某六缸柴油机连杆疲劳强度分析

鲁国庆

摘要：本文以某款六缸柴油机连杆为研究对象，首先基于给定的三维连杆几何模型，采用hypermesh软件划分网格模型，其次基于ABAQUS有限元软件建立连杆的有限元模型，对其在标准工况下的应力状态进行分析，获得相应的应力分布;最后采用Femfat疲劳分析软件对连杆在该工况下的疲劳安全系数进行分析。研究结果表明，连杆在受到拉压载荷作用时，最大应力点的位置分别位于连杆小头内两侧的部位和连杆小头和连杆大头与杆身连接的地方，同时满足材料的强度要求。通过该研究，为该型号的连杆的适用性提供一定的参考依据。

关键词：柴油机连杆;ABAQUS有限元分析;疲劳安全系数

0  引言

连杆是发动机重要零部件之一，在实际工作过程中会受到来自不同激励源的非比例动态交变载荷的作用，一些关键部位往往会产生应力集中现象，并导致其疲劳失效乃至断裂[1]。目前针对这一问题，国内外相关研究人员往往采用有限元法对连杆进行分析。而近年来随着计算机科技的发展，分析连杆时的有限元模型已经不再局限于二维模型，而是可以对三维模型进行研究，使得分析结果更加精准。本文采用有限元法对某给定的六缸柴油机连杆进行研究，获得连杆在标准工况下的应力分布状态，在此基础上采用femfat疲劳分析软件对其进行疲劳可靠性分析，获得其在该工况下的疲劳安全系数云图，为连杆的实际服役和使用提供一定的参考依据。

1  连杆几何模型的建立

本文研究对象为给定的某型号的六缸柴油机的连杆，采用CATIA三维CAD软件建立该连杆的三维几何模型，建模过程中忽略倒角、凸台等微观结构特性，相应的结果如图1所示。所建立的连杆的几何参数为：大头半径88mm，小头半径50mm，杆身长度220mm，杆身厚度30mm。

2  涡旋盘有限元模型的建立

2.1 涡旋盘网格划分及材料属性定义

本文中，连杆杆身、端盖的材料为非调质特种钢C70S6，轴瓦的材料为08号钢，其材料属性参数如表1所示。采用hypermesh软件对连杆进行网格的划分，网格的类型为二阶三维十节点四面体网格（C3D10），结果如图2所示。

2.2 连杆接触对的定义

连杆属于装配体，因此在建立有限元模型的过程中，需要对不同零部件之间的接触面的属性进行设置。本模型中一共有8个接触对：连杆体与连杆盖之间的两个接触对，连杆体与上轴瓦之间的接触对，连杆盖与下轴瓦之间的接触对，上、下轴瓦与曲柄销之间的两个接触对，上下轴瓦之间的两个接触对。其中连杆体和连杆盖之间的两个接触面需要进行约束，其余的接触面设置为一般接触对即可，如图3所示[2]。

2.3 位移边界条件

在有限元分析过程中，施加位移边界条件是为了防止模型产生刚度位移，因此将边界条件施加在曲柄销两端面和上下轴瓦的上下表面，约束施加的示意图见图4，其中曲柄销和轴瓦表面橙色的部分即为施加的位移约束[3]。

2.4 连杆载荷施加

在连杆的正常运作过程中，会有多种力一同作用在连杆上，其中最主要的几种力有可燃气体的作用力、往复惯性力还有连杆组的惯性力等。将这些力对应连杆的运行过程进行归纳分类，最终可以归纳为连杆在活塞运动到下止点时所受的拉伸载荷，以及上止点时所受到的压缩载荷，本文中，连杆所受的拉伸载荷的最大值为42.1kN，压缩载荷值为162.5kN。

3  有限元分析结果

基于上述有限元模型，对连杆在该标准工况下的应力状态进行分析，结果如图5至图6所示。当连杆处于最大拉伸工况时，主要应力集中的部位是连杆的小头和杆身连接的地方以及连杆小头内两侧的部位，而最大应力出现在连杆小头和杆身连接的部位發生，具体的数值为305.8MPa;而在最大压缩工况下，主要应力集中的部位是杆身以及连杆小头和连杆大头与杆身连接的地方。最大应力在连杆小头和杆身连接的地方发生，数值为348.1MPa，也是会最先出现疲劳变形的地方。

4  连杆的疲劳分析

工程中出现疲劳损伤现象最主要的原因是交变载荷的存在，应用S-N曲线可以通过确定交变载荷的大小得到疲劳寿命或者安全系数[4]，本文采用Femfat对连杆在拉-压循环交变载荷作用下的疲劳安全系数进行分析，结果如图7所示。

如图7所示，可以看出连杆在该工况下，疲劳安全系数较小的地方都集中在连杆小头和杆身连接的地方还有连杆大头和杆身连接的地方，也就是应力集中区域。其中安全系数的最小值为1.39，可以满足一般工程安全要求。

5  结论

采用有限元法对某型号的六缸柴油机的连杆在额定工况下的应力状态进行分析，并对其疲劳可靠性进行分析，结果表明该连杆能够满足额定工况下的强度要求，具有一定的实用性。

参考文献：

[1]朱小平.发动机连杆静动态强度CAE仿真分析[D].浙江大学，2012.

[2]杜桂荣，仇博先，海建中.涡旋压缩机壳体的有限元分析[J].甘肃工业大学学报，2002，28（1）：55-58.

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4]屠丹红，王奎.某中速双燃料发动机连杆强度评估[J].内燃机与配件，2019（24）：58-62.