连杆有限元分析

    连杆是汽车发动机中传递动力的重要零件，它把活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动并将作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作过程中要承受装配载荷（包括轴瓦过盈及螺栓预紧力）和交变工作载荷（包括气体爆发压力及惯性力）的作用，工作条件比较苛刻。现代汽车向着环保节能方向的发展，要求发动机连杆在满足强度和刚度的基础上，应具有尺寸小、重量轻的特点。本文应用ABAQUS有限元软件，对新设计的某机型连杆进行了强度和刚度的校核。

    1、连杆的三维有限元模型

    连杆的三维几何模型来自CAD软件PRO/E，采用MSC/PATRAN建立有限元模型，利用ABAQUS进行力学计算分析。该计算所包括的零件有：连杆、连杆盖、连杆螺栓、连杆螺母、活塞销、曲轴连杆轴颈、连杆大头轴瓦。采用计算精度较高的六面体单元划分网格，共分为24204个节点，17258个单元。图1为有限元模型。

图1连杆有限元模型

    实际过程中，由于在较大的螺栓预紧力的约束下，连杆与连杆盖在整个分析过程中均处于接触状态，因此这里对模型进行了简化，将连杆与连杆盖在实际的建模分析中合为一体，而不影响最终的结果。同样，螺栓连杆与连杆螺母也合为一体。

    在建立两个轴模型时，该计算取大轴和小轴的半径分别小于相应轴瓦半径0.35mm和0.30mm。考虑到实际工程中轴瓦在过盈变形后虽然半径变小但仍不足以对轴产生装配应力，上述模型尺寸可避免轴与轴瓦间装配应力的出现。

    2、计算过程

    ABAQUS软件是当今世界上较为通用的非线性计算分析软件。

    本计算中主要涉及的非线性过程主要包括螺栓预紧和轴瓦过盈。

    ABAQUS在计算分析中采用计算步（step）的概念，计算按实际工况过程主要分为四个主要步骤。

    2.1 施加螺栓预紧力

    首先，在各螺栓头、螺母与连杆盖、连杆相接触的地方定义接触对；通过ABAQUS中专为模拟螺栓预紧提供的模型（*Pre-tension section）在每个螺栓中建立一个预紧面；最后在每个预紧面模型的参考点施加55kn的预紧力约束。

    2.2 轴瓦过盈

    首先，在轴瓦与连杆（或连杆盖）相接触的地方定义接触对；通过*Clearance定义尺寸过盈量（注：value值为负代表过盈，正代表间隙）。

    2.3~2.4分别施加惯性力（拉力）和爆炸压力载荷

    在这两个过程中，力通过小轴施加在连杆上，而约束限定在大轴上。由于轴与轴瓦之间存在着间隙，因此在这一过程中会有产生自由刚体运动的瞬间，这在有限元的静力分析中会导致计算不收敛而无法进行。解决的方法是在小轴和连杆上分别引入弹簧约束，只要选择较小的弹簧刚度系数，则既可限制自由刚体运动，又不会使最终结果产生大的误差。

    3、计算结果及分析

    3.1连杆应力与疲劳安全系数

    由于连杆是在交变载荷下工作，采用以下公式计算其疲劳安全系数：

图2连杆在装配与拉伸载荷作用下应力分布

    连杆应力见图2、3。最小疲劳安全系数见表2。

图3连杆在装配与气体爆发压力载荷作用下应力分布#p#分页标题#e#

    杆杆身与连杆大端的过渡区
    2.1
 
    连杆杆身与连杆小端的过渡区
    2.3
 
    连杆杆身与螺栓头附近的过渡区
     2.3
 
    连杆杆身与螺母附近的过渡区
     2.3
 
    连杆小端的油孔
     2.5

    3.2 连杆杆身大头与连杆盖结合面处的接触压力

图4 在装配与拉伸载荷作用下连杆杆身大头与连杆盖结合面处的接触压力

    图4为第一种方案连杆杆身与连杆盖结合面处在装配载荷+拉伸载荷下的法向应力分布，图为5第一种方案连杆杆身与连杆盖结合面处在装配载荷+压缩载荷下的法向应力分布，图中的红色区域表示失去接触。

图5 在装配与气体爆发压力载荷作用下连杆杆身大头与连杆盖结合面处的接触压力

从图上可以看出，连杆轴瓦与连杆大头的接触压力大部分面积都大于100Mpa。所以，在连杆工作载荷下，连杆轴瓦与连杆大头不会分离。

图6为连杆轴瓦与连杆大头在装配载荷+拉伸载荷下的压应力分布

    图6为连杆轴瓦与连杆大头在装配载荷+拉伸载荷下的压应力分布图

    4、结论 

    1)采用42CrMoA设计的连杆, 可以满足其设计工况。 
    2)在连杆工作载荷下，连杆杆身与连杆盖结合面处在所有工作载荷下的法向应力基本上都大于0Mpa，不会分离。 
    3)连杆大端孔处的变形在允许范围内。