高雷 張洪信 徐威 徐東

摘 要：缸間齒輪聯(lián)動(dòng)液壓發(fā)動(dòng)機(jī)（Gear-linked Cylinders Hydraulic Engine ，GCHE）是一種具有較好的綜合性能的新型液壓發(fā)動(dòng)機(jī)。連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心運(yùn)動(dòng)部件之一，必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于Isight軟件集成ANSYS進(jìn)行連桿建模分析并優(yōu)化。通過優(yōu)化，GCHE連桿相對(duì)初始設(shè)計(jì)減少26.13%，滿足強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)更加合理。為缸間齒輪聯(lián)動(dòng)液壓發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿的有效設(shè)計(jì)提供了分析方法和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：連桿；優(yōu)化設(shè)計(jì)；Isight

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.061

0 引言

缸間齒輪聯(lián)動(dòng)液壓發(fā)動(dòng)機(jī)（GCHE）集成傳統(tǒng)往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)和往復(fù)式柱塞泵的原理，利用缸間齒輪齒條機(jī)構(gòu)完成運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞，曲軸飛輪組在機(jī)體一側(cè)，實(shí)現(xiàn)活塞行程控制和附屬系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)[1]。連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心主運(yùn)動(dòng)部件之一，必須對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

1 連桿優(yōu)化模型

GCHE連桿是以上柴D6114發(fā)動(dòng)機(jī)連桿為參考，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求作修改而成。為方便優(yōu)化，減少計(jì)算量，對(duì)連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并采用連桿1/2模型，其優(yōu)化模型如圖1所示。

如圖1所示，連桿優(yōu)化問題中設(shè)置了8個(gè)設(shè)計(jì)變量，x1為連桿大頭孔半徑；x2為連桿大頭厚度；x3為連桿小頭外圓半徑；x4為連桿大頭外圓半徑；x5為連桿小頭過渡圓半徑；x6為連桿大頭過渡圓半徑；x7為連桿桿身半寬度；x8為連桿桿身厚度。

因?yàn)橛山蛔冚d荷的作用發(fā)生斷裂是連桿最主要的失效形式，所以，連桿在滿足輕質(zhì)的同時(shí)，還必須要保證有足夠的強(qiáng)度。連稈還要滿足有一定的剛度，以避免由于連桿大小頭端過度變形而造成活塞和曲軸的劇烈磨損。同時(shí)，為了保證連桿能夠正常工作，還要對(duì)連桿的穩(wěn)定性提出要求[2]。

綜上所述連桿優(yōu)化模型為

式中，△Rmax（Xr）為連桿大頭最大變形約束函數(shù)，最大值為0.18mm； σmax（Xr）是連桿疲勞應(yīng)力約束函數(shù)，最大值為2.78×108 Pa；σx（Xr）是連桿穩(wěn)定應(yīng)力（傳力方向的壓應(yīng)力）約束函數(shù)，最大值為1.865×108 Pa；對(duì)各設(shè)計(jì)變量設(shè)置取值范圍；目標(biāo)函數(shù)為連桿體積V（Xr）最小。

2 模型求解

在Isight軟件中搭建優(yōu)化平臺(tái)如圖2所示，該優(yōu)化模型由兩個(gè)模塊組成：Simcode通用組件與優(yōu)化組件。Isight軟件中Simcode組件可集成目前各學(xué)科領(lǐng)域的大多數(shù)軟件，此處用來集成ANSYS軟件，在ANSYS里進(jìn)行連桿的參數(shù)建模并分析，將設(shè)計(jì)變量、輸出響應(yīng)映射到Isight中。優(yōu)化組件用來選擇優(yōu)化算法、設(shè)置設(shè)計(jì)變量、約束函數(shù)與目標(biāo)函數(shù)等。連桿優(yōu)化選用梯度優(yōu)化算法中的序列二次規(guī)劃NLPQL算法。

經(jīng)過80次迭代優(yōu)化，最終滿足約束條件的最優(yōu)體積為1.4250×10-4m3，比初始體積1.9292 ×10-4m3減小了26.13%，優(yōu)化效果顯著，其體積變化如圖3所示。

3 結(jié)論

建立了缸間齒輪聯(lián)動(dòng)液壓發(fā)動(dòng)機(jī)連桿優(yōu)化模型，利用Isight軟件集成ANSYS進(jìn)行連桿建模分析與優(yōu)化，最終求得最優(yōu)解，連桿體積減小26.13%，優(yōu)化效果顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]張洪信.一種齒輪聯(lián)動(dòng)液壓發(fā)動(dòng)機(jī)：中國， CN201310015184.4[P]. 2013（04）.

[2]孟祥蹤.基于三缸HCPE虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真分析及連桿優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].青島：青島大學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介：高雷（1990-），男，碩士研究生，研究方向：車輛新型動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)。