某六缸柴油機連桿疲勞強度分析

魯國慶

摘要：本文以某款六缸柴油機連桿為研究對象，首先基于給定的三維連桿幾何模型，采用hypermesh軟件劃分網格模型，其次基于ABAQUS有限元軟件建立連桿的有限元模型，對其在標準工況下的應力狀態進行分析，獲得相應的應力分布;最后采用Femfat疲勞分析軟件對連桿在該工況下的疲勞安全系數進行分析。研究結果表明，連桿在受到拉壓載荷作用時，最大應力點的位置分別位于連桿小頭內兩側的部位和連桿小頭和連桿大頭與桿身連接的地方，同時滿足材料的強度要求。通過該研究，為該型號的連桿的適用性提供一定的參考依據。

關鍵詞：柴油機連桿;ABAQUS有限元分析;疲勞安全系數

0 ?引言

連桿是發動機重要零部件之一，在實際工作過程中會受到來自不同激勵源的非比例動態交變載荷的作用，一些關鍵部位往往會產生應力集中現象，并導致其疲勞失效乃至斷裂[1]。目前針對這一問題，國內外相關研究人員往往采用有限元法對連桿進行分析。而近年來隨著計算機科技的發展，分析連桿時的有限元模型已經不再局限于二維模型，而是可以對三維模型進行研究，使得分析結果更加精準。本文采用有限元法對某給定的六缸柴油機連桿進行研究，獲得連桿在標準工況下的應力分布狀態，在此基礎上采用femfat疲勞分析軟件對其進行疲勞可靠性分析，獲得其在該工況下的疲勞安全系數云圖，為連桿的實際服役和使用提供一定的參考依據。

1 ?連桿幾何模型的建立

本文研究對象為給定的某型號的六缸柴油機的連桿，采用CATIA三維CAD軟件建立該連桿的三維幾何模型，建模過程中忽略倒角、凸臺等微觀結構特性，相應的結果如圖1所示。所建立的連桿的幾何參數為：大頭半徑88mm，小頭半徑50mm，桿身長度220mm，桿身厚度30mm。

2 ?渦旋盤有限元模型的建立

2.1 渦旋盤網格劃分及材料屬性定義

本文中，連桿桿身、端蓋的材料為非調質特種鋼C70S6，軸瓦的材料為08號鋼，其材料屬性參數如表1所示。采用hypermesh軟件對連桿進行網格的劃分，網格的類型為二階三維十節點四面體網格（C3D10），結果如圖2所示。

2.2 連桿接觸對的定義

連桿屬于裝配體，因此在建立有限元模型的過程中，需要對不同零部件之間的接觸面的屬性進行設置。本模型中一共有8個接觸對：連桿體與連桿蓋之間的兩個接觸對，連桿體與上軸瓦之間的接觸對，連桿蓋與下軸瓦之間的接觸對，上、下軸瓦與曲柄銷之間的兩個接觸對，上下軸瓦之間的兩個接觸對。其中連桿體和連桿蓋之間的兩個接觸面需要進行約束，其余的接觸面設置為一般接觸對即可，如圖3所示[2]。

2.3 位移邊界條件

在有限元分析過程中，施加位移邊界條件是為了防止模型產生剛度位移，因此將邊界條件施加在曲柄銷兩端面和上下軸瓦的上下表面，約束施加的示意圖見圖4，其中曲柄銷和軸瓦表面橙色的部分即為施加的位移約束[3]。

2.4 連桿載荷施加

在連桿的正常運作過程中，會有多種力一同作用在連桿上，其中最主要的幾種力有可燃氣體的作用力、往復慣性力還有連桿組的慣性力等。將這些力對應連桿的運行過程進行歸納分類，最終可以歸納為連桿在活塞運動到下止點時所受的拉伸載荷，以及上止點時所受到的壓縮載荷，本文中，連桿所受的拉伸載荷的最大值為42.1kN，壓縮載荷值為162.5kN。

3 ?有限元分析結果

基于上述有限元模型，對連桿在該標準工況下的應力狀態進行分析，結果如圖5至圖6所示。當連桿處于最大拉伸工況時，主要應力集中的部位是連桿的小頭和桿身連接的地方以及連桿小頭內兩側的部位，而最大應力出現在連桿小頭和桿身連接的部位發生，具體的數值為305.8MPa;而在最大壓縮工況下，主要應力集中的部位是桿身以及連桿小頭和連桿大頭與桿身連接的地方。最大應力在連桿小頭和桿身連接的地方發生，數值為348.1MPa，也是會最先出現疲勞變形的地方。

4 ?連桿的疲勞分析

工程中出現疲勞損傷現象最主要的原因是交變載荷的存在，應用S-N曲線可以通過確定交變載荷的大小得到疲勞壽命或者安全系數[4]，本文采用Femfat對連桿在拉-壓循環交變載荷作用下的疲勞安全系數進行分析，結果如圖7所示。

如圖7所示，可以看出連桿在該工況下，疲勞安全系數較小的地方都集中在連桿小頭和桿身連接的地方還有連桿大頭和桿身連接的地方，也就是應力集中區域。其中安全系數的最小值為1.39，可以滿足一般工程安全要求。

5 ?結論

采用有限元法對某型號的六缸柴油機的連桿在額定工況下的應力狀態進行分析，并對其疲勞可靠性進行分析，結果表明該連桿能夠滿足額定工況下的強度要求，具有一定的實用性。

參考文獻：

[1]朱小平.發動機連桿靜動態強度CAE仿真分析[D].浙江大學，2012.

[2]杜桂榮，仇博先，海建中.渦旋壓縮機殼體的有限元分析[J].甘肅工業大學學報，2002，28（1）：55-58.

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4]屠丹紅，王奎.某中速雙燃料發動機連桿強度評估[J].內燃機與配件，2019（24）：58-62.