汪宏偉 歐陽光耀 趙建華 黃映云

（海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033）

0 引 言

作為發(fā)動機的動力傳遞組件關(guān)鍵一環(huán)的連桿，其結(jié)構(gòu)強度直接影響整機的可靠性及其壽命.在發(fā)動機的運行過程中，連桿在高壓燃氣及其本身和其他機件慣性力的共同作用下承受著強大的交變載荷.在這種交變載荷作用下，保持連桿工作的可靠性對發(fā)動機來說至關(guān)重要［1-4］.目前，對于發(fā)動機連桿的研發(fā)，一般是以某型成熟發(fā)動機連桿為基礎(chǔ)，結(jié)合新設(shè)計的技術(shù)指標要求和工作條件進行三維建模、傳統(tǒng)的強度校核及仿真分析，最后根據(jù)試驗結(jié)果進行定型［5-7］.

本文以某型單缸機連桿的研發(fā)為背景，在對連桿試驗與仿真計算的基礎(chǔ)上，考核了該型連桿在最大壓力及最大拉力2種工況條件下的應(yīng)力分布情況，找到了其結(jié)構(gòu)強度設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)，為該型連桿的強度設(shè)計提供了依據(jù).

1 連桿的靜強度試驗

1.1 試驗裝置

試驗參試產(chǎn)品為連桿總成，含連桿體、連桿蓋、連桿螺栓、大端軸瓦、小端襯套.以上零件的裝配形式見圖1.試驗件工裝夾具加載示意圖見圖2：連桿大端穿過的工藝銷軸與夾板相連被固定在大梁上，連桿小端穿過銷軸、傳力夾板與油缸動力活塞桿相連，傳力夾板可以左右移動，前后通過槽鋼導向，避免試件拱起，油缸另一端通過銷軸與大梁固定.為保證力傳感器的軸線與連桿軸線在一條直線上，在夾板上下表面安裝有調(diào)整墊片；為了防止工裝具發(fā)生塑性變形，在大梁上固定有紅外位移傳感器對其進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)生較大變形，將立即停止試驗.試驗現(xiàn)場見圖3（相對圖2翻轉(zhuǎn)了90°）.試驗控制設(shè)備為美國MOOG 公司的SmarTest協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備為美國VXI公司的EX1629數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).試驗中拉壓力傳感器的型號為LC-7型，額定量程為±1 000kN，力傳感器生產(chǎn)廠家為莆田鴻飛傳感器有限公司.最大拉載荷試驗中力傳感器標定按檢定證書給定的靈敏度系數(shù)進行標定；最大壓載荷試驗中最大試驗載荷超過力傳感器額定量程，力傳感器的標定是將1 000kN 力傳感器量程設(shè)定為1 500kN，靈敏度系數(shù)按線性關(guān)系將1 000kN系數(shù)延伸到對應(yīng)1 500kN 靈敏度系數(shù).圖4為試驗件應(yīng)變片測點的布置情況.試驗共布有82個測點，其中單向應(yīng)變片54個測點，直角應(yīng)變片（由兩個單向應(yīng)變片組成）20個測點，三向應(yīng)變花8 個測點，共118個數(shù)據(jù)傳輸通道.單向應(yīng)變片和45°夾角.三向應(yīng)變片型號分別為BE120-5AA 和BE120-4CA，由中航電測儀器股份有限公司生產(chǎn).

圖1 連桿裝配圖

圖2 工裝夾具加載圖

圖3 試驗件安裝現(xiàn)場圖

圖4 應(yīng)變片測點布置圖

1.2 試驗過程

為保證試驗的順利進行，試驗前進行了設(shè)備聯(lián)調(diào)，調(diào)試過程中加載不超過20%最大試驗載荷.試驗取5%最大試驗載荷作為零載狀態(tài)，測試設(shè)備在零載狀態(tài)下進行校準調(diào)零并開始采集數(shù)據(jù).試驗加載分級進行，載荷以10%最大試驗載荷值的幅度逐級加載，每完成一級載荷的加載至反饋力穩(wěn)定后，點采試驗數(shù)據(jù)，在85%，90%，95%，100%級別處保載3 min，在無異?，F(xiàn)象發(fā)生后繼續(xù)加載，在加載完畢后回到5%最大試驗載荷并采集數(shù)據(jù)，每次拉、壓試驗均重復進行3次.根據(jù)動力學計算的結(jié)果，拉工況最大拉載荷為341kN；壓工況最大壓載荷為1 317kN.

