发动机连杆应力疲劳分析结果

对发动机连杆进行疲劳分析。如图9-45所示，对连杆大头的两个螺栓孔采用径向约束，对连杆小头的活塞销孔采用全约束。

载荷的幅值F为4500N，为恒幅全循环载荷，平均载荷为0。图9-46中，纵轴表示交变载荷幅值的倍数，横轴表示时间。需要注意的是，这里的时间并没有瞬态载荷时间历程中时间的意义，因为进行疲劳分析采用静力学的分析结果，应力时间历程采用准静态法进行计算。

1.建立疲劳分析项目

首先启动ANSYS Workbench，建立一个静力学分析流程，另存项目名称为Conrod-fatigue.wbpj，如图9-47所示。

2.导入几何模型

用鼠标左键单击选择A3—Geometry，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择Import Geom-

图9-45 连杆的约束与受力

图9-46 交变载荷F

图9-47 建立疲劳分析项目

etry﹥Browse，在弹出的对话框中选择随书光盘中的文件ConRod.xt。

单击菜单Units﹥Metric（kg，m，s，℃，A，N，V），改变单位为Metric（kg，m，s，℃，A，N，V），如图9-48所示。

图9-48 改变单位制

3.确认材料特性

双击B2—Engineering Data，打开材料特性数据库。选择Structural Steel，在材料特性窗口中选择Alternating Stress Mean Stress，如图9-49所示。

图9-49 查看材料的疲劳特性

这时出现结构钢Structural Steel的疲劳特性，即S-N曲线和对应的数据表，如图9-50所示。

图9-50 结构钢Structural Steel的疲劳特性

单击工具栏上的按钮，系统返回到ANSYS Workbench主界面，如图9-47所示。

双击A4—Model，启动ANSYS Workbench Mechanical。用鼠标左键单击选择模型树中的Geometry﹥Solid，在细节窗口单击Assignment右侧的箭头按钮“﹥”，选择Q235，如图9-51所示。

图9-51 确认几何模型的材料特性

4.建立有限元模型

（1）施加载荷/约束

用鼠标右键单击模型树中的Modal（A5），在弹出的菜单中选择Insert﹥Force，单击工具栏上的拾取工具按钮，然后选择连杆大头端面，最后单击细节窗口中的Apply按钮，在detail窗口将载荷定义方式Define by Vector改成Components，并设置Z=-4500N，如图9-52所示。

图9-52 定义载荷方向及其大小

用鼠标右键单击模型树中的Modal（A5），在弹出的菜单中选择Insert﹥Cylindrical Sup-port，单击工具栏上的拾取工具按钮，选择连杆大头的两个螺栓孔，最后单击细节窗口中的Apply按钮，在细节窗口设置Radial=“Fixed”，Axial=“Free”，Tangential=“Free”，如图9-53所示。

图9-53 在连杆大头螺栓孔施加圆柱约束

在活塞销孔施加固定支撑，如图9-54所示。用鼠标右键单击模型树中的Modal（A5），在弹出的菜单中选择Insert﹥Fixed Support，单击工具栏上的拾取工具按钮，选择连杆大头的两个螺栓孔，最后单击细节窗口中的Apply按钮。(www.xing528.com)

（2）定义分析结果

用鼠标右键单击模型树中的Solution（A6），在弹出的菜单中选择Insert﹥Stress﹥Equiva-lent（von Mises）。

用鼠标右键单击模型树中的Solution（A6），在弹出的菜单中选择Insert﹥Deformation﹥Total。

图9-54 在活塞销孔施加固定支撑

用鼠标右键单击模型树中的Solution（A6），在弹出的菜单中选择Insert﹥Fatigue﹥Fatigue Tool。

在Details of“Fatigue Tool”窗口定义疲劳强度因子（Fatigue Strength Factor，K_f）为0.8（描述的材料数据表示在役构件相对光滑试件疲劳强度下降系数），定义载荷为对称循环载荷（Fully Reversed Loading），以建立交变应力循环；定义疲劳分析方法为应力寿命疲劳分析，由于Fully Reversed Loading平均应力为0，所以不需要对平均应力进行修正；定义Von Mises应力为疲劳寿命计算参数。Fatigue Tool疲劳分析设置细节窗口如图9-55所示。

图9-55 定义疲劳分析计算参数

接下来向Fatigue Tool添加结果：插入“Safety Factor”（安全系数）。

用鼠标右键单击模型树中的Fatigue Tool，在弹出的菜单中选择﹥Insert﹥Fatigue﹥Safety Factor，在Details of“Safety Factor”窗口设置设计寿命Design Life为10⁶循环次数，如图9-56所示。

插入疲劳敏感性分析结果“Fatigue Sensitivity”，用鼠标右键单击模型树中的Fatigue Tool，在弹出的菜单中选择Insert﹥Fatigue﹥Fatigue Sensitivity，在细节窗口（Details of Fatigue Sensitivity）中定义最小基本载荷变化幅度为50%（交互应力为2250N）和一个最大基本载荷变化幅度200%（交互应力为9000N），如图9-57所示。

图9-56 定义设计寿命

图9-57 定义载荷变化范围

向Fatigue Tool添加双轴分析结果，用鼠标右键单击模型树中的Fatigue Tool，在弹出的菜单中选择Insert﹥Fatigue﹥Biaxiality Indication。

用鼠标右键单击模型树中的Modal（A5），在弹出的菜单中选择Solve，进行求解。

5.查看分析结果

用鼠标左键单击模型树中的Equivalent Stress，等效应力结果如图9-58所示。

用鼠标左键单击模型树中的Total Deformation，总体变形分析结果如图9-59所示。

图9-58 等效应力计算结果

图9-59 变形分析结果

查看对于设计寿命为10⁶的循环次数的安全系数（Safety Factor），用鼠标左键单击模型树中的Safety Factor，安全系数计算结果如图9-60所示。

查看敏度分析结果，用鼠标左键单击模型树中的Fatigue Sensitivity，敏度计算结果如图9-61所示。从图中可以看出，当疲劳载荷增加100%时，疲劳寿命缩小80%。

图9-60 安全系数计算结果

图9-61 敏度分析结果

查看双轴指示结果Biaxiality Indication（图9-62）。用鼠标左键单击模型树中的Biaxiality Indication。注意：接近危险区域的应力状态接近单轴（0.1～0.2），因为材料特性是单轴的。Biaxiality为0，应力状态与单轴应力一致；为-1时，为纯剪切；为1时，为纯双轴状态。

图9-62 双轴指示结果