CN113008544B - 一种用于确定发动机连杆强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于分析测试技术领域，特别涉及一种连杆强度确定方法。一种用于确定发动机连杆强度的方法，包括以下步骤：A.三维建模；B.有限元网格划分；C.定义接触对；D.定义材料属性；E.定义载荷及边界条件；F.设置工况及对应模型；G.分析判断；H.高周疲劳分析工况及结果分析。本发明运用有限元计算方法，利用计算机对发动机连杆进行计算分析。与试验方法相比，本发明成本低、灵活度好、周期短、精度高、应力结果分布直观，可以在发动机设计过程中，样机制造之前，对连杆的强度进行计算，可减少开发过程中的试验次数，降低试验成本，提高发动机开发速度。

Description

一种用于确定发动机连杆强度的方法
技术领域
本发明属于分析测试技术领域，特别涉及一种连杆强度确定方法。
背景技术
发动机中的连杆连接活塞和曲轴，并将活塞所受作用力传给曲轴，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆组由连杆体、连杆大头盖、连杆小头衬套、连杆大头轴瓦和连杆螺栓(或螺钉)等组成。连杆组承受活塞销传来的气体作用力及其本身摆动和活塞组往复惯性力的作用，因此连杆受到压缩、拉伸等交变载荷作用。连杆必须有足够的疲劳强度和结构刚度。疲劳强度不足，往往会造成连杆体或连杆螺栓断裂，进而产生整机破坏的重大事故。若刚度不足，则会造成杆体弯曲变形及连杆大头的失圆变形，导致活塞、汽缸、轴承和曲柄销等的偏磨。
连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。为保证连杆零件使用的可靠性、安全性，需要对连杆的疲劳强度和结构刚度进行承受力测试。现有技术通过实验对连杆进行破坏，从而对连杆的强度进行模拟与预测。该方法测试操作过程较为繁琐，测试效率慢，从而导致测试人员的劳动强度大，并且测试时间长。
发明内容
本发明的目的是：提供一种用于确定连杆强度的理论研究方法，从而避免单纯的传统的实验方法。
本发明的技术方案是：一种用于确定发动机连杆强度的方法，包括以下步骤：
A.三维建模。
建立连杆装配体及活塞销的三维模型，其中，所述连杆装配体包括：连杆体，连杆盖，螺栓，上下轴瓦以及衬套。
B.有限元网格划分。
对上述各模型按垂直于连杆大头孔轴线的对称面取一半进行有限元网格划分。对所述连杆体的杆身与大、小头过渡区域进行网格加密。
C.定义接触对。
C1.所述连杆体大头孔与所述轴瓦、所述连杆体小头孔与所述衬套为接触小滑移过盈配合。定义所述连杆体大头孔与所述轴瓦径向过盈量的最大、最小值。定义所述连杆体小头孔与所述衬套过盈量的最大、最小值。
C2.采用刚性体圆柱模拟曲柄销，所述上下轴瓦与所述曲柄销为接触小滑移间隙配合。所述衬套与所述活塞销为接触小滑移间隙配合。
C3.所述连杆体与所述连杆盖之间为接触。
C4.所述螺栓与所述连杆体、所述连杆盖之间TIE连接，所述上下轴瓦采用TIE连接。
D.定义材料属性。
对所述步骤A中的各模型赋予材料属性。所述材料属性包括：弹性模量、密度、泊松比。
E.定义载荷及边界条件。
对以下参数进行设置：所述螺栓最大、最小预紧力，最大气缸压力，发动机最高转速ω，曲柄半径R，所述连杆体大、小头孔中心距的长度Lconrod，所述连杆体大头孔中心到所述连杆体质心点的距离Lrs，活塞装配体的质量M，其中，所述活塞装配体包括：活塞、活塞环及卡扣。