1.3 試驗數(shù)據(jù)處理及分析

觀察原始試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)1＃，7＃，8a，8c4個通道故障，所得應(yīng)變測試數(shù)據(jù)無效，其余數(shù)據(jù)正常.由于試驗得到的是各測點的形變量，為便于試驗與仿真數(shù)據(jù)對比，利用泊松定律將其換算成各點應(yīng)力值，由此得出以下結(jié)論.

1）通過對比所有測點3次拉工況及壓工況（100%載荷）時的應(yīng)力值，發(fā)現(xiàn)試驗重復性很好，特別是第2次與第3次加載時，數(shù)據(jù)非常接近.圖5～6分別為3次拉載、壓載試驗的測試結(jié)果.

圖5 3次拉載試驗的各測點測試結(jié)果

圖6 3次壓載試驗各測點的測試結(jié)果

2）由于試件是上下左右對稱結(jié)構(gòu)，各測點應(yīng)變片的布置是在連桿上下表面及左右兩側(cè)對稱布置，所測得的數(shù)據(jù)也反映出以上對稱特點.圖7～8分別為第3次拉載、壓載100%工況對稱點的應(yīng)力值比較.

3）觀察測點1～8及測點67～74數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)連桿在小端受拉時，除測點4及測點70外，其余均為拉應(yīng)力，小端受壓時，依然為拉應(yīng)力，但數(shù)值減小趨向于0.

以上數(shù)據(jù)說明連桿小端明顯受到小端襯套的裝配過盈力影響，測點4和測點70處壓載荷下依然沒有得到釋放.

圖7 拉載100%工況對稱點的應(yīng)力值比較

4）觀察測點9～18及測點75～84數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)連桿受拉時，測點9～17及75～83為拉應(yīng)力，測點18及84為壓應(yīng)力；連桿受壓時，所有測點均為壓應(yīng)力，但測點18及84的壓應(yīng)力明顯較小.以上數(shù)據(jù)說明測點18及84明顯受到連桿大端軸瓦的裝配過盈力作用.

圖8 壓載100%工況對稱點的應(yīng)力值比較

在以上數(shù)據(jù)中，測點11所得的拉應(yīng)力數(shù)據(jù)是所有測點最大的，其值為102 MPa；測點78所得的壓應(yīng)力數(shù)據(jù)是所有測點最大的，其值為286 MPa.這說明連桿受拉時，測點11所在的小端與桿身的過渡處應(yīng)力值最大，連桿受壓時，測點78所在的連桿中部最小截面處應(yīng)力值最大.

5）觀察測點19～48 及測點85～102數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在拉壓工況均有正有負，但數(shù)值不是很大，最大值為對稱測點26及95所得，其值為124 MPa及140 MPa，均為壓應(yīng)力，這體現(xiàn)了連桿大端的圓形結(jié)構(gòu)特點.

6）觀察測點49～52及測點57～60數(shù)據(jù)，受拉時，大端與桿身過渡位置應(yīng)力較大，達到了112 MPa，最小截面處測點51處受壓時應(yīng)力值最大，其值為281 MPa.該結(jié)論說明最小截面處確實是最薄弱環(huán)節(jié).

7）觀察測點53，54，61，62 所得數(shù)據(jù)以及測點55，56，63，64所得數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)連桿受拉時測點53，54，61，62所得數(shù)據(jù)均為正值，且數(shù)值較大，最大達到143 MPa；測點55，56，63，64所得數(shù)據(jù)均為負值，且數(shù)值較大，最大達到130 MPa；這些測點的數(shù)據(jù)在連桿受壓時數(shù)值均趨向于0.這說明這些地方也明顯受到小端襯套的裝配過盈力作用.

