基于數(shù)值模擬的柴油機連桿螺紋聯(lián)接可靠性分析*

胡豐巖,何 強,周宏根,符博峰,趙 明,楊 平

(1.江蘇科技大學(xué)機械工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003;2.陜西柴油機重工有限公司,西安 713100)

0 引言

柴油機作為運用最廣泛的動力輸出機械之一,對工程機械及交通運輸領(lǐng)域的發(fā)展有重要的影響。因此提高柴油機可靠性、實現(xiàn)輕量化、降低燃油消耗率等都成為設(shè)計師們努力的目標(biāo)[1]。連桿機構(gòu)是柴油機中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜、承受載荷最大的結(jié)構(gòu)之一,螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)又是連桿部分的主要部件之一,不恰當(dāng)?shù)穆菁y聯(lián)接設(shè)計會造成連桿機構(gòu)的失效,從而影響柴油機的正常運轉(zhuǎn)[2-4]。因此研究螺紋聯(lián)接的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其聯(lián)接強度的影響有著重要的工程意義。

目前而言,對于螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的研究方法主要有:理論分析法、實驗探究法以及有限元仿真法。由于理論分析法和實驗探究法會受到實際情況的限制,所以目前應(yīng)用最廣泛的就是采用有限元軟件對模型進(jìn)行仿真分析[5]。同時也有很多人采用有限元方法對螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。MARUYAMA[6]通過有限元計算出擰入螺母的螺栓螺紋的載荷分布,采用有限元仿真方法計算出了標(biāo)準(zhǔn)螺紋在軸向力作用下的應(yīng)力受影響的規(guī)律;LEHNHOFF等[7]建立螺栓聯(lián)接的軸對稱有限元模型,通過有限元方法研究螺栓與連接件之間的剛度。盧耀輝等[8]通過對柴油機連桿螺栓的預(yù)緊力工況和最大拉伸工況的強度分析,利用Goodman疲勞曲線對其疲勞強度進(jìn)行評定以便于準(zhǔn)確的找到疲勞失效部位,為螺栓的抗疲勞設(shè)計提供了參考。

本文以某型柴油機連桿螺栓作為參考,建立了不同螺距、螺紋連接長度和螺栓預(yù)緊力的三維有限元連桿螺栓模型,對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及邊界條件的施加;研究了不同因素對螺紋連接結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)力分布的影響,結(jié)果表明螺栓的應(yīng)力主要集中在螺紋聯(lián)接的第一螺紋連接處,且不同因素對螺栓應(yīng)力集中有著重要的影響。

1 連桿螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)以及工作載荷的分析

1.1 連桿螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)的分析

本文采用某型柴油機連桿螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)作為主體研究對象,由于本文主要研究螺紋聯(lián)接部分的結(jié)構(gòu),因此對連桿大頭螺紋連接的一側(cè)進(jìn)行拆分,選取螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)局部模型進(jìn)行單獨的研究,實體模型如圖1所示。

計算選取M16-80的三角形螺紋螺栓,采用的相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 31.3-1988和ISO 7412,性能等級為10.9級,公稱直徑為8 mm,螺距為1.25 mm,內(nèi)螺紋牙數(shù)為11,外螺紋牙數(shù)為10,嚙合10牙。

1.2 連桿螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)工作載荷的分析

連桿螺栓螺紋聯(lián)接屬于緊聯(lián)接,連桿大頭螺栓在運動的時候主要承受螺栓預(yù)緊力、活塞連桿部分的往復(fù)慣性力和連桿大頭端回轉(zhuǎn)部分質(zhì)量的離心慣性力。由于螺栓受力較為復(fù)雜,這里將螺栓的負(fù)荷變形情況用平面圖表示。如圖2所示。

圖2 連桿螺栓受力過程變形與應(yīng)力關(guān)系圖

(1)螺栓預(yù)緊力計算。連桿螺紋聯(lián)接部分主要受到螺栓預(yù)緊力和活塞連桿部分的往復(fù)作用力。預(yù)緊力的大小決定了柴油機連桿螺栓的安全余量和疲勞載荷的變化范圍,對柴油機連桿螺栓的壽命有著很大的影響。連桿螺栓預(yù)緊力的計算方法如下:

(1)

式中:E為螺栓的彈性模量,取值為2.1×105MPa;A為螺栓伸長部分的截面積,桿身直徑為16 mm,計算得A為200.96 mm2;ε為螺栓伸長量,取值為0.4 mm;l為螺栓受拉力拉伸部分長度,取桿身長度80 mm。通過計算得到F=2.11×105N。

(2)最大拉伸載荷計。連桿的最大拉伸載荷出現(xiàn)在曲軸轉(zhuǎn)角φ=0°的時候,計算方法如下:

(2)

