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Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集 
 
 
 
内燃机连杆结构优化研究
魏璐璐 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
北京理工大学
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Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集 
内燃机连杆结构优化研究
The Structural Optimization Research of the Connecting Rod in
Gas Engine
魏璐璐
(北京理工大学)


摘要:基于 HyperWorks 软件建立连杆三维实体单元有限元模型,以 Von-Mises 应力
为依据对连杆结构强度进行分析;.建立连杆拓扑优化设计模型,实现连杆的三维拓扑优
化设计;以 Von-Mises 应力为依据,通过优化连杆外廓边界,实现连杆的形状优化设计。
通过拓扑与形状优化以减轻连杆质量。
关键词:连杆,有限元法,结构优化,OptiStruct
Abstract: Based on the HyperWorks, the FEM of the connecting rod was
established. According to the Von-Mises Stress, the strength analysis of the rod
was carried out. The mass of the connecting rod was reduced by topology optimization and
the shape optimization.
Key words: connecting rod, finite analysis method, structural optimization,
OptiStruct

1 引言
柴油机的结构十分复杂,而连杆是内燃机中重要的传动零件之一,工作条件十分恶
劣,因此设计好一个连杆对内燃机是十分重要的。
连杆的设计方法分为传统的设计方法和现代的CAE技术。相对于传统设计分析手
段,如按规范设计、实验方法等设计方法,CAE 技术具有极大的优势。当前的产品设
计方式面临着创新、缩短设计周期等挑战,这就对CAE技术提出了更高的要求。为了迎
接挑战,Altair公司推出了新一代的CAE创新平台——Altair ,它集成设
计与分析所需各种工具,具有强大的性能以及高度的开放性、灵活性的用户界面,包含
了 5 大类解决方案,18 大模块,能够满足CAE技术发展的未来趋势。HyperWorks为用
户提供优秀的前后处理工具HyperMesh,用于实现结构优化设计的OptiStruct技术以及
全面而通用的CAE后处理环境HyperView,还提供鲁棒性研究、集成的制造工艺仿真、
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流程自动化和数据管理等方面的支持,集成了设计与分析所需各种工具,逐渐成为以数
据和流程为核心的CAE创新平台,在汽车、航空航天、重装备、国防、消费品、石油天
然气以及生命和地球科学等行业得到广泛应用[1]。
优化设计的出现,为工程设计领域提供了重要的设计方法。经过半个世纪的发展,
它己日趋完善,在几乎所有的工程设计领域发挥着越来越重要的作用。
本文以 2015 柴油机连杆为研究对象,利用 HyperMesh 进行几何清理、六面体、四
面体单元的网格划分;以 Von-Mises 应力为依据对连杆结构强度分析以及强度校核;通
过 OptiStruct 对连杆进行拓扑优化与形状优化,最后在保证应力的前提下,达到减轻连
杆质量的目的。
2 连杆有限元分析
基于 HyperWorks 的有限元分析流程如图 1 所示。对于连杆的有限元分析主要分为
五步。

图 1 基于HyperWorks 的有限元建模流程图

三维模型的建立
按照 2015 柴油机连杆的设计图纸,用 Pro/E 软件进行连杆三维实体造型。由于连
杆盖通过螺栓与连杆紧紧结合在一起,建模时把连杆盖和连杆处理为一个连续体。由于
本文主要对杆身进行优化,在此,对结果影响较小的部分,如油孔、过渡圆角等忽略不
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计,同时可以不考虑螺栓、衬套和轴瓦的预紧力,对大头也进行适当简化,最终连杆三
维模型如图 2 所示。