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柴油机连杆组合件的失效分析与优化设计_许广举_陈庆樟_李学智_吕正兵

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机械设计与制造

MachineryDesign&Manufacture

第8期2014年8月

柴油机连杆组合件的失效分析与优化设计

许广举,陈庆樟,李学智,吕正兵

江苏常熟215500)(常熟理工学院汽车工程学院,

要:分析了连杆组合件的失效原因,提出了连杆组合件的改进措施,建立了某柴油机连杆组合件的三维有限元分析

模型,应用ANSYS软件进行了三维非线性有限元分析,在有限元分析的基础上,采用Good-man法计算了连杆的疲劳强度。研究结果表明,适当增加连杆大头孔外径可以有效缓解螺纹孔带来的应力集中,连杆大头孔内侧最大应力可下降20%左右;增大活塞销外径,缩短活塞销长度,活塞外表面的拉伸应力略有下降;改进后过渡段的安全系数可从2.36增大到12.65以上。

关键词:柴油机;连杆;有限元分析;失效分析中图分类号:TH16

文献标识码:A

文章编号:1001-3997(2014)08-0028-03

TheFailureAnalysisandOptimizationofDieselEngineConnectingRodAssembly

CHENQing-zhang,LIXue-zhi,LVZheng-bingXUGuang-ju,

(DepartmentofAutomobileEngineering,ChangshuInstituteofTechnology,JiangsuChangshu215500,China)Abstract:Thereasonsforinvalidationofconnectingrodassemblywasanalyzed,theimprovementmeasureswasproposed,andthe3DFiniteElementMethod(FEM)modelofconnectingrodassemblyofdieselenginewasestablished,andnonlinearanalysiswasmadeofconnectingrodassemblyusingANSYS.ThefatiguestrengthofconnectingrodisanalyzedwiththeaidofGood-manmethodbasedonFEA.Theresultshowsthat,thestressconcentrationcausedbythreadedholescaneffectivelyalleviatewhenthebulk-holediameterincreased,themaximumstressinsidetherodholecanbereducedabout20%,thetensilestressofpistonoutersurfacedecreasedslightlywhileincreasingpistonpindiameterorshorteningthelengthofthepistonpin,andthesafetyfactoroftransitionsectioncanbeincreasedfrom2.36to12.65.KeyWords:DieselEigine;Connecting-Rod;FEM;FailureAnalysis

1引言

连杆组合件是柴油机的主要运动部件,其性能的优劣直接决定着柴油机的可靠性和使用寿命,随着柴油机强化程度的不断提高,连杆组合件的工作条件更加苛刻,在周期性的气体压力、运动质量惯性力作用下,在其内部产生拉、压、弯、扭交变应力,并可能在柴油机转速范围内发生共振,过早地出现弯曲和扭转疲劳破坏,因此要求柴油机连杆组合件应具有足够的疲劳强度、刚度以及良好的动静态特性。

有限元技术在柴油机产品开发中发挥着越来越大的作用,它可以有效地提高零部件设计的可靠性,缩短设计周期。目前有限元技术在柴油机设计中的应用主要有:文献[1]采用有限元方法对某车用柴油机机体和油底壳进行了模态分析,在主要激励源特征和结构响应特征的基础上提出了结构优化方向;文献[2]以YC4108Q柴油建立了机体三维有限元动态计算模型,通过机机体为研究对象,

有限元计算提出了机体结构的改进方案;文献[3]采用硬度塞法测量了YZ4105QF柴油机活塞的温度场,并借助三维有限元方法对活塞的温度场进行数值模拟,得到了活塞在热负荷作用下的温度

分布,为活塞的最优化设计提供了依据;文献[4]利用有限元法对气缸盖进行了三维稳态热分析,得到了火力面边界条件的设置规律、稳态温度场随工况的变化关系以及单缸机与多缸机的稳态温度场差别。

以某单缸柴油机的连杆组合件为研究对象,针对柴油机运行过程中出现的连杆断裂现象,利用PRO/E三维软件和ANSYS有限元软件建立了连杆组合件的实体模型和有限元模型,进行了压缩、拉伸工况下的有限元接触非线形分析,得到了应力分布规律和交变载荷下连杆的安全系数,提出了柴油机连杆组合件的结构改进措施。

2失效分析与改进措施

2.1连杆组合件失效原因分析

断所研究的柴油机在运行过程中经常出现连杆断裂现象,裂主要发生在连杆大头与连杆螺孔的连接部位,连杆的原设计图纸壁厚较小,锻造毛坯披缝太大,必须进行打磨,由于打磨形状不规则,断面截面积变小,打磨面出现粗糙的打磨痕迹,导致产生严重的应力集中;原连杆螺孔的螺纹终止面不是平面,而是连杆大

2014-02-10来稿日期:

基金项目:江苏省“六大人才高峰”资助项目(SZ2010002);江苏省自然科学基金项目(BK2011367)作者简介:许广举,(1984-),男,山东烟台人,博士,讲师,主要研究方向:柴油机的优化设计研究

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