柴油机连杆的三维有限元分析

柴油机连杆的三维有限元分析

0a、流量仿真模型及有限元分析现代高速汽机的设计趋势是尽量利用平截面。结构紧凑，质量轻，可以减少强度，降低振动，减少摩擦损失。康明斯6CT柴油机连杆是典型的平切口连杆,在运用中曾发生过连杆螺钉断裂、连杆断裂及大端过渡部分裂纹等故障。为此,对连杆高速运动中的受力状况进行了理论分析,结合有限元软件ANSYS对活塞连杆进行三维准静态有限元分析研究,计算模型与实际结构、工作状况相符;采用接触算法,以理论分析为依据,模拟分析为手段,找出导致连杆失效的主要因素,为后续的理论计算提供可信的数据,也为今后机构的选型、优化设计提供参考依据。1连续工艺和载荷连杆是柴油机重要运动部件之一,对于四冲程柴油机来说,气缸内气体压力随活塞的运动而时刻发生变化,特别是在燃烧前后,变化程度非常剧烈。在做功冲程时,活塞从上止点移动到下止点,曲轴转角从365°～540°,此期间由于喷入气缸的燃料在高温空气中着火燃烧,使气缸内的燃气温度和压力急剧升高。连杆将作用在活塞上极高的燃气压力转变成曲轴的旋转力矩,在排气冲程末和吸气冲程开始时,将承受着很大的往复惯性力(尤其是大端),运转中应力交变十分频繁。连杆既受到气体的压力,运动过程的摩擦阻力,又受到所带动负载的阻力,这些力随着活塞的运动而变化。活塞连杆组的运动状况如图1所示。其中,小头端随活塞组做往复直线运动,大头端绕曲柄销做旋转运动,杆身部分为往复运动和摆动所合成的复合运动;连杆的受力情况较为复杂,在其杆身的每一个截面上都会有弯矩、剪力和法向力,但弯矩和剪力都不大,杆身的主要载荷是交变的拉压负荷。柴油机活塞连杆组的运动极不均匀,伴随着很大的加减速度,产生超重上千倍的惯性负荷,对连杆的强度和耐久性影响很大,并导致振动和噪声。这些惯性负荷主要有:活塞组件往复运动所产生的往复惯性力,曲轴不平衡回转质量回转运动所产生的离心力,连杆运动所产生的惯性力。计算时,采用连杆两个质点组成的系统代替的方法来处理连杆的分布惯性力;动态分析时,以活塞为参照物,连杆绕活塞销作平面转动,根据达朗贝尔原理,采用动静法进行准静态应力分析。往复惯性力的方向与活塞加速度的方向相反,作用线与气缸中心线平行。连杆运动所产生的往复惯性力Fj可根据下式计算,即Fj=mjRω2(cosα+λcos2α)式中R—曲柄半径;ω—角速度;λ—曲柄连杆比;α—与x轴的夹角。2压力和速度由于连杆的形状及其载荷比较复杂,采用经典力学的方法进行结构分析具有局限性,使用有限元法计算连杆的应力比用传统的材力公式计算的结果更为精确。连杆的负荷和约束边界条件比较明确,适于用三维有限元法进行受力分析,进行结构优化设计。连杆的受力边界条件如下:连杆与活塞销和曲柄销构成接触对,在某一角度范围内按余弦规律分布,沿连杆厚度方向不变,详见下式。连杆小头衬套和连杆大头轴瓦的过盈量和热膨胀引起的内表面压力按均布力处理;连杆大头组件与螺栓视为整体,不考虑螺栓的预紧力。f=AcosαP=∫0θf×r×dαdx式中r—连杆轴颈的半径;θ—分布角。分析时选取柴油机的最大功率工况进行计算,此时转速为2500r/min,功率为160kW(增压),最大爆发压力为13.1MPa(增压),以排气冲程上止点为曲轴0°转角,每隔60°进行一次有限元受力计算;考虑到两个危险工况:①发生在进排气冲程上止点的最大拉工况;②发生在膨胀冲程上止点附近的最大压工况。连杆内孔受活塞销的接触力,按余弦规律分布,在压工况时分布角θ=120°,拉工况时θ=150°。