連桿強度計算文獻綜述

1、連桿強度計算文獻綜述1.1概述連桿是發(fā)動機中最重要的運動部件之一，其質(zhì)量和強度直接影響著發(fā)動機的可靠性和壽命。無論設(shè)計新型發(fā)動機或?qū)袭a(chǎn)品進行改造，都必須嚴格校核連桿的強度。連桿強度研究大都歸于疲勞強度研究，其目的是關(guān)心連桿的工作壽命，考察其在反復(fù)承受交變工作應(yīng)力下的最小強度儲備，通常以安全系數(shù)的形式表示;其次，連桿強度研究要考慮大小頭孔的變形，關(guān)心潤滑油膜能否正常建立。通常以這兩種方法考核連桿模型設(shè)計的合理性。研究連桿強度的方法有試驗和計算兩種。前者花費時間長、費用昂貴，且無法在概念設(shè)計階段進行。理論研究和實踐證明，計算分析的方法對于預(yù)估連桿的強度具有很好的價值，并在發(fā)動機的概念設(shè)計階段得到

2、了廣泛的應(yīng)用，其中有限元法是最成功、最廣泛的方法。有限元法是把連續(xù)的彈性體劃分為有限大小的、彼此只在有限個點相連的、有限個單元的組合體來研究的。這種把實際連續(xù)體劃分為離散結(jié)構(gòu)的過程，叫做有限元離散化，這些有限大小的單元，稱為有限元，各單元間相連接的點，稱為節(jié)點。目前，應(yīng)用最廣泛的有限元實質(zhì)就是先從單元分析入手，找出單元節(jié)點上對單元的作用力與單元節(jié)點位移、應(yīng)變、應(yīng)力的關(guān)系。整個有限元分析過程是先建立每個單元的剛度方程，然后進行結(jié)構(gòu)的整體分析，即組集聯(lián)系整個結(jié)構(gòu)的節(jié)點位移與結(jié)點載荷的總剛度方程。由于總剛度方程是包含有限個未知節(jié)點位移量的線性代數(shù)方程組，故可利用電子計算機來求解。最后根據(jù)所求得的各單

3、元的節(jié)點位移，利用單元分析得到的關(guān)系，就可求出各單元的應(yīng)力和應(yīng)變。 有限元模型由于連桿模型較小，為了準確考察連桿的應(yīng)力分布，所以模型采用整根連桿模型，對于應(yīng)力敏感區(qū)域和關(guān)心區(qū)域網(wǎng)格應(yīng)適當加密；由于隨著四面體單元密度的增加，應(yīng)力會增大，在某些結(jié)構(gòu)或受力復(fù)雜的區(qū)域網(wǎng)格加密并不是最合理的方法；對于這種情況可在局部建立用六面體網(wǎng)格劃分的子模型。 邊界條件邊界條件的確定是影響有限元分析計算結(jié)果正確與否的最關(guān)鍵因素，主要包括載荷邊界條件和位移（約束）邊界條件兩種，它們也是隨著計算條件與計算模型的改進而不斷發(fā)展的，研究者們一直在追求如何在實際計算可行的條件下盡量使邊界條件接近實際。 載荷邊界條件連桿的作用是

4、將活塞的往復(fù)直線運動變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動,并在活塞和曲軸之間傳遞作用力。連桿的作用載荷主要有6種:1)拉伸力。最大拉伸力出現(xiàn)在進氣沖程開始的上止點附近,其數(shù)值是活塞組和計算斷面以上部分連桿質(zhì)量的往復(fù)慣性力。最大拉伸力的主要計算公式為：Pj =G(1 +)2 / g(N) (1)上式中G活塞組重力,Ng重力加速度,m / s2連桿比曲柄半徑,mm曲軸角速度, rad / s2)壓縮力。最大壓縮力出現(xiàn)在膨脹沖程開始的上止點附近,其數(shù)值是最大爆發(fā)壓力減去此轉(zhuǎn)速時的慣性力。最大壓縮力的主要計算公式為：Pc =D2 ( Pz )/4 - Pj (N) (2)式中Pz 作用在活塞頂上單位面積的氣壓力,N /

