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屈曲分析在发动机连杆设计开发中的应用

谢琰，曾庆强，杨武，吴念，康黎云，司庆九，李慧，叶洋

重庆长安汽车动力研究院，重庆江北区鱼嘴镇两江大道226号

摘要：在发动机连杆设计开发中，连杆轻量化过程中屈曲分析是必须考虑的因素之一，本

文通过Abaqus建立发动机连杆的屈曲模型，针对连杆弯曲断裂问题，进行了特征值和非线

性屈曲的分析研究。结果表明，连杆发生弯曲断裂说明连杆发生了屈曲失效，屈曲分析是

有效优化连杆稳定性，解决连杆弯曲断裂有效途径。

关键词：发动机连杆；弯曲断裂；屈曲分析；非线性；优化

1.前言

连杆是往复式内燃机的核心零件之一,它主要承受缸内气体压力和活塞组往复惯性力

所产生的交变载荷，将活塞组的往复运动转变为曲轴的旋转运动，由于连杆变速摆动而产

生惯性力矩，还使得连杆承受数值较小的弯矩。如果连杆发生失稳弯曲断裂，则将导致恶

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性破坏事故，甚至整台内燃机报废。连杆是传力件，又是运动件，因此，不能单靠加大

连杆的尺寸来提升其承载能力，必须从力学分析与计算等多方面采取措施，来解决连杆尺

寸、选材、构型设计、热处理及表面强化、重量和强度、刚度、稳定性之间的矛盾，以达

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到连杆设计轻巧、刚度足够、疲劳强度以及稳定性合格等要求。

针对连杆稳定性问题，相关学者专家已对连杆屈曲做了大量的研究工作，并取得一定

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的成果。然而，由于连杆运行环境的复杂性、实车测量的困难性，使得数值仿真分析手

段成为研究连杆可靠性有效方法。在追求内燃机轻量化的背景下，如何在保证连杆强度疲

劳的条件下，提升连杆的稳定性，平衡连杆设计各要素之间的矛盾，是连杆屈曲分析研究

需要解决的问题。本文针对某增压直喷发动机连杆利用Abaqus隐式求解模块，建立连杆的

屈曲分析模型，并结合发动机试验验证，为优化连杆稳定性提供了依据。

2.连杆屈曲的基本理论

屈曲是力学系统稳定性对一个平衡状态而言的。当平衡状态受到一小扰动后，系统是

回复到它原来状态还是趋向于离开它原来状态，前者平衡是稳定的，后者为是不稳定的，

这种不稳定就是失稳，也称为屈曲。

当作用在细长杆上的轴向压力F达到或超过一定限度时，且尚未达到材料的强度极

限，杆件可能突然变弯，即产生失稳。这个压力值F就是该杆件的临界载荷（一般是Fcr表

示）。杆件失稳往往产生很大的变形甚至导致系统破坏。这种系统破坏并不是强度不足，

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而是稳定性不够，因此对于轴向受压的杆件，除考虑其强度与刚度问题外，还应考虑其稳

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定性问题。如图1所示，杆的稳定性示意图。

图1杆稳定性问题示意图

发动机连杆受到缸内的爆发压力载荷，当爆发压力达到连杆临界载荷时，连杆将会发

生屈曲失效，甚至断裂。连杆屈曲分析的核心问题就是确定连杆的临界载荷。图2是根据发

动机实际运行情况将连杆物理化后对应的杆稳定性模型，该模型分为连杆摆动平面和垂直

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于摆动平面。

1）连杆摆动平面物理模型2）垂直于摆动平面物理模型

图2连杆模型物理化对应的杆的模型

本文涉及的屈曲分析是某发动机连杆开发过程中，由于连杆轻量化与选材方面原因，

在发动机试验过程中，虽然疲劳强度满足要求，但是有连杆出现弯曲断裂的现象，如图3所

示。

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图3连杆弯曲变形图

3.连杆屈曲分析的边界条件

连杆屈曲分析模型建立的主要边界条件包括：连杆的几何模型、连杆材料非线性材料参

数、连杆各项设计参数，发动机燃气爆发压力、汽缸直径等。

3.1发动机的缸内燃气压力

发动机最大扭矩、全速全负荷下额定功率的转速下的瞬态最高缸压，以及发动机设计缸

压。

3.2连杆屈曲模型

发动机连杆受到来自缸内的爆发压力载荷，当爆发压力达到连杆临界载荷时，连杆将会

发生屈曲失效，甚至断裂。考虑到该分析主要目是连杆的抗弯稳定性，为了提升分析