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连杆优化重量和降低成本Pravardhan S. Shenoy and Ali FatemiThe University of Toledo文摘摘要对钢锻造连杆进行了优化研究，并对其重量和生产成本进行了改进由于连杆的重量对 其总生产成本影响不大，所以成本和重量都是单独处理的通过材料的变化来减少机械加工， 是降低生产成本的一个重要因素减重是通过使用迭代过程实现的文献调查表明，由静态 拉伸和压缩载荷组成的循环载荷常用于连接杆的设计和优化然而，在本研究中，负荷优化 是由一种由动态拉伸载荷和静压载荷两种极限载荷组成的循环荷载作用下进行的同时还对 疲劳强度、静强度、抗屈曲性和可制造性等因素进行了限制疲劳强度是连接杆优化中最重 要的因素此外，还对节约成本进行了估算研究结果表明，与现有的连杆相比，优化连接 杆的重量轻了 10%，成本降低了 25%介绍本研究的目的是为了优化钢架的重量和制造成本，并考虑近期的发展情况通常，最佳 解决方案是目标函数在定义的约束条件下可以达到的最小或最大可能值然而，在这里进行 的优化并不是真正的数学意义上的，因为在减少质量的同时，制造的可行性和降低成本是优 化的组成部分此外，本工作中使用的软件对疲劳寿命约束下的优化进行了限制。

因此，在 定性分析的过程中，并不是采用数值优化技术，而是定性地分析了定量结果，并对结构进行 了修正Yoo等人用不同的弹性方程、连续介质力学的材料衍生概念、以及一种联合变量技术来 计算压力的形状设计敏感性该结果被应用于迭代优化算法中，用于数值求解的优化设计方 案Serag等人开发了近似的数学公式，定义了连接杆的重量和成本，作为客观的功能和约 束这种优化是通过几何编程技术实现的Sarihan和宋三优化了一个发动机连接杆的手腕，并对其进行了干涉它们产生了一个近似 的设计表面，并对这个设计表面进行了优化在迭代过程中，目标和约束函数被更新，直到 实现了收敛所使用的负载周期是与最大扭矩对应的压缩气体载荷，与最大惯性载荷对应的 拉力载荷摘要利用变形和平均八面体剪应力的修正后的古德曼方程进行了疲劳分析摘要 提出了一种方法来优化连接杆的形状，使其在负载周期中，由从气体负荷中扣除的惯性负载 作为另一极端的极限和峰值惯性负载首先用有限元程序计算出杆的位移和应力，然后用另 一例程计算总寿命疲劳寿命被定义为裂纹萌生和裂纹生长寿命的总和，利用断裂力学获得 裂纹生长寿命对于这一优化问题，连杆的重量对最终构件的成本影响不大。

材料的变化，导致加工成 本的显著降低，是降低成本的关键因素因此，在这个优化问题中，成本和权重分别被单独 处理在优化过程中考虑减重的结构因素包括屈曲载荷因素、荷载作用下的应力、弯曲刚度 和轴向刚度采用C-70钢，即断裂裂纹，达到降低成本的目标它消除了杆头和顶盖面的 锯切和加工，据信可以将生产成本降低25%图1显示了实际的和数字化的连接棒当螺栓头重的时候，两者之间的重量差小于1%这 表明了固体模型的准确性所考虑的引擎配置在表1中列出图1:实际的和数字化的连接棒表1:连接杆所属的引擎的配置图1显示了实际的和数字化的连接棒当螺栓头重的时候，两者之间的重量差小于1%这 表明了固体模型的准确性所考虑的引擎配置在表1中列出负载分析图2中所示的压力曲柄角图如图所示该优化是在一种循环荷载作用下进行的，该载荷包 括动态拉伸载荷和静压载荷两种极限载荷结果包括连杆的角速度和角加速度，连杆曲柄端 中心和重心的线性加速度，以及末端的力产生的几个发动机转速曲柄端和活塞端力作为曲 柄角的函数，分别在图3(a)和 3(b)的最大发动机转速下，如图3(a)和 3(b)所示力的两个 组成部分，一个沿着连杆的长度，另一个在它的另一个上。

