大功率柴油机连杆组件疲劳分析与结构优化设计研究
摘要
连杆作为柴油机核心运动部件之一，主要的作用是将活塞组件的往复运动转换为曲
轴的回转运动。因为其承受着拉伸、压缩、弯曲的交变载荷，工作环境恶劣，所以断裂
失效现象常有发生。通过对连杆组件进行试验研究及仿真分析，并对其进行优化设计，
可以明确失效原因，有效降低后续故障发生率，保障人身安全。
本文以大功率柴油机失效连杆为研究对象，通过理化检验确定失效原因；并对其进
行有限元分析，重点研究了连杆组件在预紧工况、最大拉伸工况、爆压工况下应力分布
规律及在完整工作循环内应力变化规律，并基于以上分析对连杆进行结构优化设计研
究，不但降低了连杆组件最大应力，使其应力分布更加均匀，而且减小了连杆组件的质
量。具体工作如下：
（1）本文对失效连杆进行理化检验，通过对断口的宏观分析、微观分析、化学成
分检验及机械性能检验确定失效原因及裂纹源位置，为后续仿真结果提供技术支撑。
（2）本文通过UG搭建曲柄连杆机构模型，模拟连杆组件工作过程中的受力情况，
并通过ANSYS以真实的载荷边界条件及连接关系对其进行稳态及瞬态仿真计算，重点
分析了连杆在三种工况下及完整工作循环内应力及变形分布规律，为后续结构优化设计
提供思路和方向。
（3）本文通过材料样棒的疲劳试验获得连杆材料的精确S-N曲线，基于瞬态仿真
结果，通过ANSYS与nCode联合仿真对其进行疲劳校核，得到连杆寿命云图及安全系
数；基于稳态仿真结果，通过基拉苏什维里算法得到连杆安全系数，并对比安全系数许
可值得出疲劳校核结论。
（4）本文针对连杆组件应力分布情况，通过三方面对其进行优化设计。首先对预
紧力进行修正，得到了最佳预紧力值，最大应力减小了21.9%，并拟合出连杆最大应力
与预紧力的关系式；其次对连杆螺栓通孔位置进行圆角优化，得到最佳圆角半径，区域
最大应力减小了19.3%，并且应力过渡更加均匀；最后通过对连杆小端进油口凸台优化，
连杆小端质量减少了2.1%，使小端上部应力分布更加均匀，并消除了局部应力突增现
象。该结构优化方法对原模型改动较小，易于加工，具有实际意义，并为该机型及同类
机型连杆组件的进一步强化提供了技术支撑。
关键词：柴油机；连杆有限元分析；疲劳强度校核；疲劳试验；结构优化
大功率柴油机连杆组件疲劳分析与结构优化设计研究
Abstract
Asoneofthecoremovingpartsofdieselengine,themainroleofconnectingrodisto
convertthereciprocatingmotionofpistonassemblytotherotarymotionofcrankshaft.
Becauseitissubjectedtoalternatingloadsoftension,compressionandbending,andthe
workingenvironmentisharsh,fracturefailureoftenoccurs.Byconductingexperimental
researchandsimulationanalysisontheconnectingrodassemblyandoptimizingitsdesign,
wecanclarifythecausesoffailure,effectivelyreducetheincidenceofsubsequentfailures
andguaranteepersonalsafety.
Thispapertakesthefailedconnectingrodofahigh-powerdieselengineastheresearch
objectanddeterminesthecauseoffailurethrou