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发动机连杆螺栓的有限元分析

发布于:2016-06-02 18:13
有限元分析

      作为发动机用连杆螺栓,其工作环境恶劣,承受着交变载荷的影响,经常处于疲劳应力状态。由于其尺寸受到限制,设计或加工处理不好,都会产生严重的应力集中,导致出现疲劳裂纹乃至断裂。因此,除一般的力学性能要求外,还对其抗疲劳性能有较高的要求。事实上,在对连杆螺栓进行疲劳试验时,出现了循环近次后断裂的现象,而其疲劳寿命要求的循环次数为次。针对该连杆螺栓出现的早期疲劳断裂问题,利用App进行有限元分析,试图找出其断裂的真正原因所在,为改进设计及加工工艺提供理论依据。
      考虑到连杆螺栓的滚丝工艺是在热处理工艺之后完成的,使螺纹处得到了强化,故可完全忽略螺纹的影响。为更好地模拟螺栓的实际工作情况,在螺栓上装配了螺母,并忽略螺纹的影响,将螺栓和螺母视为一个整体来建立几何模型。
      由于该连杆螺栓的头部为六棱柱形,故建立实体模型。经反复实践后,选择三维10节点四面体单元,在划分网格时采用智能划分,精度认为6。
      在理论上,在螺栓与螺母的紧合面上,允许有平行于紧合面方向的位移。但在分析中,将螺栓与螺母作为一个整体来考虑,因此对螺栓的头部施加了UX,UY,UZ方向的约束。运行过程中连杆螺栓承受着交变载荷,视为分布在螺母表面上的面载荷,其中最大载荷为167MPa,平均载荷为167MPa,最小载荷为92。对应于最大载荷的连杆螺栓应力分布见图。
      完成材料的应力寿命曲线、应力集中系数的设定,并手工输入不同载荷下的6个应力分量以及循环次数后,系统可计算出耗用寿命系数。一般来说,如果该值小于6,则表明在经受给定的应力循环次数后,该点不会发生疲劳破坏。计算结果表明,当目标循环次数为次时,其耗用命系数为5,即实际可循环的次数为6次。
      由SOFIM连杆螺栓的静力学分析结果可以看出,应力最大的地方出现在杆部与头部的过渡圆弧处。由此可以断定如果该连杆螺栓出现断裂现象,则断裂处必将在此连杆螺栓杆部与头部的过渡处。而疲劳分析的结果则表明,在规定的循环次数7内,连杆螺栓将在循环次数为7时出现断裂。可见,有限元分析的结果与试验结果吻合较好,同时验证了所建立有限元模型的正确性。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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