基于AWE的发动机连杆有限元分析

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连杆是航空发动机组成的重要传动零件之-，它的作用是连接活塞与曲轴，将活塞的往复直线运动转化成曲轴的旋转运动并输出。在膨胀行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并通过曲轴对外输出动力，而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。工作时连杆承受混合气体的爆发力、摆动惯性力和往复惯性力的作用，其受力不仅有大小的变化，而且有方向的变化 在复杂的交变载荷的作用下，连杆容易发生疲劳断裂，失效的连杆会撞坏发动机内部机件从而导致整个发动机失效。利用 Pro/E建立发动机连杆的三维模型，然后利用 ANSYSWORKBENCH对连杆受到最大拉伸和最大压缩两种工况进行有限元分析，计算得到连杆的应力云图，找到连杆的危险位置，为连杆失效分析提供理论依据。

2连杆有限元模型的建立2.1 PR(3/ENGINEER建立三维模型采用 PRO/ENGINEER对发动机连杆进行三维建模，如图 1所示。连杆组件包括连杆体、衬套、轴瓦、连杆盖、螺栓等，为了更好的模拟连杆在工作过程中的受力与变形，简化三维模型是有必要的～连杆体与连杆盖看为-整体，不考虑螺栓的联接与衬套、轴瓦与连杆的接触。

图 1连杆的三维模型Fig.1 Three-Dimensional Model of Connecting Rod22有限元模型的建立将连杆的Pro/E模型导人到ANSYS WORKBENCH中。连杆材料为 45#钢，密度7850。弹性模量， 白松比0.24，抗拉强度600MPa，屈服强度355MPa。网格划分采用智能网格划分法，采用solid45单元嘲，精度为三级，如图 2所示。

来稿日期：2012-09-10基金项目：中国民用航空飞行学院青年基金项目(Q20I1-87)作者简介：王裕林，(1986-)，男，江西吉安人，工学硕士，助理工程师，主要研究方向：机械设计及制造第7期 王裕林：基于AWE的发动机连杆有限元分析 225图2连杆的网格划分Fig.2 Mesh of Connecting Rod3有限元分析3.1连杆载荷受力分析连杆长度 l为 6.7490英寸，曲柄半径 r为 2.1875英寸，行程S为4.375英寸，气缸内径 d为 5.125英寸，气缸工作容积 为361.0立方英寸，额定马力 180，曲轴转速 n为 2400r/min，连杆重量 为 2.3938磅，活塞组件重量 m，为 4.0625磅，活塞面积为1 9.635平方英寸131。

图 3曲柄连杆机构简图Fig.3 Mechanism Diagram of Crank Connecting Rod图中：H 奎杆长度；扩-活塞位移；S-活塞行程；曲柄转角；- 连杆摆角；r- 曲柄半径3.1.1运动分析由图 3的运动简图及曲柄连杆机构运动规律可推得活塞的运动方程式为141：- ，[1争-(c。s COS2 )]，其中，A手o-3241 (1)3.1.2连杆力计算连杆在工作过程中需要承受通过活塞传递的燃气爆发力、往复运动质量的惯性力以及由于自身摆动所产生的惯性力 。

燃气爆发力：( )×孚 (2)式中： -气缸气体压力，曲轴箱内的气体压力即大气压0.1MPa；d-气缸直径。

活塞组的往复惯性力：FimlFO)(cosaAcos2a) (3)作用在连杆上的力： 。

F ( )/co (4)32计算工况及载荷施加3.2.1连杆受到最大压缩的工况根据发动机台架试验选取的试验工况为：在转速为 2400r/min时气缸压力随曲轴转角的变化曲线如图四所示，当曲轴转角为25。 时 ，气缸内燃料的燃烧能使缸内压力达到500psi，即发生在做功冲程上止点附近出现最大燃气压约为 500psi，根据公式(4)可求出作用在连杆上的力为 50719N。

3.2.2连杆受到最大拉伸的工况由式(5)与气缸燃气压力与曲轴转角关系图，如图4所示。

连杆受到最大拉伸应力发生在出现最大往复惯性力时，即在吸气过程开始时的上止点附近，根据式(3)可求出作用在连杆上的拉力为 6652N。

曲轴转角图4气缸燃气压力与曲轴转角关系图Fig.4 Relation Diagram of Cylinder GasPressure and Crank Angle3.3边界约束条件因为连杆本身并不存在约束，所以要引人位移边界条件。采用了对连杆小头面约束，控制了其移动自由度171。

3.4计算结果及分析从计算分析结果可知，连杆在受压工况承受到最大应力为132.9MPa，发生在小头与凹槽的倒角面上，最小应力发生在连杆盖上某处，如图5所示。连杆在横向伸长，纵向被压缩，最大位移为 5.98x10-2mm，沿大头到小头应变逐渐变小，符合应变理论，如图 6所示。连杆在压缩工况承受到最大应力为 42.3MPa，发生在大头与连杆盖联接处的内侧表面，最小应力发生在小头某处，如图7所示。连杆在横向压缩，纵向被伸，最大位移为 2.97x10-2mm，沿小头到大头应变逐渐变大，符合应变理论，如图8所示。