发动机被称为汽车的心脏。发动机的可靠性可以说与汽车的寿命有着直接的关系,而组成发动机的各个零部件的可靠性是在发动机的开发工作中需要重点关注的问题。连杆、活塞、缸体及缸盖是一台发动机的主要构成零部件。在计算机技术相对不那么成熟的过去,这些部件的可靠性验证主要是通过经验数据和试验;但计算机技术当前的发展速度日新月异,有限元工具在零部件设计开发中承担了越来越重要的角色。使用有限元方法探索零部件的力学、热力学等性能在发动机优化设计中具有重要意义。本文将对4G20发动机的连杆、活塞、缸体以及缸盖进行有限元的分析。文中运用Pro/Engineer,基于特征建立了连杆、活塞、缸体和缸盖的3D实体模型,使用了 ANSYS Workbench进行网格划分和计算,使用Pro/Mechanica模块对连杆进行分析优化,使用Hypermesh软件对缸体进行模态计算。(1)在冲程式发动机的工作过程中,连杆承担着极其关键的作用,同时也受到方向和大小不断变化的载荷,包括:活塞依靠活塞销来传递气体的作用力,活塞组的往复惯性力以及连杆本身摆动的惯性力。因此分析可知,连杆受到的是压缩、拉伸、弯曲等交变载荷,那么连杆的安全性包括刚度和强度就有一定的要求。本文首先分析了连杆实际受力情况、边界条件并施加载荷,然后建立了连杆的有限元模型。经过分析计算,得出其在标定转速下的最大压缩工况和最大拉伸工况的应力和位移计算结果。然后再进一步施加优化约束条件,探索在满足这些条件下的最优结构参数,再与优化前进行对比。分析结果得出,连杆在最大拉伸工况作用下,最大应力减少3.4%,最大变形减少了 1.7%,并且质量略有减少。(2)活塞是燃烧室的重要组成部分之一,其工作环境极其恶劣,需要承受热载荷和机械载荷,主要包括:燃气的周期性热负荷和压力载荷,以及活塞自身的往复惯性力。这些载荷是活塞开裂、变形、拉缸的原因所在。所以,对活塞进行热负荷与机械载荷的有限元分析是非常有必要的。本文结合经验公式及文献实例,确定了活塞的各个区域的换热边界条件,从而在稳定工况下对活塞进行稳态热分析。本文采用了间接耦合法,先分析活塞的稳态温度场,然后再以此作为边界条件对结构进行分析,从而分别得出热负荷、机械负荷以及热力耦合负荷这三种情况下的应力以及应变分布。最后,对这三种负荷作用下的活塞应力应变分布情况进行分析,找出应力集中和变形过大区域,并分析其原因。(3)为了了解缸体的动态特性,首先利用Hypermesh软件对缸体的IGS模型进行几何修复与清理,然后在optistruct模块中,利用Block lanczos算法进行发动机缸体的自由模态分析,提取缸体的前六阶模态频率及振型,根据结果,找到相对薄弱的区域,提出一些改进建议;采用类似的分析过程,在ANSYS Workbench中完成了缸盖的模态分析,其第一阶模态频率为1264.8Hz,远高于发动机的激振频率,避免了共振的发生。同时也对缸盖的薄弱部位进行了阐述。