随着经济的快速发展,我国对石油天然气的需求量不断增加,页岩气、煤层气等非常规油气资源勘探开采已成为国家能源开发的战略之一。压裂泵是非常规油气资源气开发中压裂作业技术的核心设备,连杆是压裂泵动力端主要的传动部件之一,在工作中受到拉伸、压缩和弯曲等交变载荷作用,容易在高应力区域发生疲劳破坏,这就要求连杆在工作时不仅具有足够的强度和抗疲劳性能,还要求连杆的形状合理,质量尽可能轻,以减小连杆在运动中产生的惯性力。随着压裂泵朝大排量、大功率、高泵压的方向发展,连杆的工作环境越来越恶劣。因此,进行连杆轻量化设计,对提高连杆工作的可靠性和使用寿命,确保压裂泵能多段连续作业有重要的意义。本课题以某型号压裂泵动力端连杆为研究对象,用接触有限元法对连杆静态特性进行分析,找出了结构的薄弱环节,在此基础上,对连杆进行了轻量化设计。主要完成了以下工作:1.连杆运动和受力分析。采用解析法对连杆的运动规律和运动过程中的受力情况进行了分析,找到连杆所受作用力随曲柄转角变化的关系式,并绘制了连杆在一个工作周期内的载荷谱,得到了拉压工况下连杆所受的最大载荷,为连杆有限元分析施加载荷边界条件提供依据。2.连杆静态特性分析。首先利用接触有限元法(考虑十字头销、曲轴对连杆的影响)对连杆螺栓的强度进行了分析,然后对连杆体与轴承座结合面不合理的螺栓布局进行了设计,使每个螺栓的受载均匀,在此基础上,对连杆在最大拉工况和最大压工况进行了静力学分析,得到了连杆在两种工况下的应力分布和变形情况,并对连杆高应力区域的疲劳强度进行了校核,通过对连杆静力分析,找到了结构的薄弱环节以及需要改进的部位,为后续连杆的设计和改进提供了依据。3.连杆轻量化设计。首先对连杆进行了拓扑优化设计,找到了结构需要改进的部位,在此基础上,以连杆质量为目标函数,对轴承盖壁厚、连杆应力集中点及杆身等相关尺寸进行了灵敏度分析,找出了对连杆质量影响较大的尺寸,通过施加应力约束和边界约束条件,对连杆进行了尺寸优化设计。最后对优化后的连杆结构进行了静动态性能分析,验证了运用拓扑优化和尺寸优化获得轻量化结果的合理性。