連桿強度計算文獻綜述

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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，考察其在反復承受交變工作應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估連桿的強度具

2、有很好的價值，并在發(fā)動機的概念設(shè)計階段得到了廣泛的應用，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、應變、應力的關(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

3、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力和應變。1.2.1有限元模型由于連桿模型較小，為了準確考察連桿的應力分布，所以模型采用整根連桿模型，對于應力敏感區(qū)域和關(guān)心區(qū)域網(wǎng)格應適當加密；由于隨著四面體單元密度的增加，應力會增大，在某些結(jié)構(gòu)或受力復雜的區(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。1.2.2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

4、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。1.2.3載荷邊界條件連桿的作用是將活塞的往復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)量的往復慣性力。最大拉伸力的主要計算公式為：Pj=G′(1+λ)γω2/g　(N)(1)上式中　G′———活塞組重力,Ng——重力加速度,m/s2λ——連桿比γ——曲柄半徑,mmω——曲軸角速度,rad/s2)壓縮力。最

5、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：P′c=πD2(P′z)/4-P′j　(N)(2)式中　P′z——作用在活塞頂上單位面積的氣壓力,N/mm2D——氣缸直徑,mm3)連桿螺栓預緊力。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。最大預緊力P0的主要計算公式為：P0=P1+P2=(2～2.5)P″j+P2　(N)(3)式中　P1——裝配時所加的預緊力,NP2——壓緊軸瓦的預緊力,NP″j——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

6、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。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：①沿圓周120°均勻分布；②沿軸線方向均布或呈拋物線分布，沿圓

7、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用的最多。1.2.4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盡可能的接近實際情況，目前對于唯一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)，約束點應關(guān)于連桿軸向?qū)ΨQ。1.3計算結(jié)果的評價1.3.1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力分布，通過應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

8、法大都按材料的疲勞極限，考慮材料強化處理、應力循環(huán)和尺寸影響，求出連桿危險部位的最小強度儲備，