某型单缸机连杆结构强度仿真与试验研究

汪宏伟 欧阳光耀 赵建华 黄映云

（海军工程大学动力工程学院 武汉 430033）

0 引 言

作为发动机的动力传递组件关键一环的连杆，其结构强度直接影响整机的可靠性及其寿命.在发动机的运行过程中，连杆在高压燃气及其本身和其他机件惯性力的共同作用下承受着强大的交变载荷.在这种交变载荷作用下，保持连杆工作的可靠性对发动机来说至关重要［1-4］.目前，对于发动机连杆的研发，一般是以某型成熟发动机连杆为基础，结合新设计的技术指标要求和工作条件进行三维建模、传统的强度校核及仿真分析，最后根据试验结果进行定型［5-7］.

本文以某型单缸机连杆的研发为背景，在对连杆试验与仿真计算的基础上，考核了该型连杆在最大压力及最大拉力2种工况条件下的应力分布情况，找到了其结构强度设计中的薄弱环节，为该型连杆的强度设计提供了依据.

1 连杆的静强度试验

1.1 试验装置

试验参试产品为连杆总成，含连杆体、连杆盖、连杆螺栓、大端轴瓦、小端衬套.以上零件的装配形式见图1.试验件工装夹具加载示意图见图2：连杆大端穿过的工艺销轴与夹板相连被固定在大梁上，连杆小端穿过销轴、传力夹板与油缸动力活塞杆相连，传力夹板可以左右移动，前后通过槽钢导向，避免试件拱起，油缸另一端通过销轴与大梁固定.为保证力传感器的轴线与连杆轴线在一条直线上，在夹板上下表面安装有调整垫片；为了防止工装具发生塑性变形，在大梁上固定有红外位移传感器对其进行实时监测，一旦发生较大变形，将立即停止试验.试验现场见图3（相对图2翻转了90°）.试验控制设备为美国MOOG 公司的SmarTest协调加载控制系统，数据采集设备为美国VXI公司的EX1629数据采集系统.试验中拉压力传感器的型号为LC-7型，额定量程为±1 000kN，力传感器生产厂家为莆田鸿飞传感器有限公司.最大拉载荷试验中力传感器标定按检定证书给定的灵敏度系数进行标定；最大压载荷试验中最大试验载荷超过力传感器额定量程，力传感器的标定是将1 000kN 力传感器量程设定为1 500kN，灵敏度系数按线性关系将1 000kN系数延伸到对应1 500kN 灵敏度系数.图4为试验件应变片测点的布置情况.试验共布有82个测点，其中单向应变片54个测点，直角应变片（由两个单向应变片组成）20个测点，三向应变花8 个测点，共118个数据传输通道.单向应变片和45°夹角.三向应变片型号分别为BE120-5AA 和BE120-4CA，由中航电测仪器股份有限公司生产.

图1 连杆装配图

图2 工装夹具加载图

图3 试验件安装现场图

图4 应变片测点布置图

1.2 试验过程

为保证试验的顺利进行，试验前进行了设备联调，调试过程中加载不超过20%最大试验载荷.试验取5%最大试验载荷作为零载状态，测试设备在零载状态下进行校准调零并开始采集数据.试验加载分级进行，载荷以10%最大试验载荷值的幅度逐级加载，每完成一级载荷的加载至反馈力稳定后，点采试验数据，在85%，90%，95%，100%级别处保载3 min，在无异常现象发生后继续加载，在加载完毕后回到5%最大试验载荷并采集数据，每次拉、压试验均重复进行3次.根据动力学计算的结果，拉工况最大拉载荷为341kN；压工况最大压载荷为1 317kN.

1.3 试验数据处理及分析

观察原始试验数据，发现1＃，7＃，8a，8c4个通道故障，所得应变测试数据无效，其余数据正常.由于试验得到的是各测点的形变量，为便于试验与仿真数据对比，利用泊松定律将其换算成各点应力值，由此得出以下结论.

1）通过对比所有测点3次拉工况及压工况（100%载荷）时的应力值，发现试验重复性很好，特别是第2次与第3次加载时，数据非常接近.图5～6分别为3次拉载、压载试验的测试结果.

图5 3次拉载试验的各测点测试结果

图6 3次压载试验各测点的测试结果

2）由于试件是上下左右对称结构，各测点应变片的布置是在连杆上下表面及左右两侧对称布置，所测得的数据也反映出以上对称特点.图7～8分别为第3次拉载、压载100%工况对称点的应力值比较.

3）观察测点1～8及测点67～74数据，发现连杆在小端受拉时，除测点4及测点70外，其余均为拉应力，小端受压时，依然为拉应力，但数值减小趋向于0.

以上数据说明连杆小端明显受到小端衬套的装配过盈力影响，测点4和测点70处压载荷下依然没有得到释放.

