发动机连杆疲劳分析结果

1.问题描述及分析

某发动机连杆工作过程中的运动和受力复杂，疲劳破坏是强度破坏的主要失效形式。连杆体主要结构参数：大端内径80mm，大端外径103mm，小端内径40mm，小端外径55mm，杆身厚30mm，大小端孔中心距250mm；材料为结构钢。假设作用在连杆上的力为12000N，受非恒定的随机疲劳载荷作用，疲劳强度因子为0.8，其他相关参数在分析过程中体现。试分析设计寿命为1×10⁹次循环的连杆在非恒定随机载荷作用下的疲劳寿命、损伤矩阵、疲劳敏感性。

分析：由于连杆工作过程中不断受到非恒定的随机疲劳载荷作用，实际工作主要是应力疲劳产生的，连杆材料结构钢为韧性材料，因此采用高周疲劳分析方法，采用Goodman理论修正平均应力。

2.有限元分析过程

（1）启动Workbench 18.0 在“开始”菜单中执行【ANSYS 18.0】→【Workbench 18.0】命令。

图13-51 创建分析

（2）创建结构静力分析项目

①在工具箱【Toolbox】的【Analysis Sys-tems】中双击或拖动结构静力分析项目【Static Structural】到项目分析流程图，如图13-51所示。

②在Workbench的工具栏中单击【Save】，保存项目工程名为Connecting rod.wbpj。有限元分析文件保存在D：\AWB\Chapter13文件夹中。

（3）确定材料参数 连杆体材料为结构钢，采用默认数据。

（4）导入几何模型 在结构静力分析项目上，右键单击【Geometry】→【Import Geome-try】→【Browse】→找到模型文件Connecting rod.adgb，打开导入几何模型。模型文件在D：\AWB\Chapter13文件夹中。

（5）进入Mechanical分析环境

①在结构静力分析项目上，右键单击【Model】→【Edit】进入Mechanical分析环境。

②在Mechanical的主菜单【Units】中设置单位为Metric（mm，kg，N，s，mV，mA）。

为几何模型分配材料属性，连杆体材料为结构钢，自动分配。

（6）创建局部坐标系 施加局部坐标，导航窗口右键单击【Coordinate Systems】→【In-sert】→【Coordinate System】，在标准工具栏上单击，选择连杆体小端的内径表面，然后，在坐标详细窗口中单击【Origin】→【Geometry】确定；【Orientation About Principal Axis】→【De-fine By】→【Geometry Selection】→【Geometry】，在标准工具栏上单击，选择连杆体上边线，然后确定，完成坐标创建，如图13-52所示。

（7）划分网格

①在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Defaults】→【Relevance】=80；【Sizing】→【Rel-evance Center】=Medium，【Ele-ment Size】=2mm，其他均默认。

②在标准工具栏上单击，选择连杆体，右键单击【Mesh】→【Insert】→【Method】，单击【Automatic Method】→【Details of“Automatic Method”Method】→【Method】=Hex Dominant。

③生成网格，右键单击【Mesh】→【Generate Mesh】，图形区域显示程序生成的六面体单元为主体的网格模型，如图13-53所示。

④网格质量检查，在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Quality】→【Mesh Metric】=Skewness，显示Skewness规则下网格质量详细信息，平均值处在好水平范围内，展开【Statistics】显示网格和节点数量。

图13-52 创建局部坐标系

图13-53 网格划分

（8）施加边界条件

①单击【Static Structural（A5）】。

②施加力载荷，在标准工具栏上单击，首先选择连杆大端内径表面，接着在环境工具栏单击【Loads】→【Force】→【Details of“Force”】→【Definition】→【Define By】=Components，【Coordinate System】→【Coordinate System】，【Y Component】输入12000N，如图13-54所示。

③施加约束，在标准工具栏上单击，选择连杆体的大端两螺栓孔内表面，接着在环境工具栏单击【Supports】→【Cylindrical Support】→【Details of“Cylindrical Support”】→【Definition】→【Axial】=Free，【Tangential】=Free，如图13-55所示。在标准工具栏上单击，选择连杆体小端的内径表面，接着在环境工具栏单击【Supports】→【Fixed Support】，如图13-56所示。

图13-54 施加载荷

图13-55 施加圆柱约束

图13-56 施加固定约束(www.xing528.com)

（9）设置需要结果

①在导航树上单击【Solution（A6）】。

②在求解工具栏上单击【Deformation】→【Total】；单击【Stress】→【Equivalent Stress】。

③在Mechanical标准工具栏上单击进行求解运算，求解结果如图13-57、图13-58所示。

图13-57 连杆变形云图

图13-58 连杆等效应力云图

图13-59 创建疲劳分析设置

（10）创建疲劳分析

①在导航树上单击【Solution（A6）】。

②在求解工具栏上单击【Tools】→【Fatigue Tool】。

③【Fatigue Tool】→【Fatigue Strength Factor（Kf）】=0.8；【Loading】→【Type】=【History data】，【History Data Location】=导入文件History.dat，【Scale Factor】=0.01；【Options】→【Analysis Type】=Stress Life，【Mean Stress The-ory】=Goodman，【Stress Component】=Signed Von Mises，【Life Units】→【Units Name】=cycles；其他为默认设置，如图13-59所示。

④设置所需结果，在疲劳求解工具上单击【Contour Re-sults】→【Life】，【Biaxiality Indication】；单击【Graph Re-sults】→【Rainflow Matrix】，【Damage Matrix】，【Fatigue Sen-sitivity】。

（11）求解与结果显示

①在Mechanical标准工具栏上单击进行求解运算。

②运算结束后，单击【Fatigue Tool】→【Life】，图形区域显示连杆体寿命分布云图，如图13-60所示。同样也可显示双轴指示结果云图、雨流矩阵云图（大多数在低平均应力和低应力幅下）、损伤矩阵云图（中间应力幅循环在危险位置造成最大的损伤）、疲劳敏感性图，如图13-61～图13-64所示。

（12）保存与退出

①退出Mechanical分析环境，单击Mechanical主界面的菜单【File】→【Close Mechani-cal】退出环境，返回到Workbench主界面，此时主界面的项目管理区中显示的分析项目均已完成。

②单击Workbench主界面上的【Save】按钮，保存所有分析结果文件。

③退出Workbench环境，单击Workbench主界面的菜单【File】→【Exit】退出主界面，完成项目分析。

图13-60 连杆寿命云图

图13-61 连杆双轴指示云图

图13-62 连杆雨流阵列图

图13-63 连杆损伤阵列图

图13-64 连杆疲劳敏感性图

3.分析点评

点评：本实例是发动机连杆疲劳分析，涉及疲劳工具应用及随机疲劳载荷处理。在本例中采用何种疲劳分析方法及非恒定疲劳载荷求解是关键，这牵涉到连杆实际工作过程及疲劳载荷、疲劳平均应力修正选择、对应的边界条件设置、疲劳求解及后处理。本例中使用默认材料避免了材料S-N曲线选择，但非恒定随机疲劳载荷需要实际的测量积累，也是这类疲劳分析较难的部分。实际上，本例疲劳分析是把瞬态结构动力分析转化为静态的疲劳分析，这样处理与瞬态结构分析结果相比，差距可忽略，但大大节省了计算成本，推荐使用。