5、mm2D氣缸直徑,mm3)連桿螺栓預(yù)緊力。由于連桿承受的是交變載荷,連桿螺栓與大端蓋、連桿體間的作用力也是交變的。最大預(yù)緊力P0 的主要計算公式為：P0 = P1 + P2 = (2 2. 5) Pj + P2 (N) (3)式中P1 裝配時所加的預(yù)緊力,NP2 壓緊軸瓦的預(yù)緊力,NPj 工作時連桿螺栓承受的工作載荷,N4)連桿小端與襯套間的作用力。由于襯套(或活塞銷)是以一定的過盈量壓入小端孔內(nèi),所以存在著壓力。在工作時連桿小端溫度會升高,使過盈進一步增大,壓力也增大。5)連桿大端軸承孔與軸瓦間作用力。連桿大端與軸瓦間存在著過盈配合力。在螺栓作用力的作用下,大端軸瓦被進一步壓緊在大端內(nèi)孔表面

6、。壓力的計算公式與式(3) (4)類似。6)附加彎矩。由于制造誤差導(dǎo)致的桿身彎曲,會產(chǎn)生附加彎矩。在實際的計算分析中,忽略不計。根據(jù)式(1) (4)可計算出連桿的各項載荷。目前，對于連桿有限元計算時對連桿大小頭作用拉伸與壓縮載荷的模擬主要有兩種方式：沿圓周120°均勻分布；沿軸線方向均布或呈拋物線分布，沿圓周方向120°或180°呈余弦分布，其中又尤以沿軸線呈二次拋物線分布，沿圓周方向120°范圍內(nèi)呈余弦分布的載荷邊界條件形式應(yīng)用的最多。 位移邊界條件位移邊界條件的作用是消除計算過程中連桿的剛性位移。連桿的位移邊界條件應(yīng)盡可能的接近實際情況，目前對于唯一

7、邊界條件的施加還沒有統(tǒng)一的方式，用的最多的是連桿受慣性力時約束連桿下軸瓦內(nèi)側(cè)，連桿受壓力時約束連桿上周瓦內(nèi)側(cè)，約束點應(yīng)關(guān)于連桿軸向?qū)ΨQ。1.3 計算結(jié)果的評價疲勞安全系數(shù)法三維有限元法可相對準確地得到連桿的應(yīng)力分布，通過應(yīng)力分布可以采用一定的方法確定連桿的疲勞強度?，F(xiàn)有的連桿疲勞強度計算方法大都按材料的疲勞極限，考慮材料強化處理、應(yīng)力循環(huán)和尺寸影響，求出連桿危險部位的最小強度儲備，以安全系數(shù)的形式表示。 目前應(yīng)用較多的計算安全系數(shù)的方法是根據(jù)Googman圖推導(dǎo)出的計算方法。對于連桿，、兩個安全系數(shù)計算公式如下：時：；。時：；。其中：疲勞安全系數(shù)；：塑性安全系數(shù)； ：不對稱循環(huán)影響系數(shù)；：表面

8、加工情況系數(shù)取孔變形目前較為普遍的方法是通過傅立葉變化求取變形。取連桿大小頭孔圓周方向各點坐標集，根據(jù)初始圓心坐標轉(zhuǎn)化成集坐標，通過傅立葉分析方法，給出變形各階簡諧分量。傅立葉分析方法：其中，、表示傅立葉系數(shù)，表示各階變形的簡諧分量。在加載荷的情況下的變形量（根據(jù)AVL的經(jīng)驗，最大變形量不應(yīng)該超過過盈量的50%）2. 國內(nèi)外現(xiàn)狀 近年來隨著對發(fā)動機動力性和可靠性的要求不斷提高，連桿的工作條件愈加苛刻，連桿強度及疲勞問題變得更加重要。為了使連桿強度的預(yù)測更加接近于實際，從而獲得合理的連桿設(shè)計，國內(nèi)外許多學(xué)者進行了大量的研究工作，發(fā)表了很多這個專題的研究成果。文獻2對主要分析件沒有做任何的簡化,并

9、且考慮了各組件之間的裝配關(guān)系,使計算模型更加接近實際情況。又由于連桿在工作中一直受不對稱循環(huán)應(yīng)力的作用,故從疲勞強度的角度評價連桿的安全問題。文獻4對6160船用柴油機連桿進行了有限元強度分析，從疲勞強度的安全系數(shù)與變形的角度對連桿進行了考察；文獻5通過升降法疲勞實驗得到連桿的疲勞強度分布，并對比了有限元計算結(jié)果與電測的應(yīng)力結(jié)果，驗證了有限元計算的正確性。文獻11提出了基于壽命的方法進行有限元疲勞分析，并對結(jié)果與實驗結(jié)果作比較，得出了較可信的結(jié)果。文獻12 利用ANSYS 軟件中的EL EMENT TABL E 來提取拉、壓工況下各節(jié)點的等效應(yīng)力,然后自動轉(zhuǎn)化成各單元的拉、壓等效應(yīng)力,再計算出

