王 瑋

（中船澄西揚(yáng)州船舶有限公司，江蘇揚(yáng)州225211）

柴油機(jī)在工作過(guò)程中，連桿將活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將氣缸內(nèi)氣體對(duì)活塞做的功傳遞給曲軸并以扭矩向外輸出功?；钊惺軄?lái)自汽缸內(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(jī)連桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，把連桿看作一受壓的直桿，并且可以簡(jiǎn)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(gè)極限受力狀態(tài)。本次計(jì)算是以第六缸曲柄為研究對(duì)象，根據(jù)柴油機(jī)工作過(guò)程的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，可知，連桿受拉最嚴(yán)重的是在排氣沖程上止點(diǎn)，受壓最嚴(yán)重的是在發(fā)火瞬間。

1 有限元模型的建立

1.1 實(shí)體模型的建立

在進(jìn)行柴油機(jī)連桿有限元分析時(shí)，首先要建立與實(shí)際情形相符合的力學(xué)模型、載荷和約束邊界條件，才能達(dá)到比較滿意精度的計(jì)算結(jié)果。有限元計(jì)算是基于結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型進(jìn)行的，因此對(duì)連桿進(jìn)行三維實(shí)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(qiáng)度為930 MPa；抗拉強(qiáng)度為1 080 MPa。設(shè)立各個(gè)區(qū)域最小單元長(zhǎng)度，由有限元分析軟件自動(dòng)劃分了7 479個(gè)單元13 084個(gè)節(jié)點(diǎn)。

邊界約束條件如后面的計(jì)算模型圖示，由于只討論連桿受拉受壓最嚴(yán)重的兩種情況，所以模擬計(jì)算時(shí)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(jì)算結(jié)果

柴油機(jī)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(zhǎng)度為255 mm；234連桿重量分配為旋2.385 kg，往復(fù)1.320 kg；曲柄銷(xiāo)長(zhǎng)度為69.5 mm；曲柄銷(xiāo)直徑為92 mm；V型機(jī)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(jì)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(yán)重時(shí)，是在排氣沖程上止點(diǎn)，此時(shí)，可認(rèn)為連桿只受到活塞組的往復(fù)慣性力的作用，即：

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

圖3 計(jì)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(yán)重時(shí)是在發(fā)火瞬間，此時(shí)連桿受到爆發(fā)壓力和往復(fù)慣性力作用，連桿位置為曲柄轉(zhuǎn)角360°。本次計(jì)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(shí)連桿受力為：

連桿小端受到壓力：

連桿受壓時(shí)，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(jì)算用的力學(xué)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(jì)算的載荷加載在計(jì)算模型（圖8）上，得出如圖9和圖10的應(yīng)力云圖。

圖8 計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)最大應(yīng)力為76.8 MPa。汽缸爆發(fā)壓力為17 MPa時(shí)，連桿受壓的最大應(yīng)力為546 MPa；汽缸爆發(fā)壓力為16 MPa時(shí)，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(qiáng)度930 MPa，抗拉強(qiáng)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(jì)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(jì)算模型比較簡(jiǎn)單，在過(guò)渡圓角上面沒(méi)有做任何的處理，因此比實(shí)際的受力分析要危險(xiǎn)，屬于危險(xiǎn)性計(jì)算。對(duì)于16 MPa的爆發(fā)壓力，該連桿是能承受的。

通過(guò)分析可知，在有限元分析中，科學(xué)的力學(xué)模型、準(zhǔn)確的邊界條件約束決定著分析結(jié)果的準(zhǔn)確度，也說(shuō)明有限元方法在柴油機(jī)零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中是一種實(shí)用且可靠的方法。