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連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中運(yùn)動(dòng)最復(fù)雜的重要零件之一，其功能是把作用在活塞頂部的燃?xì)鈮毫νㄟ^(guò)連桿傳遞給曲軸，并將將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，連桿主要處于承受拉、壓及慣性力等各種交變載荷的疲勞應(yīng)力狀態(tài)，一旦連桿出現(xiàn)斷裂情況，將使整機(jī)發(fā)生嚴(yán)重破壞，甚至?xí)䦟?dǎo)致重大安全事故，所以設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度等指標(biāo)的連桿是保證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和安全性的重要前提。
由于連桿承受復(fù)雜的交變載荷，所以為了使求解的精度更高，本文對(duì)連桿的三維模型不進(jìn)行簡(jiǎn)化，使之和實(shí)體模型更加相近。文中我們對(duì)某柴油機(jī)連桿進(jìn)行有限元分析，將復(fù)雜的連桿載荷分解為預(yù)緊工況、爆壓工況和慣性工況進(jìn)行有限元計(jì)算，并采用電測(cè)法對(duì)連桿爆壓工況和慣性工況時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)量，計(jì)算結(jié)果和電測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證。最后采用基于計(jì)算結(jié)果的疲勞分析方法獲得連桿的疲勞安全系數(shù)，評(píng)價(jià)其疲勞特性。
采用Pro/E軟件來(lái)建立連桿組模型，連桿組由連桿體、連桿蓋、螺栓、襯套和連桿軸瓦、活塞銷(xiāo)、曲軸等組成。
由于連桿形狀復(fù)雜且不規(guī)則，因此連桿體和連桿蓋采用四面體二階單元C3D10，其余采用六面體一階單元C3D8I，將模型劃分為280322個(gè)單元，434811個(gè)節(jié)點(diǎn)，離散化模型如圖2所示。其中活塞銷(xiāo)采用剛性而模擬，其他部件采用彈性體模擬。并且桿身和大頭蓋的材料為40Cr，其余均為鋼。邊界約束的目的是為了消除整體模型的剛體位移因此在連桿模型上，約束連桿在X，Y，Z方向的平移以及繞X，Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力也是非常復(fù)雜。因此根據(jù)力的作用效果，考慮以下三種工況。
預(yù)緊工況
該工況可分為研究螺栓預(yù)緊力對(duì)連桿大頭產(chǎn)生的應(yīng)變;應(yīng)力以及裝入軸瓦、襯套以后連桿大小頭的應(yīng)變和應(yīng)力影響。當(dāng)連桿施加螺栓預(yù)緊力后，螺栓與連桿之間產(chǎn)生接觸應(yīng)力，在不同的預(yù)緊力下會(huì)影響連桿系統(tǒng)的剛度分布。因此，預(yù)緊工況下大頭的變形必須控制在一個(gè)可接受的水平。此外預(yù)緊工況的應(yīng)力結(jié)果對(duì)連桿的疲勞分析也非常重要。
計(jì)算得出螺栓預(yù)緊力約為47368.42N。連桿在預(yù)緊工況下的應(yīng)力云圖顯示大頭的最大應(yīng)力值為418.6MPa，在材料的屈服強(qiáng)度極限650MPa以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足靜強(qiáng)度要求。
連桿在裝入軸瓦以后的應(yīng)力云圖。高應(yīng)力區(qū)域主要集中在連桿小頭的油孔部位(此應(yīng)力主要是由襯套的過(guò)盈量較大產(chǎn)生的)，該部位的最大應(yīng)力值為388.7MPa，滿(mǎn)足靜強(qiáng)度要求。
爆壓工況
作用在活塞頂部上的爆發(fā)壓力是通過(guò)活塞銷(xiāo)傳遞給連桿。因此對(duì)于連桿來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行力的加載時(shí)等效于直接將最大爆發(fā)壓力作用在活塞銷(xiāo)上端。在本文中將連桿小頭的載荷簡(jiǎn)化，將活塞銷(xiāo)上的受力簡(jiǎn)化為余弦函數(shù)載荷處理，作用包角為1200。經(jīng)計(jì)算得出最大爆發(fā)壓力為303876.28N。在此工況主要考慮連桿的應(yīng)力水平以及連桿的變形情況是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
連桿在爆壓工況時(shí)，最大應(yīng)力為567.3MPa，處位于桿身處，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。連桿在爆壓工況下的最大變形量為0.49mm，該變形為彈性變形且在載荷卸去后可以自動(dòng)恢復(fù)。
慣性工況
慣性工況下作用在連桿小頭力的簡(jiǎn)化和爆壓工況下類(lèi)似，作用包角也為1200。經(jīng)計(jì)算得出最大慣性力為74045.53N。
可以看出連桿在慣性工況下的最大應(yīng)力是406.9MPa，主要集中在連桿小頭油孔處，材料的屈服強(qiáng)度極限650MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。連桿在慣性工況下的變形的最大量為0.18mm，為彈性變形，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
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