概念设计阶段连杆强度计算规范

1、1 cae 规范第 1 部分：概念设计阶段连杆强度计算1 范围本部分规定了连杆强度的校核方法。本部分适用于概念设计阶段连杆强度的校核，以安全系数表示连杆在发动机产品生命周期内的安全裕度。对船用发动机，需同时采用船检规范进行校核。2 名称、符号图 1 连杆杆身最小截面模型示意图表-1 连杆强度计算参数序号名称符号单位1 连杆质量rodmkg 2 活塞组质量pstmkg 3 连杆长度lmm 4 缸套内径dmm 5 连杆大头轴瓦宽度pslmm 6 连杆主轴瓦宽度jslmm 7 杆身最小截面积a2mm8 极惯性矩（ z 轴）zi4mm9 极惯性矩（ y 轴）yi4mm2 10 材料的屈服极限smpa1

2、1 连杆大小头孔中心距ylmm 12 连杆杆身长zlmm 13 材料的抗拉强度bmpa13 材料的疲劳极限1mpa14 转速nrpm 15 最大爆压gpmpa 3 计算流程连杆基本参数压干稳定合 格连杆几何模型连杆模型衬套过盈轴瓦过盈螺栓预紧力惯性力/ 爆发压力有限元应力表面处理安全系数合 格大小头孔变形合 格结束计算是是是否否否尺寸影响屈服极限疲劳极限图 2 流程图3 4 计算原理连杆的设计基于对高应力区域的疲劳安全进行评估。本规范中的计算基于以下假定：连杆小头内侧、杆身过渡圆角处、大头盖螺栓台阶面是高应力区域；活塞组往复惯性力以轴向抛物线、 径向 120 余弦分布作用在小头衬套和连杆轴瓦上

3、；爆发压力以轴向抛物线、径向120 余弦分布作用在小头衬套和连杆轴瓦上；活塞组往复惯性力、爆发压力是引起连杆破坏的主要因素，连杆旋转惯性力产生的影响很小，可以忽略不计。5 计算工况对长期稳定工作于额定转速的发动机，以全负荷工况为计算工况； 对在大转速范围内工作的发动机，以额定转速为计算工况；对船用发动机，以超负荷（110%负荷）工况为计算工况。通常，一个工作周期内， 由燃气压力和惯性力引起的作用在连杆上的径向载荷对所有曲柄位置都应计算。简单起见，径向力可以采用简化计算，并只计算一个工作周期内的最大受拉和最大受压两种状态。6 连杆载荷6.1 压杆稳定时连杆载荷连杆属于细长杆件类的柴油机零件， 在

4、承受较大爆发压力的工况下须做杆件的稳定性校核：4 临界载荷由 rankine gordan公式计算：pzzfpnpyyfpn6.2 连杆受到惯性载荷连杆载荷以大小头孔轴向抛物线、径向120 余弦分布的分布力作用在衬套和连杆轴瓦上，作用范围为连杆大头轴瓦宽度（见图3-b），其大小按以下公式计算：23cos)41(25),(22pspsppplxldfxqpf：作用在衬套和连杆轴瓦上的径向载荷，n；对于连杆小头pf可按曲柄连杆动力学或多体动力学计算得到，对v 型机，pf应考虑不同的相位和连杆设计（分叉连杆、连接连杆、并列连杆等）分别计算与合成。xx lzlyy z p pzlzpplz y 5 q

5、( , )q( , )q(, )q( , )q( , )q(, )q( , )q(, )剖面剖面a)连杆受到爆发压力载荷b) 连杆受到惯性力载荷图 3 连杆载荷图7 衬套和轴瓦过盈计算7.1 衬套过盈量计算衬套过盈量有两部分组成，即衬套最大装配过盈量z 和衬套温度过盈量 t 衬套最大装配过盈量由图纸计算：z=连杆衬套外圆上偏差 - 连杆小头孔下偏差衬套温度过盈量按计算公式：t=（- ） td 衬套在直径方向的过盈量为：d= z + t 其中， t是柴油机工作后连杆小头的温升，t=100150（一般高速机采用 150） ；d为连杆轴瓦的外径。7.2 轴瓦过盈量计算连杆轴瓦在预紧力0p的作用下，

6、连杆瓦被压缩了0h, 还有yh的余量，考虑实际连杆大头孔直径有一定的公差带，因此连杆轴瓦相对于实际连杆大头孔的最大过盈为：)(21min0max0max0maxddhhhy（)(256.111000tttebpdh?）其中0d为连杆大头孔的基本尺寸；0b为连杆轴瓦的宽度；e为连杆轴瓦钢被材料6 的弹性模量 （一般取25/101 .2mmne） ；t 为连杆轴瓦的厚度；1t为连杆轴瓦合金层的厚度；为折算系数（对于巴氏合金瓦=0.2，铝基合金瓦=0.35，铜基合金瓦=0.5） 。8 有限元计算8.1 fea 模型几何模型：目前最好采用整体模型 （采用 1/2 模型大头盖连杆螺栓台过度圆角处计算结果

