航空發動機連桿的有限元分析

摘 要：以某型發動機連桿為研究對象，對連桿進行了受力分析，確定了連桿兩種工況的受力狀態。然后利用UG三維軟件建立了經過簡化的發動機連桿有限元分析模型，在ANSYS仿真軟件中進行有限元分析，分析結果得出了兩種受力工況下的應力分布云圖，驗證連桿強度滿足設計條件。

關鍵詞：航空發動機;ANSYS;連桿;應力分析

Abstract：Taking a certain type of engine connecting rod as the research object，the force analysis of the connecting rod is carried out，and the force states of the connecting rod under two working conditions are determined.Then，the three-dimensional modeling of the connecting rod is created by UG，and analyzed by ANSYS software.The stress distribution cloud chart under different working conditions is analyzed to verify that the strength of the connecting rod meets the design conditions.

Key words：Aeroengine;ANSYS;Connecting rod;Stress analysis

活塞式航空發動機廣泛應用于輕型和低速的螺旋槳飛機中，比如賽斯納172R、西銳SR20、西門諾爾PA44-180等。連桿是活塞式發動機連接活塞和曲軸的重要零件，承擔著連接發動機活塞和曲軸的作用。航空發動機工作時連桿承受混合氣體的爆發力、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]。受到變化的載荷的零件容易疲勞破壞。因此，需要對連桿兩種工況下的受力情況進行理論分析與計算，確定各工況的受載情況。文章利用UG三維建模軟件對連桿進行建模，導入ANSYS中進行有限元分析，仿真計算出了不同工況下的最大應力，對比材料本身屈服強度和抗拉強度，最終確定連桿使用的安全性。

1 連桿受力分析及工況計算

連桿的運動機構是一個曲柄滑塊機構，活塞做上下運動，曲柄為周轉副，它們通過連桿連接組成[2]。連桿運動簡圖如圖1所示，其中：l為桿長，x為活塞的位移，S為活塞的行程，α為曲柄轉角，β為連桿擺角，r是曲柄半徑。

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[3]。

根據理論分析，當最大壓縮工況下，爆發力占了主要成分，而當最大拉伸工況，慣性力占了主要成分，其他部分可忽略不計[4]。通過計算得出，最大壓縮時所受力為50232N，最大拉伸工況受力為6562N。

2 連桿的有限元分析

2.1 建立連桿有限元模型

對連桿進行三維建模時，需要對一些不必要的特征進行簡化，如孔類特征。原因是為了降低網格劃分難度和提高計算機仿真分析計算效率。建模軟件采用UG，UG的全稱叫Unigraphics NX，是Siemens PLM Software公司推出的一個功能強大的計算機輔助設計軟件，UG廣泛應用于工業各個領域。連桿的簡化建模如圖2所示。

2.2 網格劃分

網格劃分是前處理的重要環節，它主要任務就是將整個模型分成很多微小的單元，單元的類型主要有四面體和六面體。本文將模型劃分為四面體單元，網格的劃分采用自動劃分并局部加密方法進行。網格的劃分的質量決定了后期有限元計算的質量，對分析的精度有著直接的影響，本文采用的網格單元畸變形度參skewness為0.2055，質量良好，可以用于計算，分析單元采用實體單元。連桿的網格劃分如圖3所示，其中節點數為45946，單元數為26712。

2.3 材料的選擇

查飛機使用手冊可知連桿的材料為40Cr，40Cr是我國GB的標準鋼號，40Cr鋼是一種常見的優質碳素鋼，性能優異。查機械設計手冊得材料密度為7.9×103kg/m3，彈性模量為2.0×1011MPa，泊松比為0.3。查機械設計手冊可知材料40Cr的屈服強度785MPa，抗拉強度810MPa。

2.4 邊界條件設置

邊界條件的設置是模擬連桿的約束和受力情況，本文連桿的位移約束方法是將連桿小頭內表面進移動約束。然后在連桿大頭內表面施加X軸方向的兩種不同情況的力。

2.5 計算結果分析

經過有限元的仿真計算，兩種工況的應力云圖如圖4、5所示。由圖可知，最大拉伸工況下最危險位置在連桿大頭的螺栓連接部分，該處的應力值是130Mpa。在另外一種工況下最危險位置在連桿小頭的部分，應力值為268.37Mpa。對比材料的屈服強度785MPa和抗拉強度810MPa，結果表明連桿強度滿足設計的要求。

3 結論

本文對活塞式航空發動機的連桿進行了受力分析和計算，得出了兩種不同工況;然后利用UG三維建模軟件建立了航空發動機連桿有限元模型，運用ANSYS仿真軟件仿真計算出了連桿在兩種不同工況下的應力情況，通過對比連桿材料的屈服強度和抗拉強度，驗證了連桿的安全性，完全滿足設計要求。

參考文獻：

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作者簡介：郭湘川（1985— ），男，四川成都人，碩士，研究實習員，工程師，研究方向：飛行器結構設計與制造、航空安全管理。