連桿強(qiáng)度計(jì)算文獻(xiàn)綜述

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1、連桿強(qiáng)度計(jì)算文獻(xiàn)綜述1.1概述連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的運(yùn)動(dòng)部件之一，其質(zhì)量和強(qiáng)度直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和壽命。無(wú)論設(shè)計(jì)新型發(fā)動(dòng)機(jī)或?qū)袭a(chǎn)品進(jìn)行改造，都必須嚴(yán)格校核連桿的強(qiáng)度。連桿強(qiáng)度研究大都?xì)w于疲勞強(qiáng)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(qiáng)度儲(chǔ)備，通常以安全系數(shù)的形式表示;其次，連桿強(qiáng)度研究要考慮大小頭孔的變形，關(guān)心潤(rùn)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(jì)的合理性。研究連桿強(qiáng)度的方法有試驗(yàn)和計(jì)算兩種。前者花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用昂貴，且無(wú)法在概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行。理論研究和實(shí)踐證明，計(jì)算分析的方法對(duì)于預(yù)估連桿的強(qiáng)度具

2、有很好的價(jià)值，并在發(fā)動(dòng)機(jī)的概念設(shè)計(jì)階段得到了廣泛的應(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(gè)點(diǎn)相連的、有限個(gè)單元的組合體來(lái)研究的。這種把實(shí)際連續(xù)體劃分為離散結(jié)構(gòu)的過(guò)程，叫做有限元離散化，這些有限大小的單元，稱(chēng)為有限元，各單元間相連接的點(diǎn)，稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)。目前，應(yīng)用最廣泛的有限元實(shí)質(zhì)就是先從單元分析入手，找出單元節(jié)點(diǎn)上對(duì)單元的作用力與單元節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)變、應(yīng)力的關(guān)系。整個(gè)有限元分析過(guò)程是先建立每個(gè)單元的剛度方程，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體分析，即組集聯(lián)系整個(gè)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移與結(jié)點(diǎn)載荷的總剛度方程。由于總剛度方程是包含

3、有限個(gè)未知節(jié)點(diǎn)位移量的線(xiàn)性代數(shù)方程組，故可利用電子計(jì)算機(jī)來(lái)求解。最后根據(jù)所求得的各單元的節(jié)點(diǎn)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。1.2.1有限元模型由于連桿模型較小，為了準(zhǔn)確考察連桿的應(yīng)力分布，所以模型采用整根連桿模型，對(duì)于應(yīng)力敏感區(qū)域和關(guān)心區(qū)域網(wǎng)格應(yīng)適當(dāng)加密；由于隨著四面體單元密度的增加，應(yīng)力會(huì)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(duì)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(jì)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(jì)算條件與計(jì)算模型的改進(jìn)而不斷發(fā)展的，研究者們一直在追求如何在實(shí)際計(jì)算可行的條件下盡量使邊界條件接近實(shí)際。1.2.3載荷邊界條件連桿的作用是將活塞的往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),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(jìn)氣沖程開(kāi)始的上止點(diǎn)附近,其數(shù)值是活塞組和計(jì)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(jì)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(kāi)始的上止點(diǎn)附近,其數(shù)值是最大爆發(fā)壓力減去此轉(zhuǎn)速時(shí)的慣性力。最大壓縮力的主要計(jì)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——?dú)飧字睆?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(jì)算公式為：P0=P1+P2=(2～2.5)P″j+P2　(N)(3)式中　P1——裝配時(shí)所加的預(yù)緊力,NP2——壓緊軸瓦的預(yù)緊力,NP″j——工作時(shí)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(xiāo))是以一定的過(guò)盈量壓入小端孔內(nèi),所以存在著壓力。在工作時(shí)連桿小端溫度會(huì)升高,使過(guò)盈進(jìn)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(guò)盈配合力。在螺栓作用力的作用下,大端軸瓦被進(jìn)一步壓緊在大端內(nèi)孔表面。壓力的計(jì)算公式與式(3)～(4)類(lèi)似。6)附加彎矩。由于制造誤差導(dǎo)致的桿身彎曲,會(huì)產(chǎn)生附加彎矩。在實(shí)際的計(jì)算分析中,忽略不計(jì)。根據(jù)式(1)～(4)可計(jì)算出連桿的各項(xiàng)載荷。目前，對(duì)于連桿有限元計(jì)算時(shí)對(duì)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(xiàn)方向均布或呈拋物線(xiàn)分布，沿圓

7、周方向120°或180°呈余弦分布，其中又尤以沿軸線(xiàn)呈二次拋物線(xiàn)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。1.2.4位移邊界條件位移邊界條件的作用是消除計(jì)算過(guò)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(shí)際情況，目前對(duì)于唯一邊界條件的施加還沒(méi)有統(tǒng)一的方式，用的最多的是連桿受慣性力時(shí)約束連桿下軸瓦內(nèi)側(cè)，連桿受壓力時(shí)約束連桿上周瓦內(nèi)側(cè)，約束點(diǎn)應(yīng)關(guān)于連桿軸向?qū)ΨQ(chēng)。1.3計(jì)算結(jié)果的評(píng)價(jià)1.3.1疲勞安全系數(shù)法三維有限元法可相對(duì)準(zhǔn)確地得到連桿的應(yīng)力分布，通過(guò)應(yīng)力分布可以采用一定的方法確定連桿的疲勞強(qiáng)度?，F(xiàn)有的連桿疲勞強(qiáng)度計(jì)算方

8、法大都按材料的疲勞極限，考慮材料強(qiáng)化處理、應(yīng)力循環(huán)和尺寸影響，求出連桿危險(xiǎn)部位的最小強(qiáng)度儲(chǔ)備，