某机型连杆疲劳试验与仿真分析的联合预测

2018-04-14胡蓉蓉李春玲李继德陈学宾金天柱季开宇

汽车与新动力 2018年1期

胡蓉蓉李春玲李继德陈学宾金天柱季开宇

(上汽集团商用车技术中心，上海 200438)

0 前言

连杆是发动机动力传递中的核心零件，主要作用是将活塞的直线运动转变成曲轴的旋转运动，同时将作用在活塞上的气体压力传给曲轴以输出扭矩做功。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)的共同作用，工作条件比较苛刻。因此在设计连杆时，不仅要保证连杆足够的结构强度和刚度外，还必须考虑连杆的疲劳强度。如果连杆的结构强度不足，就会发生连杆螺栓、连杆盖及杆身的断裂，甚至造成整台发动机报废的严重事故。如果连杆的刚度不足，杆身容易发生弯曲，造成活塞与气缸的偏磨或者连杆大内孔失圆，降低连杆轴承的润滑效果［1］。同时还要考虑到连杆承受交变载荷，处于疲劳应力状态［2］。这就要求在连杆大量生产之前，需要做足够的试验及仿真计算进行验证，确保连杆同时保证结构强度、刚度及疲劳强度的可靠性。

本研究对新设计的连杆不仅进行了疲劳试验，而且使用仿真软件按照疲劳试验的边界条件，对连杆的疲劳试验也进行了仿真分析计算，并将试验结果与仿真分析计算结果对比，从试验与模拟计算2个角度评估了新产品的结构可靠性，随后考虑连杆在真实运行工况下的受载情况，对连杆进行了详细的模拟计算，比较全面地评估了新产品的结构强度、疲劳强度以及结构的稳定性。

1 连杆疲劳试验

1．1 疲劳试验方法

取连杆试样34根，按照国标《GB/T 3075—2008金属材料疲劳试验轴向力控制方法》中的规定，采用升降法进行试验，利用疲劳试验机，分别对试样施加载荷，试验现场照片如图1。

图1 试验现场图

通过理论计算获得连杆在实际工作中受到的最大惯性力及爆发压力，再基于对安全系数的要求，按比例放大载荷，得到连杆试验的初始输入试验数据。

疲劳试验加载条件为:加载波形为正弦波，步长为1.5 kN，循环基数107次，应力比R为－3．96。

试样的失效准则为:连杆的工字筋处发热、烧黄则判定为试样失效。

1．2 疲劳试验结果

疲劳试验的结果如表1，其中○表示连杆未失效，试验通过次循环，X表示连杆失效，未通过疲劳试验。完成25个试样试验后，经计算，子样已足够，升降法试验不再继续。试验结束后，样件的状态如图2。

图2 试验后样件的状态

经过数据处理后，计算可得，存活率为50%时，在100个连杆样件中，交变载荷的幅值等于109．55 kN，连杆将有一半会发生疲劳破坏。

2 仿真模拟试验

为了利用仿真技术反验证疲劳试验的准确性，研究中特此根据疲劳试验的试验规范，约束边界及载荷加载方式对连杆的疲劳试验进行了仿真计算。

2．1 约束边界及载荷输入

根据疲劳试验中夹具对试样的约束情况，将连杆大头轴瓦内径全约束，模拟连杆受压载荷时，选取连杆小头内孔下底面120°范围加载。模拟连杆受拉载荷时，选取连杆小头内孔上顶面120°范围加载。加载载荷来自于试验计算结果。通过如下式推导:

其中，R为应力比－3．96;Fm为连杆疲劳的平均载荷幅值;FA为连杆疲劳的交变载荷幅值109．55 kN;Fmin为连杆疲劳的最小压力;Fmax为连杆疲劳的最大拉力。

由以上公式可以推导出，在50%的通过率下，Fmin为－174．93 kN，Fmax为44．17 kN。将连杆疲劳的拉、压载荷分别代入连杆有限元模型中计算强度，并将有限元计算结果输出到疲劳分析软件Femfat中，计算连杆的疲劳安全系数。

2．2 试验结果与仿真结果对比

在疲劳计算软件Femfat中，考虑零部件存活率、材料的强化工艺及表面粗糙度等因素对连杆疲劳安全系数的影响，计算得到连杆杆身的最小安全系数为0.97，如图3。可以看出，连杆杆身安全系数在1．0左右的比较危险的区域与疲劳耐久试验样件失效的区域(图4)基本一致。

图3 模拟疲劳试验的安全系数分布云图

3 连杆在实际运行工况中的仿真计算

上汽商用车技术中心设计的1款连杆匹配发动机的主要规格参数如表2。

3．1 强度分析计算

通过以上发动机相关参数，计算出连杆在真实运行工况中，承受的最大爆压及最大惯性力载荷，利用Abaqus软件建立包含轴瓦，衬套，螺栓、连杆杆身及连杆盖在内的有限元模型［3］，根据连杆组件在运行中的真实配合情况，建立相应约束边界及加载载荷等，分别计算得到连杆在装配工况、最大爆压工况及最大惯性力工况下的应力分布云图(图5～图7)。

表1 疲劳试验结果

图4 疲劳试验失效样件

表2 某型号发动机主要技术规格

可以看出连杆在装配工况，最大爆压工况及最大惯性力工况下，所受的载荷均小于材料的屈服强度极限560 MPa，满足零部件的设计要求。

3．2 疲劳分析计算

实际中，结构失效的原因往往并不是其结构静强度不足，而是由材料的疲劳引起的。所谓疲劳，是指构件中的某点或者某些点承受交变应力，经过足够长的时间或次数累积作用之后，材料形成裂纹或完全断裂这样一个发展和变化的过程［1］。使用专门用于分析疲劳的软件Femfat，对连杆疲劳强度进行了评估，结果如图8，可以看出最小的连杆安全系数为1．48，考虑到安全余量及实践经验，满足最小安全系数大于1．25的要求。

图5 装配工况连杆应力分布

图6 最大爆压工况连杆应力分布

图7 最大惯性力工况连杆应力分布

图8 连杆疲劳安全系数分布云图

3．3 稳定性校核

连杆作为典型的杆件结构，必须要考虑压杆稳定性，即刚度是否满足设计要求。这是因为承受压力作用的杆件，当压力逐渐增大至某一限值F1时，会突然变弯的现象，称为失稳或屈曲失效。此时，F1可能远小于屈服强度载荷Fs(或抗压强度载荷Fb)。由于杆件失稳后将丧失继续承受原设计载荷的能力，其后果往往很严重。因此在设计受压杆件时，必须保证其有足够的稳定性。所谓的稳定性是指杆件保持原有直线平衡形式的能力［1］。

为了评估连杆的稳定性，利用欧拉公式及连杆的柔度公式，将连杆的相关参数代入到欧拉公式，得到临界应力总图如图9。