图7 拉载100%工况对称点的应力值比较

4）观察测点9～18及测点75～84数据，发现连杆受拉时，测点9～17及75～83为拉应力，测点18及84为压应力；连杆受压时，所有测点均为压应力，但测点18及84的压应力明显较小.以上数据说明测点18及84明显受到连杆大端轴瓦的装配过盈力作用.

图8 压载100%工况对称点的应力值比较

在以上数据中，测点11所得的拉应力数据是所有测点最大的，其值为102 MPa；测点78所得的压应力数据是所有测点最大的，其值为286 MPa.这说明连杆受拉时，测点11所在的小端与杆身的过渡处应力值最大，连杆受压时，测点78所在的连杆中部最小截面处应力值最大.

5）观察测点19～48 及测点85～102数据，这些数据在拉压工况均有正有负，但数值不是很大，最大值为对称测点26及95所得，其值为124 MPa及140 MPa，均为压应力，这体现了连杆大端的圆形结构特点.

6）观察测点49～52及测点57～60数据，受拉时，大端与杆身过渡位置应力较大，达到了112 MPa，最小截面处测点51处受压时应力值最大，其值为281 MPa.该结论说明最小截面处确实是最薄弱环节.

7）观察测点53，54，61，62 所得数据以及测点55，56，63，64所得数据，发现连杆受拉时测点53，54，61，62所得数据均为正值，且数值较大，最大达到143 MPa；测点55，56，63，64所得数据均为负值，且数值较大，最大达到130 MPa；这些测点的数据在连杆受压时数值均趋向于0.这说明这些地方也明显受到小端衬套的装配过盈力作用.

8）观察测点65，66所得数据，发现连杆在受拉时其值较大达到225 MPa，受压时其值趋向于0.这一方面说明油孔所在的位置受到了小端衬套装配过盈力作用，一方面说明小端油孔在受拉时产生了应力集中，应注意其强度.

2 连杆的仿真计算结果

2.1 连杆的有限元模型

利用三维制图软件PROE与ANSYS接口技术，将实体模型导入到ANSYS中.在ANSYS中定义材料的弹性模量为205GPa，泊松比为0.3，密度为7.8×103kg／m3，采用四面体solid192号单元对连杆实体模型进行网格划分，共得单元42 079个.

2.2 连杆的静强度仿真计算结果

计算分2种工况进行.拉工况约束大端轴瓦内径靠近连杆盖的下表面，工作载荷作用在连杆小端衬套内径上表面；压工况约束大端轴瓦内径靠近小端的上表面，工作载荷作用在连杆小端衬套内径下表面.工作载荷以余弦分布加载，轴瓦过盈力以面压力的形式均匀作用到大端内径表面.图9为拉载作用下杆身方向连杆受力分布云图.由图9可见，最大拉应力出现在小端衬套内侧，达到259 MPa左右；小端顶部由于结构的原因出现了压应力（蓝色区域），大小约为87MPa.图10为压载作用下杆身方向连杆受力分布云图.由图10可见，最大压应力出现在杆身与大端的过渡截面处，达到445 MPa左右，明显出现了应力集中现象.

图9 拉载作用下连杆杆身方向应力分布

图10 压载作用下连杆杆身方向应力分布

3 试验与仿真计算对比分析

对比2种工况下单缸机连杆试验与仿真的应力分布情况见表1～2.由表1可见，拉载工况下，试验与仿真的结果绝对误差最大为9 MPa，相对误差最大为12.6%；由表2可见，压载工况下，试验与仿真的结果绝对误差最大为19MPa，相对误差最大为6.9%.仿真计算与试验的结果真实反映了连杆的实际应力分布情况，其中，连杆杆身最小截面、小端孔与杆身过渡位置、大端孔与杆身过渡位置、小端油孔位置仿真及试验的结果均表明其受到较大的应力作用，因此这些位置在设计加工时应注意其强度.仿真与试验的数据个别地方误差可能的原因来自以下几个方面：（1）选取的测点位置与仿真选取的节点位置不可能完全一致所产生的误差；（2）试验得到的应变转化应力时存在计算误差.比如，使用的泊松比不可能与材料完全一样；没有测到3个方向的应变；（3）仿真的加载与约束条件与试验条件不可能完全一致导致的误差；（4）仿真过程中对模型进行了简化处理.

表1 拉载工况下连杆应力试验值与仿真值对比

表2 压载工况下连杆应力试验值与仿真值对比

4 结束语

通过对连杆最大拉载和最大压载下的仿真与试验，得到了连杆在这2种极端情况下的应力分布情况，结果表明，连杆杆身最小截面、小端孔与杆身过渡位置及小端油孔位置为连杆强度薄弱环节，设计加工时应注意其强度.但由于实际工作过程中的连杆是受到交变载荷作用的，根据多年来连杆实际故障的情况来看，连杆的破坏往往是因为加工等各方面原因所造成的疲劳裂纹的扩展，最后导致其断裂，因此对连杆的设计应该还要进行动强度的校核及疲劳试验.

［1］欧阳光耀，汉 宝.内燃机［M］.北京：国防工业出版社，2011.

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