連桿強(qiáng)度計(jì)算文獻(xiàn)綜述.doc

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 +)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(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：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 /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(jì)算公式為：P0 = P1 + P2 = (2 2. 5) Pj + 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,NPj 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：沿圓周120均勻分布；沿軸線(xiàn)方向均布或呈拋物線(xiàn)分布，沿圓周方向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，以安全系數(shù)的形式表示。 目前應(yīng)用較多的計(jì)算安全系數(shù)的方法是根據(jù)Googman圖推導(dǎo)出的計(jì)算方法。對(duì)于連桿，、兩個(gè)安全系數(shù)計(jì)算公式如下：時(shí)：；。時(shí)：；。其中：疲勞安全系數(shù)；：塑性安全系數(shù)； ：不對(duì)稱(chēng)循環(huán)影響系數(shù)；：表面加工情況系數(shù)1.3.2取孔變形目前較為普遍的方法是通過(guò)傅立葉變化求取變形。取連桿大小頭孔圓周方向各點(diǎn)坐標(biāo)集，根據(jù)初始圓心坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成集坐標(biāo)，通過(guò)傅立葉分析方法，給出變形各階簡(jiǎn)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(jiǎn)諧分量。在加載荷的情況下的變形量（根據(jù)AVL的經(jīng)驗(yàn)，最大變形量不應(yīng)該超過(guò)過(guò)盈量的50%）2. 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 近年來(lái)隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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(qiáng)度及疲勞問(wèn)題變得更加重要。為了使連桿強(qiáng)度的預(yù)測(cè)更加接近于實(shí)際，從而獲得合理的連桿設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，發(fā)表了很多這個(gè)專(zhuān)題的研究成果。文獻(xiàn)2對(duì)主要分析件沒(méi)有做任何的簡(jiǎn)化,并且考慮了各組件之間的裝配關(guān)系,使計(jì)算模型更加接近實(shí)際情況。又由于連桿在工作中一直受不對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力的作用,故從疲勞強(qiáng)度的角度評(píng)價(jià)連桿的安全問(wèn)題。文獻(xiàn)4對(duì)6160船用柴油機(jī)連桿進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，從疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)與變形的角度對(duì)連桿進(jìn)行了考察；文獻(xiàn)5通過(guò)升降法疲勞實(shí)驗(yàn)得到連桿的疲勞強(qiáng)度分布，并對(duì)比了有限元計(jì)算結(jié)果與電測(cè)的應(yīng)力結(jié)果，驗(yàn)證了有限元計(jì)算的正確性。文獻(xiàn)11提出了基于壽命的方法進(jìn)行有限元疲勞分析，并對(duì)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果作比較，得出了較可信的結(jié)果。文獻(xiàn)12 利用ANSYS 軟件中的EL EMENT TABL E 來(lái)提取拉、壓工況下各節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力,然后自動(dòng)轉(zhuǎn)化成各單元的拉、壓等效應(yīng)力,再計(jì)算出各單元的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力,最后計(jì)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(xún)。這種基于單元表計(jì)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(jī)性,能完整、有效地評(píng)價(jià)整個(gè)連桿的安全性。文獻(xiàn)13分析認(rèn)為, 現(xiàn)行非對(duì)稱(chēng)循環(huán)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度與疲勞安全系數(shù)的計(jì)算存在著構(gòu)件與標(biāo)準(zhǔn)試件循環(huán)特性不一致的問(wèn)題，以實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)的結(jié)論為基礎(chǔ), 對(duì)現(xiàn)行非對(duì)稱(chēng)循環(huán)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度和疲勞安全系數(shù)計(jì)算式進(jìn)行了改進(jìn), 可供有關(guān)人員在工作中參考。文獻(xiàn)15對(duì)柴油機(jī)連桿進(jìn)行的無(wú)限壽命下的疲勞強(qiáng)度可靠度計(jì)算, 用等效方法給出的相當(dāng)疲勞強(qiáng)度均值和方差的具體表達(dá)式, 較好地解決了柴油機(jī)連桿的疲勞強(qiáng)度可靠性問(wèn)題。實(shí)例表明,所得結(jié)果與實(shí)際工程情況是相符的，這種方法對(duì)其它壽命很長(zhǎng)的機(jī)構(gòu)構(gòu)件同樣適用。 文獻(xiàn)16 在總結(jié)大量連桿計(jì)算經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 分析了影響計(jì)算精度的各種因素, 提出了一個(gè)精細(xì)有限元組合計(jì)算模型: 摒棄了各種近似處理方法, 計(jì)算模型完全根據(jù)連桿實(shí)際結(jié)構(gòu)確定, 計(jì)入了連桿組裝的全部零件以及活塞銷(xiāo)、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(shí)指出了這套理論和方法對(duì)于解決這類(lèi)機(jī)械工程問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)和廣泛的適用性。近20年來(lái)，隨著計(jì)算技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究者們的不懈努力，發(fā)動(dòng)機(jī)連桿強(qiáng)度的研究取得了較大進(jìn)展，尤其體連桿應(yīng)力的計(jì)算研究方面。然而，由于其固有的復(fù)雜性，連桿強(qiáng)度的設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)還遠(yuǎn)未完善，對(duì)于連桿的研究還是個(gè)長(zhǎng)期的課題。3思路和安排閱讀大量文獻(xiàn)，了解國(guó)內(nèi)外連桿強(qiáng)度計(jì)算方法；回顧、總結(jié)現(xiàn)有連桿強(qiáng)度計(jì)算方法；編制概念設(shè)計(jì)階段連桿強(qiáng)度計(jì)算方法；按照連桿強(qiáng)度計(jì)算規(guī)范計(jì)算195柴油機(jī)連桿；4. 參考文獻(xiàn)1 柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）M 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，19842 屠丹紅,姜樹(shù)李,曹茉莉，498 連桿組件的有限元分析，內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2004，2（2）3 張軍, 樊文欣，柴油機(jī)連桿有限元分析， 車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2002，44 胡玉平，李博，李國(guó)祥，劉云崗，6160船用柴油機(jī)連桿有限元分析，機(jī)械和電子設(shè)備2006，45 許德剛, 秦力一, 劉繼軍，95連桿的可靠性研究，鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)( 工學(xué)版) 2005，46 胡圣榮，羅錫文，陳國(guó)華. 發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)分析的實(shí)用邊界元方法J.發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)報(bào)，1999，17(3):295298.7 李春玲，發(fā)動(dòng)機(jī)連桿疲勞強(qiáng)度有限元分析，柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2007，28 傅園松,周岳敏,陶孟章,劉書(shū)亭，490發(fā)動(dòng)機(jī)連桿組件非線(xiàn)性接觸有限元分析，山東內(nèi)燃機(jī)，2005，129 李耀明，馬瑞恒，R05Z柴油機(jī)連桿強(qiáng)度分析，山東內(nèi)燃機(jī)，1999，410 李靜明, 馬天兵，基于ANSYS 對(duì)連桿的有限元分析， 煤礦機(jī)械，2006，611 張林波，柳楊，黃鵬程，瞿元，有限元疲勞分析法在汽車(chē)工程中的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)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(jī)連桿疲勞分析，蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)(工