a.取一半的所述螺栓，对所述螺栓施加其最大/最小预紧力的一半。
b.约束所述曲柄销6个自由度。
c.在所述活塞销中心线上建立一点，该点位于所述活塞销与所述活塞接触宽度的中点。该点与所述活塞销上表面120°区域内的节点耦合，在此点上施加最大气缸压力的一半。
d.最高转速下的惯性载荷，包括：所述活塞销最大惯性力，所述连杆体惯性加速度，所述活塞体装配体最大惯性力。
e.在所述连杆体对称面上，对连杆装配体及活塞销施加约束Ux＝0，x指对称面的法向。
g.在所述活塞销中心线上建立一点，该点位于所述活塞销与所述活塞接触宽度的中点。该点与所述活塞销下表面120°区域内的节点耦合，在此点上施加活塞装配体最大惯性力的一半。
f.在连杆体上选择一个或多个小区域进行约束Ux、Uy、Uz＝0。
F.设置工况及对应模型。
F1.螺栓预紧力加载工况：此工况下，对所述连杆体、所述连杆盖、所述螺栓按所述步骤C、D条件进行设置，设置所述步骤E中a、e、f边界条件。
F2.最大/最小过盈配合工况：此工况下，对所述连杆体、所述连杆盖、所述上下轴瓦、所述螺栓、所述衬套按所述骤C、D条件进行设置，所述螺栓定长无预紧力，设置所述步骤E中e、f边界条件。对所述上下轴瓦、所述衬套分别施加最大、最小过盈量。
F3.最大气缸压力工况：此工况下，对所述连杆体、所述连杆盖、所述上下轴瓦、所述螺栓、所述衬套、所述曲柄销、所述活塞销按所述骤C、D条件进行设置，所述螺栓定长无预紧力，设置所述步骤E中b、c、e载荷及边界条件。对所述大头孔与所述上下轴瓦、所述小头孔与所述衬套的过盈量设置为零。
F4.最大惯性力工况：对所述连杆体、所述连杆盖、所述上下轴瓦、所述螺栓、所述衬套、所述曲柄销、所述活塞销按所述骤C、D条件进行设置，所述螺栓定长无预紧力，设置所述步骤E中、b、d、e、g载荷及边界条件，对所述大头孔与所述上下轴瓦、所述小头孔与所述衬套的过盈量设置为零。
G.分析判断。
以所述步骤F为输入，判断是否满足以下结果：
G1.最大螺栓预紧力工况下应力值和接触面的接触压力低于材料屈服强度。
G2.最大过盈配合工况下连杆大头和小头的最大等效应力值低于材料屈服强度。
G3.最小过盈配合工况下上下轴瓦及衬套在的背压大于9.5MPa。
G4.最大气缸压力工况、最大螺栓预紧力工况、最大过盈配合工况、最大惯性力工况的等效应力结果叠加值低于材料屈服强度。
G5.最大惯性力工况下连杆体和连杆盖的最大等效应力值低于材料屈服强度。
G6.最大惯性力工况、最小螺栓预紧力工况、最大轴瓦过盈量工况下的连杆体和连杆盖结合面的接触压力之和大于0，两者未分离。
G7.最大爆发压力载荷、最大惯性载荷工况下的连杆大头孔收缩变形之和小于连杆轴瓦与曲柄销间隙的75％，开启角小于160°。连杆小头孔收缩变形小于连杆衬套与活塞销间隙的90％，开启角小于170°。
在以上条件均满足的条件下，进入步骤H。
H.高周疲劳分析工况及结果分析。
在发动机额定工况和1.1倍额定转速工况下根据以下计算结果叠加分别得到三种应力：
H1.螺栓最大预紧力加载工况+最大过盈配合工况+最大气缸压力工况+最大惯性力工况。
H2.螺栓最大预紧力加载工况+最大过盈配合工况+最大惯性力工况。
H3.螺栓最大预紧力加载工况+最大过盈配合工况。