由此产生的合力也显示出来在 任何时间点，在末端计算的力都是外部载荷，而惯性负载形成了连接杆上的内部负载这些 结果导致了一组完全平衡的外部和内部负载随着速度的增加，最大的拉伸载荷增加了在曲 柄端，最大的压缩载荷减小可以看到，最大的动态拉伸载荷与360度曲柄角对应请注 意,在动态负载的作用下，在给定的时间点上，两端的力是不同的6002.DE+04-20E+04曲柄年度1.0E+04N O.OE+OO-1.0E+04图3:轴向、正常，以及在曲柄端(a)和活塞销端(b)的合力，以曲柄转速/分钟的速度应力历史摘要采用准动态有限元法来获得应力-时间的历史准动态有限元法，而非静态有限元 法，可以捕捉实际的锥状结构行为在执行连杆机构的准动态有限元法的同时，在连杆的曲 柄转角上，对连杆和连杆的载荷进行了计算，并应用于连杆的曲柄和活塞销的销端在连杆 的大小和方向上都指定了角速度、角加速度和同一曲柄角的直线加速度根据这些输入，计 算并应用了惯量和动态载荷这确保了应用负载形成了一组完全平衡的内部和外部负载应用载荷分布是基于韦伯斯特等人的研究摘要在曲柄接触面与余弦分布的180度范 围内，拉伸载荷被应用于180度的曲柄接触面，而在曲柄接触面120多度的情况下，压缩 载荷是均匀分布的。

的6个细节已经讨论过了在图4中所示的15个位置中，图5显示了 位置9、12和13的压力时间历史从这个图中可以看出位置9的最大应力在360度的曲柄 角度，就像它的最大载荷一样然而，在第13位，最大的由于弯曲应力的影响，应力发生 在3480曲柄角这一点强调了弯曲应力，在单轴载荷作用下，不考虑设计/优化连杆结果 发现，在柄中心7处，弯曲应力大约是整个应力幅值的20%应用载荷分布是基于韦伯斯特等人的研究拉伸载荷应用超过180 0曲柄接触表面的余 弦分布，而压缩负荷应力历史的其他重要的观测位置在图4中，位置附近的油孔和曲柄端过渡 的重要multiaxiality要求使用等效应力（即■冯■米塞斯）同时，R比（也就是最小到最大应力 比）随位置和发动机转速的变化而变化例如，在柄的中间（即图4中的第12点），R的比率 在2000年的时候为18.8/分钟到0.86/分钟这些都是在7点讨论的图4:在连接杆上的位置，在一个完整的引擎周期中，应力变化被跟踪一1—9 -M-12 1—13K5CL巨—InE 心」m图5:压力（冯米塞斯）在第9、12和13的位置上的引擎周期的变化XX是一 xx组件的压力优化语句和约束优化的目的是将连接杆的质量降到最低，包括峰值压缩气体载荷和峰值动态拉伸载荷 (在360度/分钟内曲柄角)，最大、最小和等效应力幅值均在允许应力范围内。

连接杆的生 产成本也被降到最低此外，在峰值气体负荷下的屈曲荷载系数必须是允许的在优化的几 何结构中，连杆必须与当前引擎中现有的一种可互换这些需求或约束，现在都简要地讨论 了应用载荷-使用的拉伸载荷是在360度/分钟时的360度曲柄角的动态拉伸载荷这是因 为在连接杆的所有位置上，最大的拉伸应力发生在或接近360度的曲柄角，以达到每分钟 的速度所使用的压缩气体负荷为21.8 kN，对应在压力曲柄角图(见图2)中达到峰值柱面 压力，21.8 kN的压缩负载与连杆几何形状无关然而，拉伸载荷依赖于特定的几何形状， 因为它是质量的函数，惯性矩，和cg的位置允许应力-允许应力是材料强度与安全系数的比值摘要为优化连接杆选择的材料是 C-70钢，由于其断裂的脆裂性C-70钢有27%的延伸率，而单调的应力-应变曲线8显示了 相对延展性的材料的性能结果，对静载荷安全系数的定义是考虑到屈服强度，而不是最终 的抗拉强度对于循环加载，连接杆的寿命预计在108到109之间°c-70钢的耐久性极限是339 MPa， 而现有的锻钢材料是423 MPa表面光洁面没有考虑在内，由于喷丸处理过程消除了表面 上的表面处理对疲劳寿命的负面影响，通过在表面上产生压应力的残余应力。

