某型單缸機(jī)連桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真與試驗(yàn)研究

汪宏偉 歐陽(yáng)光耀 趙建華 黃映云

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033）

0 引 言

作為發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞組件關(guān)鍵一環(huán)的連桿，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響整機(jī)的可靠性及其壽命.在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程中，連桿在高壓燃?xì)饧捌浔旧砗推渌麢C(jī)件慣性力的共同作用下承受著強(qiáng)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)來說至關(guān)重要［1-4］.目前，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的研發(fā)，一般是以某型成熟發(fā)動(dòng)機(jī)連桿為基礎(chǔ)，結(jié)合新設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)要求和工作條件進(jìn)行三維建模、傳統(tǒng)的強(qiáng)度校核及仿真分析，最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定型［5-7］.

本文以某型單缸機(jī)連桿的研發(fā)為背景，在對(duì)連桿試驗(yàn)與仿真計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，為該型連桿的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了依據(jù).

1 連桿的靜強(qiáng)度試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)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(yàn)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(dòng)力活塞桿相連，傳力夾板可以左右移動(dòng)，前后通過槽鋼導(dǎo)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(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生較大變形，將立即停止試驗(yàn).試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖3（相對(duì)圖2翻轉(zhuǎn)了90°）.試驗(yàn)控制設(shè)備為美國(guó)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(guó)VXI公司的EX1629數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).試驗(yàn)中拉壓力傳感器的型號(hào)為L(zhǎng)C-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(yàn)中力傳感器標(biāo)定按檢定證書給定的靈敏度系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；最大壓載荷試驗(yàn)中最大試驗(yàn)載荷超過力傳感器額定量程，力傳感器的標(biāo)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(duì)應(yīng)1 500kN 靈敏度系數(shù).圖4為試驗(yàn)件應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)的布置情況.試驗(yàn)共布有82個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中單向應(yīng)變片54個(gè)測(cè)點(diǎn)，直角應(yīng)變片（由兩個(gè)單向應(yīng)變片組成）20個(gè)測(cè)點(diǎn)，三向應(yīng)變花8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共118個(gè)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(hào)分別為BE120-5AA 和BE120-4CA，由中航電測(cè)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(yàn)件安裝現(xiàn)場(chǎng)圖

圖4 應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置圖

1.2 試驗(yàn)過程

為保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行，試驗(yàn)前進(jìn)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(yàn)載荷.試驗(yàn)取5%最大試驗(yàn)載荷作為零載狀態(tài)，測(cè)試設(shè)備在零載狀態(tài)下進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)零并開始采集數(shù)據(jù).試驗(yàn)加載分級(jí)進(jìn)行，載荷以10%最大試驗(yàn)載荷值的幅度逐級(jí)加載，每完成一級(jí)載荷的加載至反饋力穩(wěn)定后，點(diǎn)采試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在85%，90%，95%，100%級(jí)別處保載3 min，在無異常現(xiàn)象發(fā)生后繼續(xù)加載，在加載完畢后回到5%最大試驗(yàn)載荷并采集數(shù)據(jù)，每次拉、壓試驗(yàn)均重復(fù)進(jìn)行3次.根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

觀察原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)1＃，7＃，8a，8c4個(gè)通道故障，所得應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)無效，其余數(shù)據(jù)正常.由于試驗(yàn)得到的是各測(cè)點(diǎn)的形變量，為便于試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，利用泊松定律將其換算成各點(diǎn)應(yīng)力值，由此得出以下結(jié)論.

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

圖5 3次拉載試驗(yàn)的各測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

圖6 3次壓載試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果

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

3）觀察測(cè)點(diǎn)1～8及測(cè)點(diǎn)67～74數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)連桿在小端受拉時(shí)，除測(cè)點(diǎn)4及測(cè)點(diǎn)70外，其余均為拉應(yīng)力，小端受壓時(shí)，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(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)70處壓載荷下依然沒有得到釋放.