在发动机额定工况和1.1倍额定转速工况下，H1与H2的应力结果组成一对最大、最小应力匹配对，用于连杆体疲劳计算。H2与H3的应力结果组成另一对最大、最小应力匹配对，用于连杆盖和小头上部疲劳计算。
最终要求最小的安全系数大于许用值的1.1倍。
有益效果：本发明运用有限元计算方法，利用计算机对发动机连杆进行计算分析。连杆的加工工艺为，在连杆毛胚上拧紧螺栓后加工大头孔，然后胀断，从而保证受预紧力的连杆大头孔的圆度。本发明在设置工况及对应模型的步骤中，首先根据连杆加工工艺原理开始第一步计算，保证加工受预紧力时的强度满足要求并得到应力分布结果。由于三维数模的连杆大头孔为正圆，所以后续步骤在定长无预紧力的情况下分别进行计算(加预紧力后大头孔则为近似的椭圆)，以保证计算精度。分析判断步骤时将F1～F4中的结果根据需要进行叠加，有比较高的灵活度、精确度和计算速度。
与试验方法相比，本发明成本低、灵活度好、周期短、精度高、应力结果分布直观，可以在发动机设计过程中，样机制造之前，对连杆的强度进行计算，可减少开发过程中的试验次数，降低试验成本，提高发动机开发速度。
附图说明
图1为本发明中连杆装配体的结构示意图。
图2为图1的爆炸图。
图3为本发明中连杆装配体建模后进行有限元网格划分的结构示意图，图中，1、2位置为连杆强度最薄弱的位置。
图4为本发明的流程图。
具体实施方式
实施例1，参见附图1、4，一种用于确定发动机连杆强度的方法，包括以下步骤：
参见附图2，A.三维建模；
建立连杆装配体及活塞销的三维模型，其中，所述连杆装配体包括：连杆体，连杆盖，螺栓，上下轴瓦以及衬套；
参见附图3，B.有限元网格划分；
对上述各模型按垂直于连杆大头孔轴线的对称面取一半进行有限元网格划分；对所述连杆体的杆身与大、小头过渡区域进行网格加密，单元均采用2阶10节点四面体单元；
C.定义接触对；
C1.所述连杆体大头孔与所述轴瓦、所述连杆体小头孔与所述衬套为接触小滑移过盈配合；定义所述连杆体大头孔与所述轴瓦径向过盈量的最大、最小值；定义所述连杆体小头孔与所述衬套过盈量的最大、最小值；
本例中，连杆体大头孔与轴瓦径向过盈量由轴瓦公差计算得到，公式如下：
δmin＝2/π×hmin＝2/π×(U+Hmin)＝2/π×(6×10-6×σ0×DL+Hmin)
δmax＝2/π×hmax＝2/π×(U+Hmax+2/π×Δ)＝2π×(6×10-6×σ0×DL+Hmax+2/π×Δ)
其中：δ为过盈量，h为半周过盈量，U为变形量，DL为检具座孔直径最大值，Δ为座孔公差，σ0为检验压力系数，选定值为100N/mm^2；
C2.采用刚性体圆柱模拟曲柄销，所述上下轴瓦与所述曲柄销为接触小滑移间隙配合；所述衬套与所述活塞销为接触小滑移间隙配合；；
C3.所述连杆体与所述连杆盖之间为接触；
C4.所述螺栓与所述连杆体、所述连杆盖之间TIE连接，所述上下轴瓦采用TIE连接；
D.定义材料属性；
对所述步骤A中的各模型赋予材料属性；所述材料属性包括：弹性模量、密度、泊松比；
E.定义载荷及边界条件；
对以下参数进行设置：所述螺栓最大、最小预紧力，最大气缸压力，发动机最高转速ω，曲柄半径R，所述连杆体大、小头孔中心距的长度Lconrod，所述连杆体大头孔中心到所述连杆体质心点的距离Lrs，活塞装配体的质量M，其中，所述活塞装配体包括：活塞、活塞环及卡扣；