8）觀察測點65，66所得數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)連桿在受拉時其值較大達到225 MPa，受壓時其值趨向于0.這一方面說明油孔所在的位置受到了小端襯套裝配過盈力作用，一方面說明小端油孔在受拉時產(chǎn)生了應(yīng)力集中，應(yīng)注意其強度.

2 連桿的仿真計算結(jié)果

2.1 連桿的有限元模型

利用三維制圖軟件PROE與ANSYS接口技術(shù)，將實體模型導入到ANSYS中.在ANSYS中定義材料的彈性模量為205GPa，泊松比為0.3，密度為7.8×103kg／m3，采用四面體solid192號單元對連桿實體模型進行網(wǎng)格劃分，共得單元42 079個.

2.2 連桿的靜強度仿真計算結(jié)果

計算分2種工況進行.拉工況約束大端軸瓦內(nèi)徑靠近連桿蓋的下表面，工作載荷作用在連桿小端襯套內(nèi)徑上表面；壓工況約束大端軸瓦內(nèi)徑靠近小端的上表面，工作載荷作用在連桿小端襯套內(nèi)徑下表面.工作載荷以余弦分布加載，軸瓦過盈力以面壓力的形式均勻作用到大端內(nèi)徑表面.圖9為拉載作用下桿身方向連桿受力分布云圖.由圖9可見，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在小端襯套內(nèi)側(cè)，達到259 MPa左右；小端頂部由于結(jié)構(gòu)的原因出現(xiàn)了壓應(yīng)力（藍色區(qū)域），大小約為87MPa.圖10為壓載作用下桿身方向連桿受力分布云圖.由圖10可見，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在桿身與大端的過渡截面處，達到445 MPa左右，明顯出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象.

圖9 拉載作用下連桿桿身方向應(yīng)力分布

圖10 壓載作用下連桿桿身方向應(yīng)力分布

3 試驗與仿真計算對比分析

對比2種工況下單缸機連桿試驗與仿真的應(yīng)力分布情況見表1～2.由表1可見，拉載工況下，試驗與仿真的結(jié)果絕對誤差最大為9 MPa，相對誤差最大為12.6%；由表2可見，壓載工況下，試驗與仿真的結(jié)果絕對誤差最大為19MPa，相對誤差最大為6.9%.仿真計算與試驗的結(jié)果真實反映了連桿的實際應(yīng)力分布情況，其中，連桿桿身最小截面、小端孔與桿身過渡位置、大端孔與桿身過渡位置、小端油孔位置仿真及試驗的結(jié)果均表明其受到較大的應(yīng)力作用，因此這些位置在設(shè)計加工時應(yīng)注意其強度.仿真與試驗的數(shù)據(jù)個別地方誤差可能的原因來自以下幾個方面：（1）選取的測點位置與仿真選取的節(jié)點位置不可能完全一致所產(chǎn)生的誤差；（2）試驗得到的應(yīng)變轉(zhuǎn)化應(yīng)力時存在計算誤差.比如，使用的泊松比不可能與材料完全一樣；沒有測到3個方向的應(yīng)變；（3）仿真的加載與約束條件與試驗條件不可能完全一致導致的誤差；（4）仿真過程中對模型進行了簡化處理.

表1 拉載工況下連桿應(yīng)力試驗值與仿真值對比

表2 壓載工況下連桿應(yīng)力試驗值與仿真值對比

4 結(jié)束語

通過對連桿最大拉載和最大壓載下的仿真與試驗，得到了連桿在這2種極端情況下的應(yīng)力分布情況，結(jié)果表明，連桿桿身最小截面、小端孔與桿身過渡位置及小端油孔位置為連桿強度薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計加工時應(yīng)注意其強度.但由于實際工作過程中的連桿是受到交變載荷作用的，根據(jù)多年來連桿實際故障的情況來看，連桿的破壞往往是因為加工等各方面原因所造成的疲勞裂紋的擴展，最后導致其斷裂，因此對連桿的設(shè)計應(yīng)該還要進行動強度的校核及疲勞試驗.

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