某型柴油机连杆有限元计算及疲劳强度校核.pdf

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1、许春光王国莹张自明侯哗星：某型柴油机连杆有限元计算及疲劳强度校核毋oLJo、，ooojo’’q’《设计研究#叫r气‘—jf—of—ar—文r，)对某型柴油机连杆有限元计算及疲劳强度校核FiIliteElementAnalysisandFatigueStrengthChecHngofaDieselEngineConnecting—rod王国莹张自明侯晔星(中国北方发动机研究所)[摘要]建立了连杆组件完整的三维模型，包括模拟的活塞销及曲柄销来模拟连杆的大小头受力边界条件。通过施加接触来模拟各零件间的接触状态，通过设置接

2、触之间的偏移量来模拟零件间的过盈及间隙量进行仿真分析。对连杆的受力进行试验测试，经与计算结果的对比表明：连杆仿真计算的边界条件及方法是合理的，仿真结果可信。最后，对连杆的疲劳安全特性进行了仿真计算及校核．结果证明连杆在工作过程中是安全的。·[关键词]连杆组件有限元仿真分析应力测试疲劳安全Keyword_s：ConnectingmdassemblyFiniteelementanalysisStresstestFatigues出ty发动机连杆的功用是将作用在活塞顶部的燃气爆发压力传递给曲轴，并把活塞的往复直线运动转变为

3、曲轴的旋转运动，连杆作复杂的平面运动。连杆在这一过程中将承受周期性变化的气体压力、活塞连杆的往复惯性力及连杆的旋转惯性力的作用，受力状况复杂。因此，分析计算连杆在工作状态下的强度。评价其能否安全工作显得非常有必要，也是发动机连杆设计过程中的重要步骤。有限元法作为一种逐渐成熟通用的数值计算方法．是目前研究复杂结构受力问题最为可靠和有效的手段。本文利用有限元法对某型柴油机连杆进行仿真计算，并通过连杆应力的试验测试来验证仿真的边界条件及计算方法的正确性。最后对连杆的疲劳安全特性进行了仿真分析计算和评价。1连杆有限元计算1

4、．1计算模型建立建立了连杆组件三维模型，包括：连杆、连杆盖、衬套、轴瓦、连杆螺栓、活塞销及曲柄销。根据设计图纸对连杆组件的各个部分进行建模并装配。在建模过程中，对连杆、连杆盖及连杆螺栓外部特征除未建螺纹外未作任何简化．模拟曲柄销采用与实际曲柄销相同直径的一段轴加以模拟。建立的连杆组件三维模型如图1所示。圈1连杆组件三维梗型嘲2莲杆州格梗型将建立的连杆组件装配模型导入到有限元分析软件中，采用二次四面体单元进行网格划分，由于本次计算考察的重点在连杆及连杆盖，故适当加密连杆及连杆盖的网格密度，特别是连杆上危险部位的网格密

5、度．比如：连杆体与连杆小头及大头的过渡处．杆身工字槽圆弧与直线的过渡处，连杆小头油孔处等。并适当加大活塞销及曲柄销等非重点考虑的部位的网格尺寸，以降低连杆组件整体的网格规模。划分后，整个模型共有单元数为434025，节点数为275125。划分网格后模型如图2所示。连杆部件之间通过设置接触对进行有限元计算，本着计算的准确、快速及易于收敛性，选用接触对的性质和算法主要包括摩擦接触、粗糙接触及绑定接触三种性质的接触和增广拉格朗日算法及MPC算法两种算法，并选取合适的摩擦系数。同时通过设置接触对的偏移量来模拟接触面之间的过

6、盈、间隙及闭合接触形式．衬套与连杆之间过盈量根据图2内燃机与配件2013年第6期纸取公差配合的最大过盈量㈦。衬套与活塞销之间间隙量根据图纸取公差配合的最大间隙量。1．2计算工况及边界条件连杆计算共分三种工况：预紧工况、最大压力工况、最大拉力工况。预紧工况时连杆小头承受衬套的过盈及连杆大头螺栓预紧力的作用：最大拉力一般出现在排气冲程终了，活塞在接近上止点时刻，此时缸内气体压力较低，可忽略．连杆只承受沿气缸中心线向上的连杆活塞组的往复惯性力的作用⋯。因此连杆承受拉力的计算公式为：PF—m．a其中：mI=mp+m(=A，

7、mp为活塞组质量，mcA为连杆小端代替质量。a为活塞连杆组的运动加速度。最大压力可认为_}l{现在爆发T况时．此时活塞接近于上止点，连杆所承受的力的包括活塞顶部的燃气爆发压力及活塞连杆组的往复惯性力。连杆所受压力为两力的合成：P=p。孚D：一m，a‘4其中：p。为燃气爆发压力，D为活塞直径。经计算连杆螺栓预紧力为89729N：连杆最大拉力为18520N；最大压力为265800N。固定曲柄销的两侧面．在连杆螺栓上施加预紧力．连杆最大拉力及最大压力施加到活塞销。1．3仿真计算结果1．3．1预紧工况计算结果在预紧工况下连

8、杆等效应力云图如图3所示。图3帧紧力工况卜连杆等效应力五图由图3町以看出，在预紧力作片j下连杆受力主要集中在连杆小头和大头部位，杆身几乎不受力。连杆小头部位的应力主要是由于衬套过盈引起的，孔内部上半部分受力比下半部分大．小头等效应力最大部位在小头油孑L，等效应力最大值为249MPa：连杆大头部位的应力主要是由于螺栓预紧引起的，应力较大的部位主要在连杆盖螺栓压