概念設(shè)計階段連桿強度計算規(guī)范

1、1 cae 規(guī)范第 1 部分：概念設(shè)計階段連桿強度計算1 范圍本部分規(guī)定了連桿強度的校核方法。本部分適用于概念設(shè)計階段連桿強度的校核，以安全系數(shù)表示連桿在發(fā)動機產(chǎn)品生命周期內(nèi)的安全裕度。對船用發(fā)動機，需同時采用船檢規(guī)范進行校核。2 名稱、符號圖 1 連桿桿身最小截面模型示意圖表-1 連桿強度計算參數(shù)序號名稱符號單位1 連桿質(zhì)量rodmkg 2 活塞組質(zhì)量pstmkg 3 連桿長度lmm 4 缸套內(nèi)徑dmm 5 連桿大頭軸瓦寬度pslmm 6 連桿主軸瓦寬度jslmm 7 桿身最小截面積a2mm8 極慣性矩（ z 軸）zi4mm9 極慣性矩（ y 軸）yi4mm2 10 材料的屈服極限smpa1

2、1 連桿大小頭孔中心距ylmm 12 連桿桿身長zlmm 13 材料的抗拉強度bmpa13 材料的疲勞極限1mpa14 轉(zhuǎn)速nrpm 15 最大爆壓gpmpa 3 計算流程連桿基本參數(shù)壓干穩(wěn)定合 格連桿幾何模型連桿模型襯套過盈軸瓦過盈螺栓預(yù)緊力慣性力/ 爆發(fā)壓力有限元應(yīng)力表面處理安全系數(shù)合 格大小頭孔變形合 格結(jié)束計算是是是否否否尺寸影響屈服極限疲勞極限圖 2 流程圖3 4 計算原理連桿的設(shè)計基于對高應(yīng)力區(qū)域的疲勞安全進行評估。本規(guī)范中的計算基于以下假定：連桿小頭內(nèi)側(cè)、桿身過渡圓角處、大頭蓋螺栓臺階面是高應(yīng)力區(qū)域；活塞組往復(fù)慣性力以軸向拋物線、 徑向 120 余弦分布作用在小頭襯套和連桿軸瓦上

3、；爆發(fā)壓力以軸向拋物線、徑向120 余弦分布作用在小頭襯套和連桿軸瓦上；活塞組往復(fù)慣性力、爆發(fā)壓力是引起連桿破壞的主要因素，連桿旋轉(zhuǎn)慣性力產(chǎn)生的影響很小，可以忽略不計。5 計算工況對長期穩(wěn)定工作于額定轉(zhuǎn)速的發(fā)動機，以全負荷工況為計算工況； 對在大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作的發(fā)動機，以額定轉(zhuǎn)速為計算工況；對船用發(fā)動機，以超負荷（110%負荷）工況為計算工況。通常，一個工作周期內(nèi)， 由燃氣壓力和慣性力引起的作用在連桿上的徑向載荷對所有曲柄位置都應(yīng)計算。簡單起見，徑向力可以采用簡化計算，并只計算一個工作周期內(nèi)的最大受拉和最大受壓兩種狀態(tài)。6 連桿載荷6.1 壓桿穩(wěn)定時連桿載荷連桿屬于細長桿件類的柴油機零件， 在

4、承受較大爆發(fā)壓力的工況下須做桿件的穩(wěn)定性校核：4 臨界載荷由 rankine gordan公式計算：pzzfpnpyyfpn6.2 連桿受到慣性載荷連桿載荷以大小頭孔軸向拋物線、徑向120 余弦分布的分布力作用在襯套和連桿軸瓦上，作用范圍為連桿大頭軸瓦寬度（見圖3-b），其大小按以下公式計算：23cos)41(25),(22pspsppplxldfxqpf：作用在襯套和連桿軸瓦上的徑向載荷，n；對于連桿小頭pf可按曲柄連桿動力學(xué)或多體動力學(xué)計算得到，對v 型機，pf應(yīng)考慮不同的相位和連桿設(shè)計（分叉連桿、連接連桿、并列連桿等）分別計算與合成。xx lzlyy z p pzlzpplz y 5 q

5、( , )q( , )q(, )q( , )q( , )q(, )q( , )q(, )剖面剖面a)連桿受到爆發(fā)壓力載荷b) 連桿受到慣性力載荷圖 3 連桿載荷圖7 襯套和軸瓦過盈計算7.1 襯套過盈量計算襯套過盈量有兩部分組成，即襯套最大裝配過盈量z 和襯套溫度過盈量 t 襯套最大裝配過盈量由圖紙計算：z=連桿襯套外圓上偏差 - 連桿小頭孔下偏差襯套溫度過盈量按計算公式：t=（- ） td 襯套在直徑方向的過盈量為：d= z + t 其中， t是柴油機工作后連桿小頭的溫升，t=100150（一般高速機采用 150） ；d為連桿軸瓦的外徑。7.2 軸瓦過盈量計算連桿軸瓦在預(yù)緊力0p的作用下，

6、連桿瓦被壓縮了0h, 還有yh的余量，考慮實際連桿大頭孔直徑有一定的公差帶，因此連桿軸瓦相對于實際連桿大頭孔的最大過盈為：)(21min0max0max0maxddhhhy（)(256.111000tttebpdh?）其中0d為連桿大頭孔的基本尺寸；0b為連桿軸瓦的寬度；e為連桿軸瓦鋼被材料6 的彈性模量 （一般取25/101 .2mmne） ；t 為連桿軸瓦的厚度；1t為連桿軸瓦合金層的厚度；為折算系數(shù)（對于巴氏合金瓦=0.2，鋁基合金瓦=0.35，銅基合金瓦=0.5） 。8 有限元計算8.1 fea 模型幾何模型：目前最好采用整體模型 （采用 1/2 模型大頭蓋連桿螺栓臺過度圓角處計算結(jié)果