10、各單元的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力,最后計算出各單元的疲勞安全系數(shù),并以云圖的方式顯示在構(gòu)件上,還可方便查詢。這種基于單元表計算疲勞安全系數(shù)的方法克服了以往估算安全系數(shù)方法的盲目性、隨機性,能完整、有效地評價整個連桿的安全性。文獻13分析認為, 現(xiàn)行非對稱循環(huán)構(gòu)件疲勞強度與疲勞安全系數(shù)的計算存在著構(gòu)件與標準試件循環(huán)特性不一致的問題，以實驗和試驗的結(jié)論為基礎(chǔ), 對現(xiàn)行非對稱循環(huán)構(gòu)件疲勞強度和疲勞安全系數(shù)計算式進行了改進, 可供有關(guān)人員在工作中參考。文獻15對柴油機連桿進行的無限壽命下的疲勞強度可靠度計算, 用等效方法給出的相當疲勞強度均值和方差的具體表達式, 較好地解決了柴油機連桿的疲勞強度可靠性問題。實

11、例表明,所得結(jié)果與實際工程情況是相符的，這種方法對其它壽命很長的機構(gòu)構(gòu)件同樣適用。 文獻16 在總結(jié)大量連桿計算經(jīng)驗的基礎(chǔ)上, 分析了影響計算精度的各種因素, 提出了一個精細有限元組合計算模型: 摒棄了各種近似處理方法, 計算模型完全根據(jù)連桿實際結(jié)構(gòu)確定, 計入了連桿組裝的全部零件以及活塞銷、活塞和曲軸, 其間所有配合關(guān)系用有摩擦的三維彈性多體接觸模型模擬。采用有限元參數(shù)二次規(guī)劃算法, 并結(jié)合多重多支的子結(jié)構(gòu)技術(shù)求解，同時指出了這套理論和方法對于解決這類機械工程問題的優(yōu)點和廣泛的適用性。近20年來，隨著計算技術(shù)的不斷進步和研究者們的不懈努力，發(fā)動機連桿強度的研究取得了較大進展，尤其體連桿應(yīng)力的

12、計算研究方面。然而，由于其固有的復(fù)雜性，連桿強度的設(shè)計預(yù)測還遠未完善，對于連桿的研究還是個長期的課題。3思路和安排閱讀大量文獻，了解國內(nèi)外連桿強度計算方法；回顧、總結(jié)現(xiàn)有連桿強度計算方法；編制概念設(shè)計階段連桿強度計算方法；按照連桿強度計算規(guī)范計算195柴油機連桿；4. 參考文獻1 柴油機設(shè)計手冊（上）M 北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，19842 屠丹紅,姜樹李,曹茉莉，498 連桿組件的有限元分析，內(nèi)燃機學(xué)報，2004，2（2）3 張軍, 樊文欣，柴油機連桿有限元分析， 車用發(fā)動機，2002，44 胡玉平，李博，李國祥，劉云崗，6160船用柴油機連桿有限元分析，機械和電子設(shè)備2006，45 許德剛

13、, 秦力一, 劉繼軍，95連桿的可靠性研究，鄭州大學(xué)學(xué)報( 工學(xué)版) 2005，46 胡圣榮，羅錫文，陳國華. 發(fā)動機復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)分析的實用邊界元方法J.發(fā)動機學(xué)報，1999，17(3):295298.7 李春玲，發(fā)動機連桿疲勞強度有限元分析，柴油機設(shè)計與制造，2007，28 傅園松,周岳敏,陶孟章,劉書亭，490發(fā)動機連桿組件非線性接觸有限元分析，山東內(nèi)燃機，2005，129 李耀明，馬瑞恒，R05Z柴油機連桿強度分析，山東內(nèi)燃機，1999，410 李靜明, 馬天兵，基于ANSYS 對連桿的有限元分析， 煤礦機械，2006，611 張林波，柳楊，黃鵬程，瞿元，有限元疲勞分析法在汽車工程中的應(yīng)用，計算機輔助工程，2006，912 李顯明 ,顧德裕，基于ANSYS 單元表的康明斯柴油機連桿疲勞分析，蘇州大學(xué)學(xué)報(工