周愛博，孫嵩松，張營(yíng)

（210037江蘇省 南京市 南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院）

0 引言

相關(guān)資料顯示，目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的可靠性問題中，80%以上都是疲勞問題[1]，造成這一現(xiàn)象的主要原因是，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，一些關(guān)鍵零部件如連桿、曲軸等會(huì)受到來自不同激勵(lì)源的交變載荷的持續(xù)作用[2-3]，導(dǎo)致零部件的疲勞失效，并進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整車的失效。另一方面，作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，連桿在工作過程中會(huì)受到非對(duì)稱的拉-壓交變載荷的持續(xù)作用。現(xiàn)有研究表明，構(gòu)件在受到交變載荷時(shí)，其疲勞強(qiáng)度不僅與應(yīng)力幅值有關(guān)，還受到應(yīng)力比的影響，因此有必要針對(duì)連桿在給定拉壓載荷比作用下的疲勞特性進(jìn)行分析，以確定其在該工況下的疲勞安全特性[4]。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)和利用，有限元法在零部件疲勞分析時(shí)得到了廣泛的應(yīng)用。本文采用該方法對(duì)某款六缸柴油機(jī)的連桿進(jìn)行建模，并分析其在給定拉-壓工況下的應(yīng)力狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上采用Haigh模型對(duì)其進(jìn)行等效載荷的修正以及疲勞安全系數(shù)分析。研究表明，當(dāng)采用42CrMo鋼制備該型號(hào)的連桿時(shí)，能夠滿足額定工況下的疲勞強(qiáng)度要求，但是無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)增壓后的疲勞強(qiáng)度要求。

1 連桿的建模以及網(wǎng)格劃分

表1為連桿主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。該連桿為某國(guó)產(chǎn)六缸柴油機(jī)連桿，其中桿身、桿蓋等部位的材料為42CrMo合金鋼，表面強(qiáng)化處理工藝為滲氮；而軸瓦采用08號(hào)鋼，表面強(qiáng)化處理工藝為滾壓，二者相應(yīng)的材料屬性如表2所示。

表1 連桿主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of connecting rod

表2 材料屬性表Tab.2 Material properties

采用CATIA軟件對(duì)該連桿的各個(gè)部件進(jìn)行建模，并將其導(dǎo)入HyperMesh軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，相應(yīng)的結(jié)果如圖1所示。

該三維網(wǎng)格模型包括連桿的桿身、桿蓋、螺栓、軸瓦以及曲柄銷等部件，其網(wǎng)格單元類型為C3D10二階網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為87 951個(gè)。

2 連桿有限元分析

2.1 連桿受力分析

如圖2所示，氣缸的中心線經(jīng)過曲軸的中心，其中O代表的是連桿，AB代表的是曲柄，B代表的是曲柄銷中心，A代表的是連桿小頭內(nèi)孔徑的中心點(diǎn)。當(dāng)連桿繞著O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相應(yīng)的慣性力為[5]

式中：Pj——連桿所承受的直線慣性力；mp，m1——活塞質(zhì)量與連桿只做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量。

圖2 連桿運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of connecting rod motion

當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)，該載荷即為連桿所受到的最大拉力；而當(dāng)活塞運(yùn)行至上止點(diǎn)時(shí)，連桿所受到的壓力最大，相應(yīng)的壓縮力為

式中：PY——壓縮力；Pz——活塞氣體壓力。本文中，連桿在標(biāo)準(zhǔn)工況下的最大拉伸以及壓縮載荷分別為42.1，162.5 kN。

2.2 連桿接觸定義

本文中，連桿不同零部件之間一共有8個(gè)接觸對(duì)：連桿體與連桿蓋之間的2個(gè)接觸對(duì)、連桿體與上軸瓦之間的接觸對(duì)、連桿蓋與下軸瓦之間的接觸對(duì)、上下軸瓦與曲柄銷之間的2個(gè)接觸對(duì)、以及上下軸瓦之間的2個(gè)接觸對(duì)。將劃分好的連桿三維網(wǎng)格模型導(dǎo)入ABAQUS軟件平臺(tái)，采用Tie約束設(shè)置連桿體與連桿蓋之間的2對(duì)接觸，同時(shí)采用面與面接觸設(shè)置其余的6對(duì)。