7、不正确，原因尚不确定） ；包括连杆衬套、连杆轴瓦、连杆螺栓、连杆体和连杆盖。网格密度：在连杆应力集中区域和关注区域网格应相对较密（比如整体以单元长度4 划分，加密处加密到2 即可） ；连杆小头内侧、杆身跟大小头的过渡圆角处、大头盖的连杆螺栓台过渡圆角处， 因为是重点考察的应力集中区域，如果计算结果不理想可以采用六面体子模型得到较为精确结果，其中大头盖的连杆螺栓台过渡圆角处应力随网格密度变化较明显，最好采用子模型； 非关心区域单元尺寸可相对较大；杆身与大头盖接触的齿部由于网格不能做到一一对应，网格应相对密一些，否则会出现不收敛问题。连杆整体网格数控制在6-10万即可。网格单元：连杆中应力集中区域

8、和关注区域单元质量应相对较好；单元类型采用修正的四面体二阶单元（ c3d10m ） ，禁止使用四面体一阶单元，大头盖的连杆螺栓台过渡圆角处使用子模型，网格类型为c3d8i 。8.2 载荷、边界条件连杆的载荷分别为6.1 和 6.2 连杆载荷中所述载荷情况的分布载荷，受拉时为活塞组最大往复惯性力，受压时为最大爆发压力减去活塞组最大往复惯性力。连 杆 与 衬 套 、 连杆 瓦 是 过 盈 接 触 约束 ；连 杆 体 与 连 杆 盖 接触 约 束 （ 接 触 面 用node-to-surface与 surface-to-surface结果差不多）；连杆与连杆螺栓两端是tie 约束。计算采用整体模型

9、. 计算分三个 step,step1只加预紧力（预紧力在以后的两个step中继续存在），不用加约束；step2在小头衬套上部和大头轴瓦下部120 度范围内施加连杆的拉力， 如图 3_b，约束轴瓦内侧下部，保证约束点关于连杆轴线对称；step3 在小头衬套下部和大头轴瓦上部120 度范围内施加连杆的拉力，如图3_a，约束轴瓦内侧下部，保证约束点关于连杆轴线对称（约束用固定约束和弹簧约束对结果无多大影响，采用固定约束在约束点处会有应力集中，但对整体计算结果无影响，两种约束方法都可使用）。考虑到连杆在装配后大头孔仍为圆形，所以计算大小头孔变形时不考虑螺栓预紧力的影7 响，计算工况为不加预紧力，只加过

10、盈的受拉工况，约束采用上述的弹簧约束。8.3 结果变形：连杆为在大小头中心孔的方向上变形，可通过此变形情况初步检验模型正确性。拉应力：一般出现在连杆小头孔内侧、连杆小头与杆身过渡的圆角靠近小头端处、连杆大头与杆身过渡圆角处、大头盖连杆螺栓台的过渡圆角处。压应力：一般出现大小头与连杆杆身过渡圆角处。9 安全系数9.1 疲劳极限线图| | -(图 5 连杆疲劳安全极限线图图 5 为本部分中安全系数计算采用的疲劳安全极限线图。各参数意义如下：b：材料的抗拉强度， mpa；s：材料的屈服极限， mpa；1：材料的疲劳极限， mpa；2min,max,nna：应力幅值， mpa；2min,max,nnm

11、：平均应力， mpa。9.2 安全系数计算8 对于连杆，n、sn两个安全系数计算公式如下：0m时：maln 1；massn。0m时：)1 ( 1bmaln；massn。其中：n：疲劳安全系数；sn：塑性安全系数；0012：不对称循环影响系数； ：表面加工情况系数，见表2，表 3；表 2 表面加工情况系数 表表面加工情况表面加工情况系数 b= （400500） mpa 插值b=（12001400）mpa 抛光1 1 1 磨削0.95 0.90 0.85 精车0.9 0.81 0.72 粗车0.85 0.725 0.60 不加工0.75 0.625 0.50 表 2 零件表面强化时的表面加工情况系数 表9 零件形式和横断面尺寸（mm）强化方法喷 丸滚 压淬火（0.51.5mm）氮化（0.10.4mm）渗碳（0.20.6mm）无应力集中1020 1.11.3 1.21.4 1.31.6 1.151.25 1.22.1 3040 1.11.2 1.11.25 1.21.5 1.11.15 1.11.5 有应力集中1020 1.42.5 1.52.2 1.62.8 1.93.0 1.52.5 3040 1.11.5 1.31.8 1.52.25 1.32.0 1.22.0 9.3 许用安全系数按照上述计算方法，连杆的许用安全系数建议采用大于1.5。 （还需进一步