式中:G′為活塞組的重量,G1為連桿組往復(fù)部分的重量,G2為旋轉(zhuǎn)部分的重量,G3為連桿大頭蓋的重量,λ為曲軸連桿比,i為氣缸數(shù)。

2 連桿螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格的劃分

本文通過SolidWorks進(jìn)行連桿螺栓三維模型的建立,如圖1所示,建立完成后另存為Parasolid文件格式,導(dǎo)入到ANSYS中Workbench的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊。采用Workbench自帶網(wǎng)格劃分功能,設(shè)置整體的網(wǎng)格尺寸為1 mm,螺紋聯(lián)接處的網(wǎng)格尺寸為0.25 mm,跨角度中心的網(wǎng)格尺寸為中等。劃分得到的實體有限元模型包含130 715個單元和293 266個節(jié)點。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 螺紋連接處網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)邊界條件的確立

(1)接觸條件設(shè)置。本文的螺紋聯(lián)接主要涉及到4個接觸面,其中連桿大頭端蓋與連桿小頭、螺栓頭部和連桿大頭蓋接觸、螺栓和連桿孔的接觸設(shè)置為綁定接觸;螺栓外螺紋和連桿內(nèi)螺紋的接觸設(shè)置為摩擦接觸,摩擦系數(shù)為0.15。

(2)材料參數(shù)設(shè)置。本文中選取的柴油機連桿螺紋規(guī)格為M16×2,材料選擇42CrMo,材料的抗拉強度為1080 MPa,屈服極限為830 MPa,泊松比為0.3。彈性模量為210 GPa。

(3)邊界條件的施加。將螺紋連接部分分為兩個工況進(jìn)行有限元靜態(tài)強度的分析:

預(yù)緊力工況:即研究螺栓在僅受到螺栓預(yù)緊力的情況下的應(yīng)力分布情況。

最大拉伸工況:螺栓受到連桿交變載荷的最大拉伸力,同時受到螺栓預(yù)緊力的約束。

在分析兩種工況的同時,要在螺栓的小頭部分施加一個固定約束,這是為了保證螺在在有限元計算的過程中不會發(fā)生過大的形變,也使得仿真結(jié)果更貼合于實際情況。邊界條件施加示意圖如圖4所示。

(a) 預(yù)緊力工況邊界條件示意圖 (b) 最大拉伸工況邊界條件示意圖圖4 螺栓邊界條件示意圖

2.3 連桿螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)有限元結(jié)果分析

通過前文對連桿螺栓做的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)分析以及對螺紋聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)的有限元計算。本節(jié)主要從預(yù)緊力工況和最大拉伸載荷工況兩個方面對連桿螺栓螺紋聯(lián)接進(jìn)行有限元分析。

(1)預(yù)緊力工況。在預(yù)緊力工況下,對應(yīng)螺栓實際工作中的最小載荷工況,這時僅對螺栓施加螺栓預(yù)緊力,圖5是該工況下螺栓和螺紋聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)的變形情況。

(a) 螺栓變形結(jié)果圖 (b) 螺栓Von-Mises圖圖5 預(yù)緊力工況螺栓位移及Von-Mises示意圖

圖5a是螺栓的受力變形位移圖,可以看出螺栓的最大位移發(fā)生在螺栓的中間位置大小為4.59×10-5m。圖5b是螺栓的等效應(yīng)力圖,最大應(yīng)力發(fā)生在一級螺紋位置處大小為863.54 MPa。

(2)最大拉伸工況。最大拉伸工況下螺栓受到殘余預(yù)緊力和最大拉伸載荷的作用力。在此工況下,螺栓在螺紋頭部過渡位置產(chǎn)生了應(yīng)力集中。最大應(yīng)力發(fā)生在一級螺紋位置處,大小約為902.14 MPa。連桿螺栓的兩端受力較小,具體的等效應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 最大拉伸工況螺栓Von-Mises示意圖

由圖6可以看出,在螺栓與連桿大頭接觸的面受力比較均勻,接觸受力較小,在螺紋連接處受力較為集中,比較容易發(fā)生磨損甚至是斷裂的情況。

3 連桿螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布影響因素研究

通過無量綱法對螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)定義,采用有限元仿真方法開展了螺距、螺紋連接長度、螺栓預(yù)緊力對螺紋連接結(jié)構(gòu)可靠性的影響,為合理設(shè)計螺紋聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)提供可靠參考。

3.1 螺距對螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響

以上文構(gòu)建的連桿螺栓為基礎(chǔ),通過改變螺紋聯(lián)結(jié)的螺距來探究不同的螺距對螺紋聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響。本章主要設(shè)置了4個螺距的螺紋聯(lián)接方案來研究,螺距分別是1 mm、1.25 mm、1.5 mm和2 mm。通過將圖7的模型導(dǎo)入有限元仿真軟件中,對其進(jìn)行計算,得到不同螺距的螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布情況,如圖7所示。