圖7 拉載100%工況對(duì)稱點(diǎn)的應(yīng)力值比較

4）觀察測(cè)點(diǎn)9～18及測(cè)點(diǎn)75～84數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)連桿受拉時(shí)，測(cè)點(diǎn)9～17及75～83為拉應(yīng)力，測(cè)點(diǎn)18及84為壓應(yīng)力；連桿受壓時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)均為壓應(yīng)力，但測(cè)點(diǎn)18及84的壓應(yīng)力明顯較小.以上數(shù)據(jù)說明測(cè)點(diǎn)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(duì)稱點(diǎn)的應(yīng)力值比較

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

5）觀察測(cè)點(diǎn)19～48 及測(cè)點(diǎn)85～102數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在拉壓工況均有正有負(fù)，但數(shù)值不是很大，最大值為對(duì)稱測(cè)點(diǎn)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(diǎn).

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

7）觀察測(cè)點(diǎn)53，54，61，62 所得數(shù)據(jù)以及測(cè)點(diǎn)55，56，63，64所得數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)連桿受拉時(shí)測(cè)點(diǎn)53，54，61，62所得數(shù)據(jù)均為正值，且數(shù)值較大，最大達(dá)到143 MPa；測(cè)點(diǎn)55，56，63，64所得數(shù)據(jù)均為負(fù)值，且數(shù)值較大，最大達(dá)到130 MPa；這些測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)在連桿受壓時(shí)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(cè)點(diǎn)65，66所得數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)連桿在受拉時(shí)其值較大達(dá)到225 MPa，受壓時(shí)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(shí)產(chǎn)生了應(yīng)力集中，應(yīng)注意其強(qiáng)度.

2 連桿的仿真計(jì)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(shí)體模型導(dǎo)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(hào)單元對(duì)連桿實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共得單元42 079個(gè).

2.2 連桿的靜強(qiáng)度仿真計(jì)算結(jié)果

計(jì)算分2種工況進(jìn)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(dá)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(lán)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(dá)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(yàn)與仿真計(jì)算對(duì)比分析

對(duì)比2種工況下單缸機(jī)連桿試驗(yàn)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(yàn)與仿真的結(jié)果絕對(duì)誤差最大為9 MPa，相對(duì)誤差最大為12.6%；由表2可見，壓載工況下，試驗(yàn)與仿真的結(jié)果絕對(duì)誤差最大為19MPa，相對(duì)誤差最大為6.9%.仿真計(jì)算與試驗(yàn)的結(jié)果真實(shí)反映了連桿的實(shí)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(yàn)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(jì)加工時(shí)應(yīng)注意其強(qiáng)度.仿真與試驗(yàn)的數(shù)據(jù)個(gè)別地方誤差可能的原因來自以下幾個(gè)方面：（1）選取的測(cè)點(diǎn)位置與仿真選取的節(jié)點(diǎn)位置不可能完全一致所產(chǎn)生的誤差；（2）試驗(yàn)得到的應(yīng)變轉(zhuǎn)化應(yīng)力時(shí)存在計(jì)算誤差.比如，使用的泊松比不可能與材料完全一樣；沒有測(cè)到3個(gè)方向的應(yīng)變；（3）仿真的加載與約束條件與試驗(yàn)條件不可能完全一致導(dǎo)致的誤差；（4）仿真過程中對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理.

表1 拉載工況下連桿應(yīng)力試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

表2 壓載工況下連桿應(yīng)力試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)連桿最大拉載和最大壓載下的仿真與試驗(yàn)，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(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)加工時(shí)應(yīng)注意其強(qiáng)度.但由于實(shí)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(shí)際故障的情況來看，連桿的破壞往往是因?yàn)榧庸さ雀鞣矫嬖蛩斐傻钠诹鸭y的擴(kuò)展，最后導(dǎo)致其斷裂，因此對(duì)連桿的設(shè)計(jì)應(yīng)該還要進(jìn)行動(dòng)強(qiáng)度的校核及疲勞試驗(yàn).

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