这是在连接杆 8号轴疲劳试验期间的地下故障确认的失败指数-一个类似于安全系数的概念，失败指数(FI)，在这个工作中被用来量化应用应 力的严重程度和可用强度失效指数(FI)是安全系数的倒数，可以被定义为冯米塞斯应力与 强度的比值(即屈服强度或疲劳强度，取决于应力的静态或循环性质)越是接近一个，失败 的可能性就越大在这项工作中，安全系数的安全系数是2.1,根据诺顿9号的指导方针，以及其他关于 连接杆的设计的研究，如Folgar等10人的研究要么是048,要么是现有成分中的FI， 无论哪个更高，都被用来在连接杆的给定位置或区域获得允许的应力对于循环加载，Sonsino和Sonsino 11使用了一种安全系数为1.66的安全系数，这是 一种连接杆的负载同样的因素也被用于这里允许的应力幅值，对应的是0与轴向载 荷的情况类似，该假设为060或现有构件中的FI，无论哪个较高，都被用于在给定的位 置或区域中获得允许的应力幅值图7显示了现有的几何体在循环载荷下的耐久性极限KFJI3- f H7IJ- O6. 08D D图7:失效指数(FI)，定义为:在现有的连杆和材料上，，在R=-1上的等效应力振幅与423 MPa 的耐力极限的比值。

几何约束优化的连杆被假定为可互换的现有的一个因此，曲柄销的直径和活塞销孔的直径，连杆的整体厚度，曲柄销中心到活塞销中心的距离是不能改变的活塞销端安装 在活塞下，在运行时应该清除活塞裙和活塞底部螺栓的尺寸和孔的尺寸也被保留了下来这是因为对连接连接棒的接口进行建模是一个复杂的问题，超出了这项工作的范围 连接杆的所有其它尺寸都可以在实际限制范围内变化优化过程和结果对现有连接杆与允许应力的比较结果表明，连接杆的柄区为减重提供了最大的潜力3、4、9、10和11（图4）附近的区域已经高度紧张尽管在5、6、7和8附近的区域可能提 供减肥的潜力，但这些区域涉及到螺栓和连接棒之间的复杂接口结果，这一地区并不是研 究的重点然而，在小腿部位，肋骨和网络的厚度却降低了，只有达到一定的限度才能保持可锻性 优化连杆的截面模量应该足够高，以防止高弯应力弯曲应力存在于惯性力的作用下，也可 能由于曲轴和箱壁变形而产生为了使截面模量尽可能高，肋骨的宽度增加了与现有的锻钢相比，由于C-70钢的屈服强度和耐力极限，在该地区的销钉端部的体积 增加了，从而增加了该地区的强度基于指南的Repgen[5]，夹具的位置搬迁从现有的位置 是完全帽。

的半径过渡到曲柄端铰接端增加，因为放松半径减少应力集中的影响效果然而，整体宽度、针端和曲柄端孔的直径，以及连接杆的针端中心到曲柄端中心长度没有改 变，以保持与现有连杆的可互换性必须指出的是，在优化过程中，除了讨论的尺寸外，在 网络上的尺寸和连接杆的尺寸也各不相同经过几次迭代，包括确定加载和执行每个迭代步骤的几何形状的FEA，得到了一个优 化的几何图形，如图8所示优化连接杆的质量为396克，比原连杆的质量低10%这个几何图形是用来满足上述设计约束的图8:优化连接杆的几何形状在拉伸和压缩载荷作用下，对c-70钢的屈服强度进行了失效指标（FI）在拉伸载荷的表面上发现的最 高的非拉伸载荷是在针端孔的表面然而，在一项涉及连杆与活塞销和衬套的分析中，观察到该区域针端 孔）的应力明显低于余弦负荷所预测的应力对于循环加载，在c-70钢的耐受力极限下，获得了失效指数（FI）根据冯米塞斯的准则计算了等效应 力幅值，并计算了等效的平均应力-SqmSqm= Smx+Smy+Smz ⑴在获得等效的平均应力和应力幅值后，利用常用的修正古德曼方程得到了 R=-1（对应于SNf）的等效 应力幅值连杆，用于循环加载这个数字表明最大的FI是在。