(a) 1 mm (b) 1.25 mm

(c) 1.5 mm (d) 2 mm圖7 不同螺距模型Von-Mises圖

由圖7可知不同螺距的螺栓最大應(yīng)力基本相差不多,應(yīng)力也都集中在螺紋聯(lián)接和螺栓螺桿處,尤其是前面幾級螺紋處;而且因為受到軸向分力的影響,螺紋的齒根處受到了較為明顯的應(yīng)力集中。由于不同螺距的應(yīng)力結(jié)果梯度相差不大,可以看出隨著螺紋螺距的增加,應(yīng)力集中的區(qū)間也隨著擴大。螺距為1 mm、1.25 mm、1.5 mm的螺紋聯(lián)接處的應(yīng)力主要為100～400 MPa左右,螺距為2 mm的螺紋應(yīng)力主要為200～600 MPa左右。

從螺紋牙處分析,內(nèi)外螺紋牙底主要受到拉應(yīng)變,而牙根處受到交替的拉壓力,且承受的壓力數(shù)值較大,容易發(fā)生疲勞失效。

3.2 螺紋聯(lián)接長度對螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響

在連桿螺栓中,螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)是最重要的部件之一,本章在常規(guī)螺紋聯(lián)接長度的基礎(chǔ)上,在一定合理的范圍內(nèi),自定義了另外3個螺紋聯(lián)接長度,分別是4.5 mm、12 mm、15 mm和22.5 mm。將三維模型導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行分析計算,得到的Von-Mises圖如圖8所示。

(a) 4.5 mm (b) 12 mm

(c) 15 mm (d) 22.5 mm圖8 不同螺紋聯(lián)接長度Von-Mises圖

由圖8所示,整體觀察螺栓的應(yīng)力分布,發(fā)現(xiàn)靠近第一級螺紋聯(lián)接處的應(yīng)力較大且較為集中,隨著遠(yuǎn)離第一螺紋處應(yīng)力開始逐步的下降。由此可以看出不同的螺紋聯(lián)接長度應(yīng)力集中的主要位置都在前幾級螺紋處,但是螺紋聯(lián)接長度較小的螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中尤為嚴(yán)重。4.5 mm的螺紋應(yīng)力集中位置大小主要在500～700 MPa左右,另外3個應(yīng)力集中區(qū)域大小主要在300～500 MPa左右。

3.3 螺栓預(yù)緊力對螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響

螺栓在工作的狀態(tài)下,連桿的大頭部分會受到持續(xù)往復(fù)的拉伸和壓縮載荷的作用力,如果受到的熱載荷的作用力,還會導(dǎo)致螺紋聯(lián)接出現(xiàn)松動。因此需要施加一個合適的螺栓預(yù)緊力來提高螺紋聯(lián)接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強度,增加聯(lián)接的緊密性和剛性。大多數(shù)的實驗證明較高的預(yù)緊力對螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)的可靠性和使用壽命都是有益的,當(dāng)然過高的預(yù)緊力如果控制不好也會導(dǎo)致螺紋聯(lián)接的失效。

根據(jù)上文計算出的螺栓預(yù)緊力F為參考,因為實際工作中多為預(yù)緊力不足的情況,在這里分別設(shè)計螺栓預(yù)緊力P0為0、1/5F、2/5F、3/5F、4/5F和F六種方案。

將模型通過有限元軟件計算分析,得到螺紋的Von-Mises圖,結(jié)果如圖9所示。

(a) P0=0 (b) P0=1/5F

(e) P0=4/5F (f) P0=F圖9 不同螺栓預(yù)緊力Von-Mises圖

由圖9可以看出,在其他條件不變的情況下螺紋的Von-Mises隨著螺栓預(yù)緊力的增大,應(yīng)力集中區(qū)間的應(yīng)力大小相應(yīng)的減小,螺紋處的承載比例也在相應(yīng)的降低,這也證實了較大的螺栓預(yù)緊力可以提高螺紋聯(lián)接的可靠性,防止螺紋聯(lián)接出現(xiàn)松動損壞等情況。為了更加明確的顯示螺栓預(yù)緊力對螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)的影響,本文從有限元結(jié)果中提取了不同螺栓預(yù)緊力和不同位置螺紋承載比例的關(guān)系,具體如圖10所示。

(a) 不同位置螺紋承載比例與螺栓預(yù)緊力的關(guān)系 (b) 螺紋相對總載荷承受比例與螺栓預(yù)緊力關(guān)系圖圖10 螺栓預(yù)緊力與不同位置螺紋承載比例關(guān)系圖