a.取一半的所述螺栓，对所述螺栓施加其最大/最小预紧力的一半；
b.约束所述曲柄销6个自由度；
c.在所述活塞销中心线上建立一点，该点位于所述活塞销与所述活塞接触宽度的中点；该点与所述活塞销上表面120°区域内的节点耦合，在此点上施加最大气缸压力的一半；
d.最高转速下的惯性载荷(方向均为大头指向小头)，包括：所述活塞销最大惯性力，所述连杆体惯性加速度，所述活塞体装配体最大惯性力；
其中：活塞销最大惯性加速度计算公式为：a＝(1+λ)Rω^2，其中，λ＝R/Lconrod；该载荷以加速度的形式施加在活塞销上。
连杆体惯性加速度计算公式为：a＝[1+λ×(Lrs/Lconrod)]Rω^2；该载荷以加速度的形式施加在连杆体上。
活塞体装配体最大惯性力计算公式为：P＝M×R×ω^2(1+λ)，其中，λ＝R/Lconrod；该载荷以力的形式施加在活塞销下表面。
e.在所述连杆体对称面上，对连杆装配体及活塞销施加约束Ux＝0，x指对称面的法向；
g.在所述活塞销中心线上建立一点，该点位于所述活塞销与所述活塞接触宽度的中点；该点与所述活塞销下表面120°区域内的节点耦合，在此点上施加活塞装配体最大惯性力的一半；
f.在连杆体上选择一个或多个小区域进行约束Ux、Uy、Uz＝0；
F.设置工况及对应模型；
F1.螺栓预紧力加载工况：此工况下，对所述连杆体、所述连杆盖、所述螺栓按所述步骤C、D条件进行设置，设置所述步骤E中a、e、f边界条件；
F2.最大/最小过盈配合工况：此工况下，对所述连杆体、所述连杆盖、所述上下轴瓦、所述螺栓、所述衬套按所述骤C、D条件进行设置，所述螺栓定长无预紧力，设置所述步骤E中e、f边界条件；对所述上下轴瓦、所述衬套分别施加最大、最小过盈量；
F3.最大气缸压力工况：此工况下，对所述连杆体、所述连杆盖、所述上下轴瓦、所述螺栓、所述衬套、所述曲柄销、所述活塞销按所述骤C、D条件进行设置，所述螺栓定长无预紧力，设置所述步骤E中b、c、e载荷及边界条件；对所述大头孔与所述上下轴瓦、所述大头孔与所述衬套的过盈量设置为零；
F4.最大惯性力工况：对所述连杆体、所述连杆盖、所述上下轴瓦、所述螺栓、所述衬套、所述曲柄销、所述活塞销按所述骤C、D条件进行设置，所述螺栓定长无预紧力，设置所述步骤E中、b、d、e、g载荷及边界条件，对所述大头孔与所述上下轴瓦、所述大头孔与所述衬套的过盈量设置为零；
G.分析判断；
以所述步骤F为输入，判断是否满足以下结果：
G1.最大螺栓预紧力工况下应力值和接触面的接触压力低于材料屈服强度；
G2.最大过盈配合工况下连杆大头和小头的最大等效应力值低于材料屈服强度；
G3.最小过盈配合工况下上下轴瓦及衬套在的背压大于9.5MPa；
G4.最大气缸压力工况、最大螺栓预紧力工况、最大过盈配合工况、最大惯性力工况的等效应力结果叠加值低于材料屈服强度；
G5.最大惯性力工况下连杆体和连杆盖的最大等效应力值低于材料屈服强度；
G6.最大惯性力工况、最小螺栓预紧力工况、最大轴瓦过盈量工况下的连杆体和连杆盖结合面的接触压力之和大于0，两者未分离；
G7.最大爆发压力载荷、最大惯性载荷工况下的连杆大头孔收缩变形之和小于连杆轴瓦与曲柄销间隙的75％，开启角小于160°；连杆小头孔收缩变形小于连杆衬套与活塞销间隙的90％，开启角小于170°；
在以上条件均满足的条件下，进入步骤H；
H.高周疲劳分析工况及结果分析；