7、不正確，原因尚不確定） ；包括連桿襯套、連桿軸瓦、連桿螺栓、連桿體和連桿蓋。網(wǎng)格密度：在連桿應(yīng)力集中區(qū)域和關(guān)注區(qū)域網(wǎng)格應(yīng)相對較密（比如整體以單元長度4 劃分，加密處加密到2 即可） ；連桿小頭內(nèi)側(cè)、桿身跟大小頭的過渡圓角處、大頭蓋的連桿螺栓臺過渡圓角處， 因為是重點考察的應(yīng)力集中區(qū)域，如果計算結(jié)果不理想可以采用六面體子模型得到較為精確結(jié)果，其中大頭蓋的連桿螺栓臺過渡圓角處應(yīng)力隨網(wǎng)格密度變化較明顯，最好采用子模型； 非關(guān)心區(qū)域單元尺寸可相對較大；桿身與大頭蓋接觸的齒部由于網(wǎng)格不能做到一一對應(yīng)，網(wǎng)格應(yīng)相對密一些，否則會出現(xiàn)不收斂問題。連桿整體網(wǎng)格數(shù)控制在6-10萬即可。網(wǎng)格單元：連桿中應(yīng)力集中區(qū)域

8、和關(guān)注區(qū)域單元質(zhì)量應(yīng)相對較好；單元類型采用修正的四面體二階單元（ c3d10m ） ，禁止使用四面體一階單元，大頭蓋的連桿螺栓臺過渡圓角處使用子模型，網(wǎng)格類型為c3d8i 。8.2 載荷、邊界條件連桿的載荷分別為6.1 和 6.2 連桿載荷中所述載荷情況的分布載荷，受拉時為活塞組最大往復(fù)慣性力，受壓時為最大爆發(fā)壓力減去活塞組最大往復(fù)慣性力。連 桿 與 襯 套 、 連桿 瓦 是 過 盈 接 觸 約束 ；連 桿 體 與 連 桿 蓋 接觸 約 束 （ 接 觸 面 用node-to-surface與 surface-to-surface結(jié)果差不多）；連桿與連桿螺栓兩端是tie 約束。計算采用整體模型

9、. 計算分三個 step,step1只加預(yù)緊力（預(yù)緊力在以后的兩個step中繼續(xù)存在），不用加約束；step2在小頭襯套上部和大頭軸瓦下部120 度范圍內(nèi)施加連桿的拉力， 如圖 3_b，約束軸瓦內(nèi)側(cè)下部，保證約束點關(guān)于連桿軸線對稱；step3 在小頭襯套下部和大頭軸瓦上部120 度范圍內(nèi)施加連桿的拉力，如圖3_a，約束軸瓦內(nèi)側(cè)下部，保證約束點關(guān)于連桿軸線對稱（約束用固定約束和彈簧約束對結(jié)果無多大影響，采用固定約束在約束點處會有應(yīng)力集中，但對整體計算結(jié)果無影響，兩種約束方法都可使用）。考慮到連桿在裝配后大頭孔仍為圓形，所以計算大小頭孔變形時不考慮螺栓預(yù)緊力的影7 響，計算工況為不加預(yù)緊力，只加過

10、盈的受拉工況，約束采用上述的彈簧約束。8.3 結(jié)果變形：連桿為在大小頭中心孔的方向上變形，可通過此變形情況初步檢驗?zāi)Ｐ驼_性。拉應(yīng)力：一般出現(xiàn)在連桿小頭孔內(nèi)側(cè)、連桿小頭與桿身過渡的圓角靠近小頭端處、連桿大頭與桿身過渡圓角處、大頭蓋連桿螺栓臺的過渡圓角處。壓應(yīng)力：一般出現(xiàn)大小頭與連桿桿身過渡圓角處。9 安全系數(shù)9.1 疲勞極限線圖| | -(圖 5 連桿疲勞安全極限線圖圖 5 為本部分中安全系數(shù)計算采用的疲勞安全極限線圖。各參數(shù)意義如下：b：材料的抗拉強度， mpa；s：材料的屈服極限， mpa；1：材料的疲勞極限， mpa；2min,max,nna：應(yīng)力幅值， mpa；2min,max,nnm

11、：平均應(yīng)力， mpa。9.2 安全系數(shù)計算8 對于連桿，n、sn兩個安全系數(shù)計算公式如下：0m時：maln 1；massn。0m時：)1 ( 1bmaln；massn。其中：n：疲勞安全系數(shù)；sn：塑性安全系數(shù)；0012：不對稱循環(huán)影響系數(shù)； ：表面加工情況系數(shù)，見表2，表 3；表 2 表面加工情況系數(shù) 表表面加工情況表面加工情況系數(shù) b= （400500） mpa 插值b=（12001400）mpa 拋光1 1 1 磨削0.95 0.90 0.85 精車0.9 0.81 0.72 粗車0.85 0.725 0.60 不加工0.75 0.625 0.50 表 2 零件表面強化時的表面加工情況系數(shù) 表9 零件形式和橫斷面尺寸（mm）強化方法噴 丸滾 壓淬火（0.51.5mm）氮化（0.10.4mm）滲碳（0.20.6mm）無應(yīng)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 有應(yīng)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 許用安全系數(shù)按照上述計算方法，連桿的許用安全系數(shù)建議采用大于1.5。 （還需進一步