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某型星形活塞發(fā)動(dòng)機主連桿強度FEA分析

發(fā)布于:2024-03-19 22:07
FEA分析

      星形活塞發(fā)動(dòng)機由于具有單位體積功率大、比重量輕、壽命長(cháng)等特點(diǎn),是航空教練機及個(gè)人用小型飛機、競技飛機的主要動(dòng)力裝置之一。該發(fā)動(dòng)機對主要承力零部件的疲勞強度設計要求較高。某型九缸航空星形活塞發(fā)動(dòng)機工作如圖1所示,其主連桿作為主要的功率輸出和受力部件,疲勞強度是否滿(mǎn)足設計要求,將直接影響發(fā)動(dòng)機的使用壽命。
      傳統的內燃機設計中,對主連桿桿身強度分析主要考慮兩個(gè)工況:即桿身最大拉應力工況最大爆發(fā)壓應力工況。最大拉伸應力發(fā)生在出力最大往復慣性力時(shí),即在排氣過(guò)程的上止點(diǎn)附近;最大爆發(fā)壓應力發(fā)生在做功沖程中出現最大燃今作用力時(shí),一般認為是在壓縮過(guò)程的上止點(diǎn);钊l(fā)動(dòng)機主連桿受力更為復雜,其主副連桿機構上氣缸數較多(一般為5,7,9等奇數),副缸的作用將在主連桿上合成一個(gè)彎矩。由于該彎矩的方向在一個(gè)工作循環(huán)過(guò)程中方向會(huì )改變兩次,因此主連桿承受交變疲勞載荷。若連桿設計或加工不當則可能導致主連桿桿身發(fā)生疲勞失效。星形活塞發(fā)動(dòng)機連桿機構的受力和運動(dòng)較復雜、由于主連桿與曲柄銷(xiāo)及活塞銷(xiāo)之間的運動(dòng)副及副連桿與主連桿之間的運動(dòng)副構成多個(gè)接觸邊界,計算時(shí)不易處理。主連桿的受力除了來(lái)自副連桿的作用外,還有自身的旋轉慣性載荷和往復慣性載荷。本文針對某型號九缸航空星形活塞發(fā)動(dòng)機在工作過(guò)程中,主連桿桿身與大頭的圓弧過(guò)渡部分發(fā)生疲勞失效問(wèn)題,采用運動(dòng)學(xué)方法確定主連桿承受最大附加彎矩工況,并運用商業(yè)有限元分析軟件ANSYS提供的接觸單元模擬主連桿與曲柄銷(xiāo)以及活塞銷(xiāo)之間的運動(dòng)副,對主連桿進(jìn)行多體接觸的三維有限元FEA分析,為該型主連桿的疲勞失效原因分析及改進(jìn)設計提供了重要參考依據。
      某型航空活塞發(fā)動(dòng)機的連桿機構型式為九缸九連桿星形主副連桿式曲柄連桿機構。圖2為主副曲柄連桿機構的運動(dòng)分析簡(jiǎn)圖。其中,AB為主連桿,長(cháng)度L; CD為副連桿,長(cháng)度l; B為曲柄銷(xiāo)中心;C為主連桿與副連桿聯(lián)接銷(xiāo)中心;BC長(cháng)為副連桿凸耳半徑;OB為曲柄旋轉半徑,OB為主、副氣缸中心線(xiàn)夾角為關(guān)節角,本算例中a為主連桿曲柄轉角;a為副連桿曲柄轉角;乃和乃分別為為主、副連桿擺角。主連桿的運動(dòng)規律為中心曲柄連桿機構(三鉸鏈機構)。
      連桿運動(dòng)時(shí)產(chǎn)生往復慣性力和旋轉慣性力慣性力的大小與活塞連桿組的慣性質(zhì)量、發(fā)動(dòng)打轉速、曲柄旋轉半徑等有關(guān)。主、副連桿往復慣恒力的方向均沿氣缸軸線(xiàn)方向。
      氣缸的爆發(fā)壓力通過(guò)活塞作用于連桿活塞頭,其大小隨時(shí)間變化,方向為氣缸軸線(xiàn)方向,與缸爆發(fā)壓力。
      主連桿活塞頭同時(shí)受爆發(fā)壓力、和往復慣性力,作用,其旋轉慣性力方向沿連桿軸線(xiàn)方向,可沿氣缸軸線(xiàn)進(jìn)行分解,與主連桿活塞頭類(lèi)似,副連桿活塞頭也可以作類(lèi)似處理,可得到副連桿活塞頭合力。在副連桿軸線(xiàn)方向上的分力作用在主連桿銷(xiāo)C處(圖2),對主連桿大頭中心B點(diǎn)作用一力矩因此,g個(gè)副連桿對主連桿任一截面的合力矩。
      圖3為一個(gè)周期內,主連桿發(fā)生失效的截面最大彎曲應力隨主連桿轉角a的變化曲線(xiàn)。由圖可知,當主連桿轉角為283°時(shí),主連桿上拉應力最大,由于主連桿活塞頭氣體爆發(fā)力對主連桿產(chǎn)生壓應力,可見(jiàn)主連桿承受的最大拉應力主要來(lái)自附加彎矩的影響。
      連桿計算的復雜性在于主連桿與副連桿、曲軸為一個(gè)非線(xiàn)性的彈性接觸問(wèn)題。
      第2節中分析得出主連桿所受附加彎矩的箭大工況將作為有限元分析所考慮的實(shí)際工況。本文采用商業(yè)有限元分析軟件ANSYS,對主連相進(jìn)行接觸邊界條件的有限元計算。
      整體結構的連桿組比較復雜,包括主連桿相身、活塞、活塞環(huán)、活塞銷(xiāo)、活塞銷(xiāo)卡環(huán)、大頭蓋、遵桿軸瓦、襯套、螺栓、銷(xiāo)等零件。本次計算主要考庭的對象是主連桿桿身,因此在建模時(shí),對局部結杠做了適當簡(jiǎn)化。


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