大功率柴油机连杆疲劳试验和数值模拟

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇大功率柴油机连杆疲劳试验和数值模拟范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要： 对某型大功率柴油机连杆进行疲劳强度试验，观察连杆断口的微观形貌，分析连杆断裂的主要影响因素.试验结果表明：连杆杆身的残余压应力通常会使疲劳裂纹萌生在构件次表层，具有高平均应力水平的连杆小头对表层夹杂缺陷更加敏感.运用三维有限元数值计算方法和疲劳寿命预测理论，对连杆疲劳耐久性试验进行数值模拟.连杆疲劳试验与虚拟疲劳寿命预估结果的比较表明，基于材料SN曲线的疲劳寿命预估方法在一定程度上能对疲劳试验中连杆破坏的薄弱部位和疲劳寿命进行模拟与预测.

关键词： 柴油机； 连杆； 疲劳； 断裂； 强度； 有限元

中图分类号： TK423.3；TB115.1 文献标志码： B

Fatigue test and numerical simulation on connecting rod in

high power diesel engine

WU Bo, HU Dingyun, WANG Xulan

(China North Engine Research Institute, Langfang 065000, Hebei, China)

Abstract： The fatigue strength testes are done on the connecting rods of a high power diesel engine to observe the microscopic topography of the fractures, and the main influencing factors that lead to the fracture of connecting rod are analyzed. The test results show that the fatigue cracks that caused by the residual compressive stress of connecting rod are usually conceived at the subsurface, and the small end of connecting rod is more sensitive to the mixed defect of the surface because of its high level of average stress. The numerical simulation of fatigue durability test on connecting rod is done using 3D finite element numerical calculation method and fatigue life prediction theory. The comparison between fatigue test and virtual fatigue life prediction results for connecting rod shows that, to a certain extent, the fatigue life prediction method based on the SN curve of the material can simulate and predict the weak part and fatigue life, where the connecting rod is destroyed in the fatigue test.

Key words： diesel engine; connecting rod; fatigue; fracture; strength; finite element

连杆是往复活塞式内燃机中动力传递的重要组件之一，承受燃料燃烧时产生的气体压力，将活塞的直线运动变为曲轴的旋转运动，并将作用在活塞上的力传给曲轴以对外输出功率.连杆性能的优劣直接影响柴油机的整体可靠性和寿命.据统计，在周期性变化的动载荷作用下，连杆的破坏大多为拉、压疲劳断裂，因此连杆疲劳强度一直是柴油机研发和改进过程中所关注的重要问题之一.［1-3］

传统的连杆疲劳耐久性试验在液压伺服疲劳试验机上进行.液压伺服疲劳试验机采用液压方式加载，对试样无冲击影响，但试验的加载频率较低，一般不超过30 Hz，因而试验周期较长、试验成本昂贵.［4-5］仅通过物理试验进行柴油机关键结构件疲劳耐久性研究，在一定程度上已经无法满足现代化工程设计和竞争的需求.［6］

本文通过以寿命为目标的计算机数值模拟技术，对某型连杆在疲劳试验加载条件下的三维应力场和疲劳寿命进行计算分析，并给出连杆各部位的寿命分布.结合疲劳试验结果和疲劳断口的宏、微观分析，研究残余应力等对高强度连杆疲劳失效的影响.将连杆疲劳物理试验结果与数值计算分析相结合，不仅可以对试样试验的不足进行有益补充，而且有利于检验疲劳寿命仿真计算的正确性，对完善仿真方法也具有现实的指导意义.

1 连杆疲劳试验方法

1.1 试验设备与装卡方式

疲劳试验采用德国IST公司的电液伺服疲劳试验系统，可用正弦、方波和三角波等标准波形进行发动机主要零部件机械强度耐久性考核，亦可进行路谱再现或自定义波形的疲劳仿真试验.鉴于试验设备响应的限制，本文加载频率不超过30 Hz. 在实际工作中，连杆小头孔与活塞销之间装有衬套并充有油，衬套与小头孔之间为过盈装配关系.在本文疲劳试验过程中，装卡方式尽量模拟实际工作中的受载环境并加注油，连杆大头轴颈用尺寸与曲轴轴颈相同的大头销代替，并固定在底座上；连杆小头孔直接与模拟活塞销小头销过盈装配，过盈量为t；拉压载荷通过卡具直接作用在小头销上.

1.2 试验加载

目前，连杆疲劳试验的加载方式一般执行行业标准或企业标准，常用的加载方式有恒定载荷比法和恒定最大压力法等.［7］本文采用恒定载荷比法，即在试验过程中用模拟连杆在最大压缩和最大拉伸工况下的名义载荷乘以一个安全因数来确定试验载荷，并使连杆所承受的最大压缩与最大拉伸载荷的比值保持不变.采用升降法测定被试连杆的疲劳强度，恒定连杆工作载荷比R=Pmax/Pmin，其中，Pmax和Pmin分别为连杆所承受的最大拉伸和最大压缩载荷，加载波形为正弦波，循环基数为1×107次.为保证试验的可靠性且试验周期不能太长，需在3～4个应力水平下进行试验.