【技术揭秘】连杆强度分析流程全解析

一、前言

在进行连杆强度分析 过程中，边界条件如何设置往往会给工程师带来困惑，比如连杆螺栓预紧力、轴瓦过盈力应该什么时候加载，连杆大小头工作时的载荷、旋转惯性力应该以什么样的方式加载等。所以本次技术贴就为大家详细介绍一下AVL针对连杆强度分析所提供的标准流程。

二、仿真流程

在上述边界中，螺栓预紧力、轴瓦过盈力都较为容易的获取与加载，而连杆大小头的工作载荷以及惯性载荷就需要借助EXCITEPower Unit （以下简称EPU）进行多体动力学仿真来提取。需要注意的是螺栓预紧以及轴瓦过盈力会对轴承孔的型线产生影响，从而影响其在多体仿真时的载荷分布，所以在初期需要进行一轮静强度的计算将大小头轴承孔的变形量提取出来导入到EPU模型当中。

强度校核所选用的网格尺寸尤其是在过度圆角等容易产生应力集中的位置需要做加密处理，以保证能准确仿真应力梯度的变化，所以网格通常较为精细，节点数较多。但是如果采用这套精细网格进行多体动力学分析，那么在前处理如缩减过程中将会导致计算时长的大幅增加，而对于动力学计算结果却不会有太大影响。所以，为了保证计算效率，一般建议动力学计算采用一套节点数量较少、网格较粗的有限元模型。动力学仿真结果主要受结构体质量和刚度影响，而精细化的有限元模型与“粗糙”模型的整体刚度和质量差异较小，故可实现替代。

在完成了EPU的仿真计算之后，通过压力映射的方法即可将连杆的工作载荷映射到“粗糙”网格上，或通过数据恢复的方式快速进行瞬态应力分析与疲劳强度计算，就可得到当量应力曲线。查找当量应力最大与最小载荷步，采用同样的手段将这两个载荷步的连杆工作载荷映射“精细”网格中，再叠加上螺栓预紧力与轴瓦过盈力，即可得到最终的连杆应力与强度结果。

三、多体动力学模型设置

在进行连杆EPU多体模型搭建过程中，为得到准确的连杆大小头工作载荷，需采用EHD连接副 进行仿真获取。在EHD连接副的使用中，连接表面必须为四边形网格，所以对应的网格处理有以下两种建议；1. 将轴瓦与连杆本体网格分开划分，本体使用四面体网格，轴瓦可划分为六面体网格，之后将轴瓦与连杆接触面的节点处理为共节点或通过Tie的方式连接。

2. 将轴瓦与连杆本体一并划分为四面体网格，之后再轴瓦表面Tie上一层厚度极小如0.0001mm的四边形膜单元。

此外，连杆在装配完成后，采用静力学分析计算出螺栓预紧与轴瓦过盈的导致的轴承孔变形作为仿真边界导入到EXCITE当中。

这些准备工作完成之后，选取试验测试工况或者所需校核的工况提交计算即可。本次案例所采用的模型为软件自带安装例子104_Conrod，计算工况为3000rpm_Fullload。

四、结果映射

经过EHD分析计算，可得到连杆大小头的粗糙接触压力、液动接触压力以及接触总压等载荷结果。如下图：

之后要做的就是将这部分载荷映射到有限元网格上，软件提供了压力映射的接口可将载荷施加到连杆大头与小头表面。映射的方法提供了两种可选，一种为映射到相对应网格的节点上，此种方法映射的为压力；另一种为映射到单元上，该方法映射的是压强。两种方法均可使用，但无论使用哪种方法，所映射的载荷类型都是轴瓦表面的接触总压。除此之外，还需要将连杆工作时的旋转惯性力和重力一并施加上。提交计算即可获取连杆在720°整个工作循环下的动态应力结果。因为这一步的目的是为了计算连杆的应力，所以也可以在前处理连杆缩减的步骤保留连杆的表面模态恢复矩阵，在计算完成后直接采用模态数据恢复的方法得到连杆整个工作过程的应力分布结果。

五、载荷步确认

将该连杆的应力结果导入到疲劳软件中进行分析提取最大等效应力与最小等效应力所对应的载荷步。以下以FEMFAT 为例进行计算，计算结果如下图：

可以看到当量应力最大的载荷步为371°位置，当量应力最小载荷歩0°位置。

六、最终歩载荷施加

在经历了前期的一系列准备工作之后，可以进行最终的疲劳校核步骤。根据上述分析确认的最大最小当量应力载荷步，将371°与0°对应的载荷映射到强度网格上，同时再把螺栓预紧与轴瓦过盈添加到分析歩中。提交计算即可得到连杆的应力结果。

七、疲劳校核

进一步在FEMFAT中提交，即可得到最终可供校核的连杆安全系数结果。

八．总结

以上就是连杆强度校核的完整分析流程。可以看到，该校核流程的优点在于一方面考虑了轴承孔变形对工作载荷分布的影响；另一方面在对连杆大小头处进行应力计算时，载荷是以分布载荷的方式施加，除此之外连杆运动过程中的惯性载荷也考虑到了在内，最终保证了计算结果的准确性。而上述流程中是在分析工况确定的情况下进行校核，而在临界工况未知的情况下，那么可进行对各转速与负荷率工况进行多体动力学仿真，按照上述流程再从中找到连杆工作期间最恶劣的载荷工况，再对其进行强度校核。