近些年来,随着计算机软硬件的高速发展,CAE技术也取得了很大的进步,相应地CAE技术的应用范围更加广泛,计算规模更加庞大。现代社会的快速发展也对研发人员设计计算工作效率的提升提出了更高的要求,在这个寸金寸光阴的时代,如何更快、更准地仿真计算出零部件的结果就显得尤为重要了。作为发动机关键零部件的活塞连杆组在实际工作状态下承受的载荷复杂多变,提取一个工作周期内活塞连杆组所承受的动态载荷,对其进行结构强度的瞬态分析计算可以更好地仿真其真实的工作环境,提升计算精度。另一方面,对其进行以最小体积为目标函数的结构优化设计不仅能减少发动机批量制造过程中材料的使用量而且还能减小活塞连杆在高速运动过程中的往复惯性力。然而,动辄数百万的单元、节点数的仿真计算对计算机硬件配置要求高并且需要花费大量的时间,直接对此等规模的零部件进行动态载荷条件下的结构优化设计更是不敢想象。针对现存问题,本文将“子结构法”这种高级有限元计算方法引入发动机活塞连杆的结构优化设计中,配合等效静态载荷法对动态载荷进行等效静态的转化,突破发动机活塞连杆结构动态优化设计耗时的瓶颈。全文思路如下:(1)活塞动态载荷的等效静态转化。对发动机活塞进行动态载荷下的瞬态分析计算,求解其最大等效应力及最大等效位移出现的时刻,以该时刻活塞的应力、位移数据为依据,使用等效静态载荷法的思路对其进行动态载荷的等效静态转化;(2)活塞静态子结构模型的生成及结果验证对比分析。对活塞进行子结构的划分,并将其分析结果中非重点考察的区域进行节点的衰减计算并生成一个超级单元。对活塞结构需要优化设计的部分进行参数化设计并对普通单元以及超级单元进行重组。最后将该子结构模型应力、位移计算结果与原始模型做对比,验证该子结构模型的准确性。(3)活塞静态子结构凝聚下的结构优化设计计算及结果对比分析。对该子结构模型进行结构优化设计计算,通过与传统计算结果的对比来展现子结构方法的准确性及高效性。(4)连杆杆身无阻尼自由振动仿真计算。对连杆杆身进行16阶自由模态计算,将其振动频率作为验证子结构模型模态计算结果准确性的对比数据来使用。(5)杆身子结构模型主自由度的选择及连杆子结构模型的重组。对连杆杆身进行子结构划分、生成、重组及结果验证分析,以验证子结构法在结构模态分析计算中应用的可行性。(6)连杆小头子结构模型拓扑优化设计。使用连杆杆身子结构模型进行结构拓扑优化计算,通过对其计算结果的分析,发掘连杆小头结构优化的潜力。(7)提出了超单元子结构主自由度选取方法GUI设计的思路。将主自由度的选取方法嵌入ANSYS软件平台,设计成一个GUI对话框,通过内置的优化计算数学模型的收敛性计算来帮助使用者选择出超单元子结构合适的主自由度。通过子结构法在活塞连杆结构优化设计中的应用,论证了子结构法在结构优化设计中使用的准确性及高效性,拓展了该方法的使用范围,同时也对其他复杂结构的优化设计计算提供了借鉴算例,有一定的实际推广价值。