发动机连杆疲劳强度有限元分析.docx

图 1 连杆有限元模型发动机连杆疲劳强度有限元分析李春玲( 上海柴油机股份有限公司, 上海 200438)摘要 运用 ABAQ U S 软件, 对发动机连杆疲劳强度进行分析。采用接触非线性分析方法,对连杆在装配、最大爆发压力和最大惯性力 3 种工况下的应力进行求解计算; 采用 FO R T R AN语言编写 ABAQ U S 用户子程序,疲劳应力计算。对最大爆发压力工况和最大惯性力工况下的应力进行等效转化Abs tra ct: This paper presents the fatigue strength analysis on diesel engine connecting rod by using ABAQUS software. Firstly, connecting- rods stresses under assembly load, maxcompression load and max tensile load were calculated respectively by non - liner contact method. Then a user subroutine of ABAQUS was made with Fortran to determine fatigue stresses by equivalent conversion of the calculated stresses under max compression load and max tensile load.关键词: 连杆 接触 疲劳 ABAQUSKe y words : conne cting rod, conta ct, fa tigue , ABAQUS1 前言连杆作为发动机的核心传力部件, 在运行过程 中, 承受着由燃气压力和惯性力共同作用产生的 拉、压交变载荷, 处于疲劳应力状态。一旦连杆断裂, 将使整机受到严重破坏。因此,连杆设计时除了必须有足够的结构刚度和强度外, 还必须考虑连杆的疲劳强度。本文以简化的应力极限 Goodman图 为 理 论 基 础 , 在 ABAQUS 软 件 中 , 采 用 U-VARM 子程序接口, 通过 Fortran 语言编程,实现了 连 杆 的 转 化 疲 劳 应 力 EFR ( Equivalent FullyReversed Stress ) 的计算方法。2有限元模型如图 1, 连杆有限元模型包括: 连杆体、连杆 盖、上下轴瓦、衬套、连杆螺栓、活塞销、曲轴。由于连杆的结构对称性 ,因此只取一半连杆做计算。螺栓采用四面体与五面体相结合的方法, 加载螺栓预紧力; 衬套、轴瓦、活塞销采用 8 结点六面 体单元; 连杆体、连杆盖采用 10 结点四面体单元。3边界条件本次强度分析共计算了三个工况:最大爆发压力工况和最大惯性力工况。装配工况、来稿日期: 2007- 3- 2作者简介: 李春玲( 1979- ) , 女, 本科, 主要研究方向为结构强度分析。( 65) -9 -图 2 装配工况下连杆应力分布图 3 最大爆发压力工况下连杆应力分布图 4 最大惯性力工况下连杆应力分布图 5 简化的应力极限 Goodman 图3.1 装配工况在连杆与衬套之间、上下轴瓦之间分别施加图纸规定的过盈量,并将螺栓预紧力矩转化为轴向拉力后施加到螺栓上。其余零件根据装配关系定义面对面接触。在对称面上施加对称约束,曲轴外 端 固 定 约束。3.2 最大爆发压力工况 在连杆体及连杆盖上施加往复加速度及摆动角速度。在活塞销外端面施加由于最大爆发压力和活塞 组惯性力产生的活塞对连杆的作用力。保持装配工况的作用力和约束条件。3.3 最大惯性力工况 在连杆体及连杆盖上施加往复加速度及摆动角速度, 同最大爆发压力工况。 在活塞销外端面施加由于活塞组惯性力产生的活塞对连杆的作用力。 保持装配工况的作用力和约束条件。求。5疲劳强度计算5.1 疲劳评价方法采用 ABAQUS 用户子程序计算 2 个工况生成疲劳数据。以 Goodman 曲线为原理,输入主应力或 Mises 应力,利用平均应力和应力幅在各轴向的投影计算出 EFR 应力。第四强度理论认为形状改变比能引起屈服是零件产生失效的主要原因, 即 Von Mises 应力超过一4强度计算结果及分析3种工况下, 连杆的应力分布情况见图 24。定限值就会产生屈服,此强度理论主要用于碳钢等在装配工况下, 最大应力( Von Mises 应力)塑性材料。对应 EFR 值, 采用应力幅张量的 VonMises 。出现在连杆小头内侧,为 305 MPa ;最大爆发压力工况下, 最大应力位于连杆小头靠近杆身侧,为5.1.1平均应力和应力幅的计算390 MPa ; 最大惯性力工况下,最大应力位于连杆= b+amean2小头内侧, 为 308 MPa 。三种工况下的最大应力均alt= b- a小于屈服极限 785 MPa ,因此,连杆强度是满足要2式中: a工况 1 的各节点的应力张量b工况 2 的各节点的应力张量 mean各节点平均应力的应力张量 alt各节点应力幅的应力张量应力张量,Si , Sj , Sk , i j , jk , ki5.1.2 EFR 应力计算方法即可用简化的应力极限 Goodman 图来计算 EFR具体见图 5。值1,- 10 - ( 66)图 6 最大惯性力下连杆的 EFR 应力分布材料性能参数:b: 材料的抗拉强度,极限。- 1:材料的抗拉屈服1-m#。根据图 5, 当 m0, EFR=a /疲劳极限b5.1.3材料的疲劳性能, 是作用应力 S 与到破坏时的寿命 N 之间的关系描述。材料的基本 S- N 曲 线 , 给出的是光滑材料在恒幅对称循环应力作用下的裂 纹萌生寿命。寿命趋于无限大时所对应的应力 S 的 极限值, 称为材料的疲劳极限。但实际构件的外 形、尺寸、表面质量、工作环境等都将影响疲劳极 限的数值。一般零件的 EFR 极限值的定义如下2:e = - 1式中: - 1 材料的疲劳极限 绝对尺寸系数 表面强化系数1) 在连杆有限元建模时,必须考虑各零件之间的接触关系,才能更精确模拟连杆在螺栓预紧力、轴瓦过盈和工作载荷等工况下的受力情况。连杆在工作过程中主要承受气体压力和往2)复惯性力所产生的交变载荷, 因此,够的疲劳强度。连杆应具有足值根据表面加工系数和表面强化系数,式计算得到:=1 q由下3) 在分析疲劳过程中, 采 用 Goodman 简 化应力极限图来计算疲劳极限点。对于任一点的平均 应 力 和 应 力 幅 , 采 用 第 四 强 度 理 论 , 选 取 Von Mises 应力计算。4) 有限元软件 ABAQUS 的用户子程序通过与 其求解器 Standard 的接口来实现数据交流。利用 ABAQUS 自带的用户子程序, 通过 Fortran 或 VC语言编程, 可方便地计算用户定制的载荷和约束,或求取等效应力。其中,1 为表面加工系数,q 为表 面 强 化 系数。5.2 连杆疲劳计算结果采用 ABAQUS 自带的 UVARM 用户子程序计 算 EFR 应力, 在程序中调用 GETVRM 子程序来读 出变量, 调用 SPRIND 子程序计算主应力值及 方 向。图 6 为 连 杆 最 大 惯 性 力 最 大 爆 发 压 力