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原文传递发动机连杆的疲劳分析

论文题名：	发动机连杆的疲劳分析
关键词：	汽车发动机;连杆机构;动力学模拟;有限元分析;安全系数;疲劳寿命
摘要：	连杆是发动机的主要运动和受力部件，在工作时承受着往复的拉压交替载荷。而且汽车在行驶时的路况不同，其发动机连杆的工作载荷也会发生变化。因此连杆不仅要满足静强度要求，还要对连杆进行抗疲劳设计。连杆的受力和工况的变化，材料缺陷，表面粗糙度，加工误差等，这些都是导致连杆表面萌生裂纹的直接原因。裂纹的扩展长度与连杆的循环次数成指数关系，所以在裂纹尺寸达到一定数值时，连杆会迅速的断裂，从而导致整个发动机不能工作甚至报废。所以连杆的疲劳研究对发动机至关重要。研究连杆的失效部位，以及连杆的疲劳寿命与各种诱因之间的关系，如何提高连杆疲劳寿命等，一直以来都是连杆疲劳问题中的关键。　　针对以上问题，本文以汽车发动机连杆为例，建立经典的曲柄连杆的刚体动力学方程，导入不同转速下的燃气压力曲线数据，得到了活塞运动的理论速度与加速度曲线。为了研究运动柔性连杆对运动机构的影响，联合使用 RecurDyn与 ANSYS软件建立了连杆的柔性体中性文件并导入到发动机的刚柔耦合系统，得到了连杆的柔性体在不同转速工况下的动应力曲线及载荷极值。在上面的基础上，对连杆进行静强度分析，利用 APDL的二次开发功能，综合考虑了连杆的轴承力加载和惯性力对连杆的影响，得到了连杆比较精确的静力学解。根据静力学解，估算除了连杆危险节点的一个工作循环中的应力比，使用丁式估算方法求出了连杆材料在不同应力比下的疲劳极限。之后引入连杆表面粗糙度、硬度、应力集中等影响因子，对连杆疲劳极限进行二次修正，结合指数疲劳曲线理论绘制连杆的疲劳曲线图。联合静力学与动力学计算结果编制了汽车在匀速、循环变速、随机变速三种工况的疲劳载荷谱曲线。利用雨流计数的原理对应力谱进行统计分析，最终得到各工况下连杆的疲劳寿命。　　最终得到结论：发动机连杆与活塞的质量大小直接影响到发动机的功率输出，质量越大则惯性力就越大，会造成传递到曲柄上的燃气压力减小；最大压缩工况中，应力集中主要出现在连杆小头的圆角处。最大拉伸工况中，应力集中主要出现在连杆大头的内侧面；在转速达到3000r/min时连杆应力值最大且输出扭矩最大；连杆的疲劳强度都满足设计要求，但是在连杆小头倒圆角处余量较小，最容易发生疲劳破坏。各路况载荷下的疲劳寿命都满足金属无限寿命设计要求（>107），在一些变化比较大的随机载荷中，应该采用非线性加载理论来降低由加载顺序带来的偏差。
作者：	张文强
专业：	工程力学
导师：	马永斌
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州理工大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文