概念設(shè)計(jì)階段連桿強(qiáng)度計(jì)算規(guī)范

1、1 cae 規(guī)范第 1 部分：概念設(shè)計(jì)階段連桿強(qiáng)度計(jì)算1 范圍本部分規(guī)定了連桿強(qiáng)度的校核方法。本部分適用于概念設(shè)計(jì)階段連桿強(qiáng)度的校核，以安全系數(shù)表示連桿在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品生命周期內(nèi)的安全裕度。對(duì)船用發(fā)動(dòng)機(jī)，需同時(shí)采用船檢規(guī)范進(jìn)行校核。2 名稱、符號(hào)圖 1 連桿桿身最小截面模型示意圖表-1 連桿強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)序號(hào)名稱符號(hào)單位1 連桿質(zhì)量rodmkg 2 活塞組質(zhì)量pstmkg 3 連桿長(zhǎng)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(zhǎng)zlmm 13 材料的抗拉強(qiáng)度bmpa13 材料的疲勞極限1mpa14 轉(zhuǎn)速nrpm 15 最大爆壓gpmpa 3 計(jì)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(jì)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(jì)算原理連桿的設(shè)計(jì)基于對(duì)高應(yīng)力區(qū)域的疲勞安全進(jìn)行評(píng)估。本規(guī)范中的計(jì)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(tái)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(jì)。5 計(jì)算工況對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作于額定轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)，以全負(fù)荷工況為計(jì)算工況； 對(duì)在大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作的發(fā)動(dòng)機(jī)，以額定轉(zhuǎn)速為計(jì)算工況；對(duì)船用發(fā)動(dòng)機(jī)，以超負(fù)荷（110%負(fù)荷）工況為計(jì)算工況。通常，一個(gè)工作周期內(nèi)， 由燃?xì)鈮毫蛻T性力引起的作用在連桿上的徑向載荷對(duì)所有曲柄位置都應(yīng)計(jì)算。簡(jiǎn)單起見，徑向力可以采用簡(jiǎn)化計(jì)算，并只計(jì)算一個(gè)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(shí)連桿載荷連桿屬于細(xì)長(zhǎng)桿件類的柴油機(jī)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(jì)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(jì)算：23cos)41(25),(22pspsppplxldfxqpf：作用在襯套和連桿軸瓦上的徑向載荷，n；對(duì)于連桿小頭pf可按曲柄連桿動(dòng)力學(xué)或多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到，對(duì)v 型機(jī)，pf應(yīng)考慮不同的相位和連桿設(shè)計(jì)（分叉連桿、連接連桿、并列連桿等）分別計(jì)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(jì)算7.1 襯套過盈量計(jì)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(jì)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(jì)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(jī)工作后連桿小頭的溫升，t=100150（一般高速機(jī)采用 150） ；d為連桿軸瓦的外徑。7.2 軸瓦過盈量計(jì)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(shí)際連桿大頭孔直徑有一定的公差帶，因此連桿軸瓦相對(duì)于實(shí)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(duì)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(jì)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(tái)過度圓角處計(jì)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(duì)較密（比如整體以單元長(zhǎng)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(tái)過渡圓角處， 因?yàn)槭侵攸c(diǎn)考察的應(yīng)力集中區(qū)域，如果計(jì)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(tái)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(duì)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(duì)應(yīng)，網(wǎng)格應(yīng)相對(duì)密一些，否則會(huì)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(duì)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(tái)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(shí)為活塞組最大往復(fù)慣性力，受壓時(shí)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(jì)算采用整體模型

9、. 計(jì)算分三個(gè) step,step1只加預(yù)緊力（預(yù)緊力在以后的兩個(gè)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(diǎn)關(guān)于連桿軸線對(duì)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(diǎn)關(guān)于連桿軸線對(duì)稱（約束用固定約束和彈簧約束對(duì)結(jié)果無多大影響，采用固定約束在約束點(diǎn)處會(huì)有應(yīng)力集中，但對(duì)整體計(jì)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(jì)算大小頭孔變形時(shí)不考慮螺栓預(yù)緊力的影7 響，計(jì)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(yàn)?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(tái)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(jì)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(qiáng)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(jì)算8 對(duì)于連桿，n、sn兩個(gè)安全系數(shù)計(jì)算公式如下：0m時(shí)：maln 1；massn。0m時(shí)：)1 ( 1bmaln；massn。其中：n：疲勞安全系數(shù)；sn：塑性安全系數(shù)；0012：不對(duì)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(qiáng)化時(shí)的表面加工情況系數(shù) 表9 零件形式和橫斷面尺寸（mm）強(qiáng)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(jì)算方法，連桿的許用安全系數(shù)建議采用大于1.5。 （還需進(jìn)一步