某柴油機連桿疲勞強度探究范文

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摘要：結合虛擬樣機仿真技術，利用多體動力學計算軟件ADAMS，提取了各轉速下連桿所受的外界載荷，對某款柴油發動機連桿在燃氣爆發壓力作用下進行受力分析。進一步將此作為外界載荷條件，利用LS-DYNA對連桿自身進行有限元分析，得到了拉、壓狀態下的應力云圖及最大米塞斯應力。此外，還對連桿進行了疲勞強度校核。結果表明該連桿疲勞強度滿足設計要求。

關鍵字：曲柄連桿機構；燃氣爆發壓力；ADAMS；LS-DYNA；疲勞強度

0引言

連桿是連接活塞與曲軸的關鍵零件，在工作過程中承受伸、壓、彎等交變載荷的作用。為了應對這些工況，連桿自身要具有很高的疲勞強度[1]。以經驗、參考資料為主要手段的傳統設計校核方法無法滿足現代連桿的設計要求[2]，不足主要集中在：連桿所受外界載荷以及自身應力狀態的難以獲取[3]。而近年來隨著數值計算技術的發展，虛擬樣機技術和有限元分析法可以很好的彌補這兩點不足[4]。這兩種方法已在機械產品的設計過程中得到了廣泛應用[5-6]。本文以某款柴油機為研究對象，首先對該柴油機的曲柄連桿組進行受力分析，再利用有限元分析和疲勞分析相結合的方法對連桿進行疲勞強度校核。

1連桿受力分析

本文以某款柴油機為研究對象。對其連桿（如圖2所示）在工作狀態下的受力情況進行分析。柴油機的相關參數，如表1所示。連桿在工作過程中主要受力來源于4個方面：作用于活塞的氣體作用力、活塞組件的慣性力、連桿自身慣性力、螺栓預緊力。

1.1氣體作用力氣缸處于在做功行程時，工質燃燒，氣體膨脹，連桿受到由活塞、活塞銷傳遞過來的氣體爆發壓力，而此時連桿處于最大壓縮狀態，由于做功行程時間很短，只有大概0.01s的持續時間，故可以將做功沖程近似等效為一個氣體多變過程。

1.2活塞組件慣性力活塞組件中所有零件包括活塞、活塞銷、活塞環等，當活塞組以加速度a作變速往復直線運動時，得到活塞組件慣性力的計算公式。

1.3預緊力連桿在裝配過程中還受到了裝配預緊力，主要來自于襯套和小頭過盈裝配的預緊力，軸瓦和大頭裝配的預緊力，大頭緊固螺栓產生的預緊力。其中大頭緊固螺栓的預緊力根據螺栓設計預緊力公式（3）計算得出，預緊力的具體受力情況。

2連桿疲勞強度分析

連桿大頭、小頭的所受的載荷為非均布載荷，要得到精確的分布是非常困難的。根據大量的試驗和數據，在保證計算精度的前提下，可以用一些近似的分布規律來進行代替。在動力機械有限元分析中，認為作用在軸承或軸上的載荷會沿圓周按照余弦規律分布。

3結論

完成了對連桿在工作過程中的受力分析，氣體作用力，自身慣性力，預緊力是三大主要受力源。從理論方程出發，結合虛擬樣機手段，利用ADAMS求解出了在不同轉速情況下，連桿所受的最大拉力和最大壓力。為連桿后續的疲勞強度分析提供了加載條件的依據。根據受力分析，建立了連桿的有限元計算模型，并通過LS-DYNA有限元計算得到了拉壓工況下的應力云圖。基于計算結果，結合疲勞強度計算方法，對連桿的疲勞強度進行了校核，分析結果表明該連桿的疲勞強度滿足設計要求。

參考文獻：

[1]阮帥帥，譚丕強，崔淑華.發動機連桿的有限元分析及結構優化[J].制造業自動化，2011，33(10)：110-113.

[2]王遠，朱會田，曹永晟，等.基于有限元法的發動機連桿疲勞強度分析研究[J].機械傳動，2010，34(3)：68-71.

[3]葉國林，曾建謀，杜寶雷.柴油機連桿有限元分析[J].內燃機，2008(1)：11-14.

[4]孟建，孟敏，江平.195柴油機連桿有限元分析及結構優化[J].機械傳動，2012(7)：65-68.

[5]王國強.虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐[M].西安：西北工業大學出版社，2002.

[6](聯邦德國)柯勒(Koller,R.)著.機械設計方法學[M].北京：科學出版社，1990.

作者：張雅萍 單位：江鈴汽車股份有限公司發動機開發部