在发动机额定工况和1.1倍额定转速工况下根据以下计算结果叠加分别得到三种应力：
H1.螺栓最大预紧力加载工况+最大过盈配合工况+最大气缸压力工况+最大惯性力工况；
H2.螺栓最大预紧力加载工况+最大过盈配合工况+最大惯性力工况；
H3.螺栓最大预紧力加载工况+最大过盈配合工况；
在发动机额定工况和1.1倍额定转速工况下，H1与H2的应力结果组成一对最大、最小应力匹配对，用于连杆体疲劳计算；H2与H3的应力结果组成另一对最大、最小应力匹配对，用于连杆盖和小头上部疲劳计算；
最终要求最小的安全系数大于许用值的1.1倍。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种用于确定发动机连杆强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.三维建模；
建立连杆装配体及活塞销的三维模型，其中，所述连杆装配体包括：连杆体，连杆盖，螺栓，上下轴瓦以及衬套；
B.有限元网格划分；
对上述各模型按垂直于连杆大头孔轴线的对称面取一半进行有限元网格划分；对所述连杆体的杆身与大、小头过渡区域进行网格加密；
C.定义接触对；
C1.所述连杆体大头孔与所述上下轴瓦、所述连杆体小头孔与所述衬套为接触小滑移过盈配合；定义所述连杆体大头孔与所述上下轴瓦径向过盈量的最大、最小值；定义所述连杆体小头孔与所述衬套过盈量的最大、最小值；
C2.采用刚性体圆柱模拟曲柄销，所述上下轴瓦与所述曲柄销为接触小滑移间隙配合；所述衬套与所述活塞销为接触小滑移间隙配合；
C3.所述连杆体与所述连杆盖之间为接触；
C4.所述螺栓与所述连杆体、所述连杆盖之间TIE连接，所述上下轴瓦采用TIE连接；
D.定义材料属性；
对所述步骤A中的各模型赋予材料属性；所述材料属性包括：弹性模量、密度、泊松比；
E.定义载荷及边界条件；
对以下参数进行设置：所述螺栓最大、最小预紧力，最大气缸压力，发动机最高转速ω，曲柄半径R，所述连杆体大、小头孔中心距的长度Lconrod，所述连杆体大头孔中心到所述连杆体质心点的距离Lrs，活塞装配体的质量M，其中，所述活塞装配体包括：活塞、活塞环及卡扣；
a.取一半的所述螺栓，对所述螺栓施加其最大/最小预紧力的一半；
b.约束所述曲柄销6个自由度；
c.在所述活塞销中心线上建立一点，该点位于所述活塞销与所述活塞接触宽度的中点；该点与所述活塞销上表面120°区域内的节点耦合，在此点上施加最大气缸压力的一半；
d.最高转速下的惯性载荷，包括：所述活塞销最大惯性加速度，所述连杆体惯性加速度，所述活塞装配体最大惯性力；
e.在所述连杆体对称面上，对连杆装配体及活塞销施加约束Ux＝0，x指对称面的法向；
g.在所述活塞销中心线上建立一点，该点位于所述活塞销与所述活塞接触宽度的中点；该点与所述活塞销下表面120°区域内的节点耦合，在此点上施加活塞装配体最大惯性力的一半；
f.在连杆体上选择一个或多个小区域进行约束Ux、Uy、Uz＝0；
F.设置工况及对应模型；
F1.螺栓预紧力加载工况：此工况下，对所述连杆体、所述连杆盖、所述螺栓按所述步骤C、D条件进行设置，设置所述步骤E中a、e、f边界条件；
F2.最大/最小过盈配合工况：此工况下，对所述连杆体、所述连杆盖、所述上下轴瓦、所述螺栓、所述衬套按所述骤C、D条件进行设置，所述螺栓定长无预紧力，设置所述步骤E中e、f边界条件；对所述上下轴瓦、所述衬套分别施加最大、最小过盈量；
