连杆结构拓扑优化设计及其对发动机系统稳定性的影响

简介

建立起某车型的发动机曲柄连杆机构系统。首先基于ABAQUS/Optimization模块,对连杆结构进行拓扑优化设计,在满足结构刚度和强度的前提下达到结构轻量化的目的,后采用隐式动力学分析算法,对优化前后的活塞-连杆-曲柄系统进行动力学仿真分析,对比优化前后系统的振动特性。结果表明,在以得到最小应变能为目标的条件下,通过移除连杆杆柄四周的部分多余材料,可使连杆系统的应变能降低为868.9J,结构质量也由初始的0.793kg降低为0.585kg,实现减重26.2%的最终效果。采用隐式动力学分析算法,计算结构优化前后的活塞-连杆-曲柄系统运动特性,结果表明,通过对连杆进行结构轻量化设计,可以降低系统质量,且不会恶化系统响应行为,相反地,它对系统的切向振动起到一定的改善作用。通过优化设计可以避免连杆出现大范围的应力集中,虽然一定程度上增加了最大应力值,但是依然在安全范围以内,因此本研究提出的优化方案是安全的。此外,避免活塞-连杆-曲柄系统失效发生的关键是减小活塞初始运动带来的大范围扰动效应。本研究提供的优化设计方法将为发动机系统的轻量化,以及系统振动改善等方面的结构设计提供一定的参考思路。