由圖10a所示,在不考慮螺栓預(yù)緊力的情況下,螺紋處距離螺母越遠(yuǎn),它的承載比例就越高,特別是在第一螺紋處,承載比例最高。在不同螺栓預(yù)緊力條件下,螺紋各處的承載比例隨著螺栓預(yù)緊力的增大而下降。特別是在P0為F的情況下,從距離螺母超過8 mm開始,螺紋開始進(jìn)入塑性狀態(tài)而塑性偏差大于彈性偏差;圖10b表示的是螺紋相對總載荷承受比例與螺栓預(yù)緊力的關(guān)系,可以看出,隨著螺栓預(yù)緊力的增加,各螺紋承載比例跟隨著有所下降。

4 螺紋聯(lián)接疲勞可靠性分析

4.1 疲勞評定方法

對于螺紋聯(lián)接這種承受交變載荷的機械結(jié)構(gòu),可以使用修正的Goodman曲線進(jìn)行評定。Goodman曲線是指受交變應(yīng)力的零件,在等壽命的條件下,其平均應(yīng)力與最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的關(guān)系曲線。在評估疲勞強度的時候,任何位于Goodman疲勞曲線封閉區(qū)域之外的結(jié)構(gòu)點都代表著結(jié)構(gòu)發(fā)生了疲勞破壞。圖11為Goodman疲勞曲線圖。

圖11 Goodman疲勞曲線

圖11中,ABCDEFGHA所形成的密閉區(qū)域則為Goodman疲勞曲線,橫坐標(biāo)表示平均應(yīng)力,縱坐標(biāo)表示最大最小應(yīng)力。

4.2 疲勞評定結(jié)果

通過第3節(jié)的應(yīng)力仿真結(jié)果分析,選取螺紋聯(lián)接長度為12 mm,螺距為1.25 mm的螺紋進(jìn)行疲勞仿真。將選取好的模型及應(yīng)力分析結(jié)果導(dǎo)入Ansys nCode Design-Life軟件。圖12為螺紋的疲勞仿真結(jié)果。

(a) 螺紋疲勞壽命圖 (b) 螺紋損傷圖

(c) 螺紋安全系數(shù)圖 (d) 螺紋疲勞等效應(yīng)力圖圖12 螺紋疲勞仿真結(jié)果圖

根據(jù)Goodman疲勞強度疲勞法則,螺紋損傷低于1,螺紋安全系數(shù)要大于1則滿足要求,由圖中結(jié)果可得該螺紋的強度符合該法則。

4.3 不同螺栓預(yù)緊力對螺栓疲勞壽命的影響

為了探究螺栓預(yù)緊力對螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的影響,通過設(shè)置6種工況來分析不同預(yù)緊力下螺栓的疲勞壽命情況。即預(yù)緊力為0、1/5F、2/5F、3/5F、4/5F和F六種方案。6種工況疲勞壽命計算結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同螺栓預(yù)緊力作用下螺栓疲勞壽命曲線圖

由圖13可知,在不施加預(yù)緊力的情況下,連桿螺栓疲勞壽命最短,隨著預(yù)緊力的增加,螺栓的疲勞壽命也隨之增長,當(dāng)達(dá)到期望的螺栓預(yù)緊力的時候,螺栓的疲勞壽命也達(dá)到最高?？梢娸^高螺栓預(yù)緊力可以提高螺栓聯(lián)接的可靠性和使用壽命。

5 結(jié)論

本文采用有限元仿真方法對柴油機連桿螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強度特性分析,通過研究不同螺距、螺紋聯(lián)接長度和不同螺栓預(yù)緊力對螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布以及螺紋承載比例影響,最后通過疲勞分析結(jié)果驗證了設(shè)計參數(shù)對于聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性,主要的研究成果如下:

(1)在進(jìn)行有限元仿真分析時,充分的與實際相結(jié)合,合理的建模和設(shè)置材料參數(shù)以及邊界條件,這樣可以使得仿真得到的結(jié)果更貼合實際。結(jié)果表明連桿螺栓的應(yīng)力集中主要發(fā)生在第一螺紋聯(lián)接處,如果從單個螺牙的角度分析,則是螺紋根部應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。

(2)在研究螺距、螺紋聯(lián)接長度和螺栓預(yù)緊力對螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)的影響時發(fā)現(xiàn),隨著螺距的增大、螺紋聯(lián)接長度的減小以及螺栓預(yù)緊力的減小,螺紋發(fā)生應(yīng)力集中的情況就更嚴(yán)重,同時,螺紋處所承受的載荷比例也隨著增高。

(3)通過一系列的分析對比,證實了設(shè)計參數(shù)對于螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性,合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以提高工件的使用壽命,降低其損壞率。本文為螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了參考數(shù)據(jù)。