2.3 載荷與邊界條件定義

如圖3所示，本文中連桿的拉壓載荷都施加在連桿小頭，通過將連桿小頭中心與內(nèi)表面耦合，從而將載荷施加至桿身。通過改變載荷的正負(fù)值，實(shí)現(xiàn)不同方向（拉-壓）的加載。同時(shí)，采用位移邊界條件，將曲柄銷的兩側(cè)截面所有節(jié)點(diǎn)的自由度完全固定住，如圖4所示。

圖3 載荷施加點(diǎn)Fig.3 Reference points of load

圖4 邊界條件示意圖Fig.4 Schematic diagram of boundary condition

2.4 有限元結(jié)果分析

采用上述有限元模型對(duì)連桿在拉壓載荷工況下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

如圖5、圖6所示，最大拉伸工況下主要應(yīng)力集中的部位是連桿小頭和桿身連接的地方，相應(yīng)的值為420 MPa；而最大壓縮工況下應(yīng)力最大值位于連桿小頭內(nèi)兩側(cè)，其值為641 MPa。

圖5 拉伸工況下的應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of tensile condition

圖6 壓縮工況下的應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of compression condition

3 連桿疲勞強(qiáng)度分析

由有限元分析結(jié)果可以看出，連桿在受到額定交變載荷作用時(shí)，其應(yīng)力狀態(tài)并非對(duì)稱，因此有必要采用平均應(yīng)力對(duì)其進(jìn)行等效載荷修正?，F(xiàn)有研究表明，Haigh模型在修正金屬零部件的高周疲勞特性時(shí)具有較高的精度，其表達(dá)式為[6]

式中：α——Haigh系數(shù)；S6——修正前的平均載荷；Sa1——修正到平均載荷的交變載荷，Sa2——修正前的交變載荷。

目前一些疲勞分析軟件如Femfat已經(jīng)集成了Haigh模型模塊，采用該軟件對(duì)連桿在99%存活幾率下的疲勞安全系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，相應(yīng)的結(jié)果如圖7所示。

如圖7所示，該連桿在標(biāo)準(zhǔn)工況下最小疲勞安全系數(shù)值為1.3，位于連桿小頭與桿身連接處，滿足大于1.1的極限要求，因此該連桿能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在額定工況下的疲勞強(qiáng)度要求[7]。

圖7 疲勞安全系數(shù)云圖（標(biāo)準(zhǔn)工況下）Fig.7 Fatigue safety factor nephogram(under standard working condition)

4 增壓可行性分析

近年來隨著渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用，內(nèi)燃機(jī)尤其是柴油機(jī)的爆壓已經(jīng)得到了極大的提升。本文中柴油機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)額定工況下的爆壓為14 MPa，而一些柴油機(jī)在實(shí)施渦輪增壓之后爆壓已經(jīng)超過了20 MPa[8]。由連桿的受力分析可以看出，當(dāng)爆壓增大之后，連桿所受到的拉伸載荷并不受影響，但是壓縮載荷會(huì)產(chǎn)生變化，因此有必要對(duì)增壓后的連桿的疲勞安全性能進(jìn)行分析，為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施增壓的可行性進(jìn)行評(píng)估。采用相同的技術(shù)路線對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆壓增壓至20 MPa后連桿的疲勞安全性能進(jìn)行分析，相應(yīng)的結(jié)果如圖8所示。

圖8 疲勞安全系數(shù)云圖（增壓工況下）Fig.8 Fatigue safety factor nephogram(under supercharged working condition)

由圖8可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的爆壓增壓至20 MPa之后，連桿的疲勞安全系數(shù)有了明顯的下降，其中桿身的疲勞安全系數(shù)下降至不足1，已無法滿足該工況下的疲勞強(qiáng)度的要求。

5 結(jié)論

針對(duì)某款連桿的疲勞強(qiáng)度要求，采用多種CAD以及CAE軟件對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合仿真，在此基礎(chǔ)上采用Haigh模型對(duì)其高周疲勞安全性能進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，該連桿能夠滿足額定工況下的疲勞強(qiáng)度要求，但是無法滿足增壓后的發(fā)動(dòng)機(jī)的疲勞性能要求。