 模型建立 本次优化的模型是在solid works 中所建立的，其连杆大头以及连杆小头的内径参照曲轴半径以及活塞销半径进行设计，其余参数均根据汽油发动机设计开发手册[7]中的连杆设计模块进行设计。由于完全按照实物模型进行建模，到有限元分析步骤会非常困难，所以本连杆模型在不影响主要力学性能的前提下，适当的对连杆结构进行了简化，将连杆整合成了整体式结构，删掉一些螺栓结构以及倒角倒圆。整体建模如图1 所示。