根据曲轴转角依次计算出活塞传递给连杆的作用力,计算数据详如表1所示,所有数值均对应于活塞受到的气压力单位。活塞总作用力:P=Pg+Fj侧压力:Pn=Ptgβ连杆大头离心惯性力:Prc=mcbFpRω2Ρrc=mcbFpRω2切向分量:T=Psin(α+β)cosβΤ=Ρsin(α+β)cosβ法向分量:K=Pcos(α+β)cosβΚ=Ρcos(α+β)cosβ连杆压力:Fs=PcosβFs=Ρcosβ回转惯性力:Pr=mrFpRω2Ρr=mrFpRω23连塔连线连续式中连分法的计算方法由于连杆几何形体结构复杂,在工作载荷和装配应力复合作用下,各部位产生复杂的三向应力状态,文献中称为多轴非比例或非同相循环应力。FEM应用于计算康明斯柴油机6CT连杆具有上述特征的应力状态,本文采用VonMiss应力或应变判据对其分析。VonMises应力是基于剪切应变能的一种等效应力,它遵循材料力学第四强度理论,对于大多数碳钢和合金钢与疲劳试验的结果比较吻合,VonMiss等效应力判据给出下列结果δc=12√(σ1−σ2)2+(σ2−σ3)2+(σ3−σ1)2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√δc=12(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2式中σ1,σ2,σ3—主应力;δe—等效应力。通过对连杆进行运动受力计算,获得各曲轴转角对应的连杆应力及最大位移偏移量,如表2所示。在曲轴370°转角(膨胀冲程上止点附近)连杆受到最大的燃气压力作用,应力集中在杆身受压侧面与大头的过渡部位,最大的位移偏移量出现在连杆大头端;在曲轴720°转角(排气冲程上止点附近)连杆受到最大拉力作用,应力集中在小头内孔表面。图2为连杆在曲轴370°转角的VonMises应力分布,此时连杆受到来自活塞的最大爆发压力,在靠近连杆小头的杆身单侧面以及杆身与大头过渡部位出现应力集中,数值在270～315MPa之间,在杆身侧面与大头过渡部分边沿的微小区域出现应力峰值,为404MPa。该连杆(材质为40MnBH)经调质处理后屈服极限可达到500MPa,连杆各部位等效应力状态处在极限应力范围之内。在靠近小头的杆身侧面和杆身与大头过渡圆弧面的中部分别选择2个特征节点888和5178,由计算结果获得其应力变化曲线,如图3所示。连杆在高速往复运动过程中受到多轴非比例或非同相循环应力的作用,在小头杆身侧以及杆身与大头过渡部分的边沿出现不同程度的应力集中;连杆长期工作过程中将会产生局部的失效以至破坏断裂:过渡部位边沿易产生细微裂纹,而靠近小头的杆身部分则在剪切力作用下有可能沿着45°～60°的截面方向断裂。这与该连杆实际使用中断裂情况相符,断裂面沿小头杆身45°～60°的截面方向。另外,柴油机发生爆震的情况下,会加速连杆裂纹的生长并导致连杆断裂。4疲劳性能1)因为几何形体结构复杂,在工作载荷和装配应力的复合作用下,连杆各部位三向应力状态具有多轴非比例(非同相)循环应力的特征。为此,应用有限元法对交变载荷作用下康明斯6CT柴油机连杆的三向应力状态进行了计算。基于VonMiss屈服条件,对连杆疲劳性能进行计算评估,连杆各部位等效应力状态处在极限应力线范围之内。2)平切口柴油机连杆的结构紧凑,连杆大头形状的设计要特别注意降低应力集中,膨胀冲程应力主要集中在杆身与大头过渡部位和靠近小头端的杆身侧面。在多轴非比例或非同相循环应力的作用下,杆身与大、小头过渡部位容易产生疲劳裂纹。由于连杆小头部