基于Workbench的航空發(fā)動機連桿有限元分析

付貴　郭湘川

摘要：連桿是航空發(fā)動機中一個重要的傳力零件，由于它承受的是變載荷，容易疲勞損壞，所以對其強度有很高的要求。本文以某型發(fā)動機連桿為研究對象，首先對連桿進行了受力分析，確定了連桿兩種極限受力狀態(tài)。文章通過Solidworks對連桿進行三維建模，然后再導入Ansys Workbench 有限元分析軟件進行分析，得到應力分布云圖，找出的危險位置，為連桿強度設計分析提供理論依據。

關鍵詞：航空發(fā)動機；Workbench；連桿；應力分析

連桿是航空活塞發(fā)動機中一個重要的傳力零件，它用于連接活塞與曲軸，將活塞的往復直線運動轉化成曲軸的旋轉運動。發(fā)動機工作時連桿承受混合氣體的爆發(fā)力、擺動慣性力和往復慣性力的作用，這些受力不僅有大小的變化，而且還有方向的變化[1]。由于連桿承受了變載荷，連桿就容易產生疲勞斷裂。本文首先對連桿進行了受力分析，找出了連桿所受最大拉力和壓力的位置并確定了最大拉伸和壓縮兩種有限元模型。利用Solidworks對連桿進行三維建模，再導入Ansys Workbench中進行有限元分析，最終得到應力分布云圖，找出的危險位置，為連桿強度設計分析提供理論依據。

1 連桿載荷受力分析

連桿的運動機構是一個曲柄滑塊機構，活塞直線運動通過連桿帶動曲軸的旋轉運動，連桿運動簡圖如圖1所示。圖中：l—連桿長度，x—活塞位移，S—活塞行程，a—曲柄轉角，β—連桿擺角，r—曲柄半徑。

連桿在工作過程中需要承受通過活塞傳遞的燃氣爆發(fā)力、往復運動質量的慣性力以及由于自身擺動所產生的慣性力[2]。

燃氣爆發(fā)力Fg為：

Fg=（Pg-Pa）×πd24（1）

式中：Pg為氣體壓力，d為氣缸直徑。

活塞的往復慣性力為：

Fj=mjrw2（cosa+λcos2a）（2）

則作用在連桿上的力FL為：

FL=（Fg+Fj）/cosβ（3）

經過以上分析可知連桿連桿在運動過程中主要受爆發(fā)力和慣性力作用，當爆發(fā)力和慣性力分別最大的時候會出現兩種工況，

即最大壓縮和拉伸。最大壓縮發(fā)生在發(fā)動機曲軸轉到250時，如圖1中活塞到達上止點附近時會出現最大燃氣壓約為 500psi，代入公式（1）得出連桿上的爆發(fā)力為 50632N。連桿受到最大拉伸應力發(fā)生在出現最大往復慣性力時，即在吸氣過程開始時的上止點附近，代入公式（2）可求出作用在連桿上的慣性力為 6652N[3]。

2 有限元強度分析

（1）建立連桿有限元模型。為了降低網格劃分難度和提高分析效率，此次分析簡化了一些對分析沒有影響的特征，具體是去掉了對應力分析影響不大的孔類特征，將連桿與連桿蓋作為一個整體分析，這樣就減去了螺栓的連接。簡化建模如圖2所示。

（2）ANSYS前處理。

本文連桿用智能網格劃分，網格質量等級用FINE，分析單元采用實體單元。查飛機手冊可知連桿的的材料為45#鋼，材料密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為 2.0×1011MPa，泊松比為0.3。在設置邊界條件時，對連桿小頭內表面約束，控制了其移動自由度，給連桿大頭施加最大拉伸和最大壓縮兩種情況的力，分別進行兩次運算。

2.3 處理結果分析

連桿處在最大拉伸和最大壓縮時分析的結果如圖3、4所示。根據分析結果可知

，最大拉伸時候的最大的應力出處在連桿蓋的螺栓連接部分，應力大小為47.225Mpa。

連桿處在最大壓縮的時候最大應力出現在接近連桿小頭的部分，應力大小298.37Mpa。

查機械設計手冊可知材料40#鋼的屈服強度1.96GPa，此時連桿在兩種情況所受的應力都遠小于材料強度，故此連桿強度足夠，不會受到破壞。

3 結論

本文通過對連桿的受力分析，確定了連桿兩種最大受力的情況，利用Ansys Workbench 對連桿的兩種極限受力情況進行有限元分析。由計算出來的應力云圖可知

兩種狀態(tài)下的最大應力都遠小于連桿材料的屈服強度，符合強度設計要求。

參考文獻：

[1]侯獻軍，方丹，鞏學軍.LJ276M 汽油機連桿靜強度三維有限元分析[J].小型內燃機與摩托車，2010（4）：3235.

[2]王曉云，原思聰，羅丹.基于AWE的485Q 型柴油機連桿的優(yōu)化設計[J].煤礦機械，2010（31）：3941.

[3]王裕林.基于AWE的發(fā)動機連桿有限元分析[J].機械設計與制造，2013（7）：224226.

作者簡介：付貴（1990），男，湖南益陽人，工學碩士，研究方向：機械設計與制造，飛行器制造工程。