某柴油機連桿強度的有限元分析

王 瑋

（中船澄西揚州船舶有限公司，江蘇揚州225211）

柴油機在工作過程中，連桿將活塞的直線往復運動轉(zhuǎn)化為曲軸的回轉(zhuǎn)運動，將氣缸內(nèi)氣體對活塞做的功傳遞給曲軸并以扭矩向外輸出功?；钊惺軄碜云變?nèi)作用在活塞上的氣體壓力及活塞連桿組的慣性力，其大小和方向隨曲軸轉(zhuǎn)角呈周期性變化。

本文主要校核某柴油機連桿的結(jié)構(gòu)強度，把連桿看作一受壓的直桿，并且可以簡化成一受壓的二力桿，通常選擇連桿最大受壓狀態(tài)及最大受拉狀態(tài)作為兩個極限受力狀態(tài)。本次計算是以第六缸曲柄為研究對象，根據(jù)柴油機工作過程的動力學計算，可知，連桿受拉最嚴重的是在排氣沖程上止點，受壓最嚴重的是在發(fā)火瞬間。

1 有限元模型的建立

1.1 實體模型的建立

在進行柴油機連桿有限元分析時，首先要建立與實際情形相符合的力學模型、載荷和約束邊界條件，才能達到比較滿意精度的計算結(jié)果。有限元計算是基于結(jié)構(gòu)的三維實體模型進行的，因此對連桿進行三維實體建模，建立有限元分析的幾何模型。

1.2 有限元模型的建立

連桿材料是鋼42CrMo-Gb3077-82，屈服強度為930 MPa；抗拉強度為1 080 MPa。設(shè)立各個區(qū)域最小單元長度，由有限元分析軟件自動劃分了7 479個單元13 084個節(jié)點。

邊界約束條件如后面的計算模型圖示，由于只討論連桿受拉受壓最嚴重的兩種情況，所以模擬計算時轉(zhuǎn)化為靜力分析，視連桿為二力桿，約束條件都加在連桿大端，在小端施加外載荷。[1-2]

2 計算結(jié)果

柴油機及其連桿的原始數(shù)據(jù)如下：曲柄半徑為80 mm；氣缸直徑為132 mm；連桿長度為255 mm；234連桿重量分配為旋2.385 kg，往復1.320 kg；曲柄銷長度為69.5 mm；曲柄銷直徑為92 mm；V型機兩列氣缸夾角為60o；氣缸爆發(fā)壓力分別為17 MPa和16 MPa；曲柄連桿比為；活塞組質(zhì)量為4.120 kg；主軸頸直徑為105 mm。

2.1 連桿受拉

根據(jù)連桿截面圖（圖1） 和受力分析圖（圖2） 計算得出，連桿橫截面積S為761.98 mm2。

圖1 連桿截面圖

圖2 受力分析圖

連桿受拉最嚴重時，是在排氣沖程上止點，此時，可認為連桿只受到活塞組的往復慣性力的作用，即：

通過計算，連桿小端上的壓力為8.06 MPa，同時認為連桿小端載荷是呈180°均勻分布。計算模型如圖3所示，利用有限元軟件加載壓力，通過靜力分析模塊分析得到圖4和圖5的應(yīng)力云圖。

圖3 計算模型

圖4 連桿應(yīng)力云圖

圖5 連桿截面云圖

2.2 連桿受壓

連桿受壓最嚴重時是在發(fā)火瞬間，此時連桿受到爆發(fā)壓力和往復慣性力作用，連桿位置為曲柄轉(zhuǎn)角360°。本次計算分兩種工況。[3-4]

2.2.1 工況1

此工況氣缸爆發(fā)壓力為17 MPa，此時連桿受力為：

連桿小端受到壓力：

連桿受壓時，載荷壓向桿身，由于桿身剛度較大，載荷呈180°余弦分布是較有代表性的。計算用的力學模型如圖6和圖7所示。

圖6 連桿受力圖

圖7 連桿受力分析圖

把壓力分解為徑向力和切向力：

則最大壓力P為：

解得：

按照上述計算的載荷加載在計算模型（圖8）上，得出如圖9和圖10的應(yīng)力云圖。

圖8 計算模型

圖9 連桿應(yīng)力云圖

圖10 連桿截面云圖

2.2.2 工況2

此工況汽缸爆發(fā)壓力為16 MPa，按照工況1方法計算得出此工況的連桿小端受到壓力為199 836.4 N，所受載荷為105 Mpa，將該載荷加載在計算模型（圖11） 連桿小端，得出圖12和圖13的應(yīng)力云圖。

圖11 計算模型

圖12 連桿應(yīng)力云圖

圖13 連桿截面云圖

3 結(jié)果分析與結(jié)論

由應(yīng)力云圖4、9和12可知，連桿受拉時最大應(yīng)力為76.8 MPa。汽缸爆發(fā)壓力為17 MPa時，連桿受壓的最大應(yīng)力為546 MPa；汽缸爆發(fā)壓力為16 MPa時，連桿受壓的最大應(yīng)力為511 MPa。

連桿材料鋼42CrMo-Gb3077-82的屈服強度930 MPa，抗拉強度為1 080 MPa，取安全系數(shù)為2，則得許用應(yīng)力為540 MPa。

由計算結(jié)果可知，該連桿不能承受17 MPa的爆發(fā)壓力，但由于計算模型比較簡單，在過渡圓角上面沒有做任何的處理，因此比實際的受力分析要危險，屬于危險性計算。對于16 MPa的爆發(fā)壓力，該連桿是能承受的。

通過分析可知，在有限元分析中，科學的力學模型、準確的邊界條件約束決定著分析結(jié)果的準確度，也說明有限元方法在柴油機零部件結(jié)構(gòu)強度分析中是一種實用且可靠的方法。