F3.最大气缸压力工况：此工况下，对所述连杆体、所述连杆盖、所述上下轴瓦、所述螺栓、所述衬套、所述曲柄销、所述活塞销按所述骤C、D条件进行设置，所述螺栓定长无预紧力，设置所述步骤E中b、c、e载荷及边界条件；对所述大头孔与所述上下轴瓦、所述小头孔与所述衬套的过盈量设置为零；
F4.最大惯性力工况：对所述连杆体、所述连杆盖、所述上下轴瓦、所述螺栓、所述衬套、所述曲柄销、所述活塞销按所述骤C、D条件进行设置，所述螺栓定长无预紧力，设置所述步骤E中b、d、e、g载荷及边界条件，对所述大头孔对所述上下轴瓦、所述小头孔与所述衬套的过盈量设置为零；
G.分析判断；
以所述步骤F为输入，判断是否满足以下结果：
G1.最大螺栓预紧力工况下应力值和接触面的接触压力低于材料屈服强度；
G2.最大过盈配合工况下连杆大头和小头的最大等效应力值低于材料屈服强度；
G3.最小过盈配合工况下上下轴瓦及衬套的背压大于9.5MPa；
G4.最大气缸压力工况、最大螺栓预紧力工况、最大过盈配合工况、最大惯性力工况的等效应力结果叠加值低于材料屈服强度；
G5.最大惯性力工况下连杆体和连杆盖的最大等效应力值低于材料屈服强度；
G6.最大惯性力工况、最小螺栓预紧力工况、最大轴瓦过盈量工况下的连杆体和连杆盖结合面的接触压力之和大于0，两者未分离；
G7.最大爆发压力载荷、最大惯性载荷工况下的连杆大头孔收缩变形之和小于连杆轴瓦与曲柄销间隙的75％，开启角小于160°；连杆小头孔收缩变形小于连杆衬套与活塞销间隙的90％，开启角小于170°；
在以上条件均满足的条件下，进入步骤H；
H.高周疲劳分析工况及结果分析；
在发动机额定工况和1.1倍额定转速工况下根据以下计算结果叠加分别得到三种应力：
H1.螺栓最大预紧力加载工况+最大过盈配合工况+最大气缸压力工况+最大惯性力工况；
H2.螺栓最大预紧力加载工况+最大过盈配合工况+最大惯性力工况；
H3.螺栓最大预紧力加载工况+最大过盈配合工况；
在发动机额定工况和1.1倍额定转速工况下，H1与H2的应力结果组成一对最大、最小应力匹配对，用于连杆体疲劳计算；H2与H3的应力结果组成另一对最大、最小应力匹配对，用于连杆盖和小头上部疲劳计算；
最终要求最小的安全系数大于许用值的1.1倍。
2.如权利要求1所述的一种用于确定发动机连杆强度的方法，其特征在于，所述步骤A中的有限元网格划分均采用2阶10节点四面体单元。
3.如权利要求1所述的一种用于确定发动机连杆强度的方法，其特征在于，所述步骤E中，所述活塞销最大惯性加速度计算公式为：a＝(1+λ)Rω^2，其中，λ＝R/Lconrod；该载荷以加速度的形式施加在所述活塞销上。
4.如权利要求1所述的一种用于确定发动机连杆强度的方法，其特征在于，所述步骤E中，所述连杆体惯性加速度计算公式为：a＝[1+λ×(Lrs/Lconrod)]Rω^2，其中，λ＝R/Lconrod；该载荷以加速度的形式施加在所述连杆体上。
5.如权利要求1所述的一种用于确定发动机连杆强度的方法，其特征在于，所述步骤E中，所述活塞装配体最大惯性力计算公式为：P＝M×R×ω^2(1+λ)，其中，λ＝R/Lconrod；该载荷以力的形式施加在所述活塞销下表面。
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