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作為發(fā)動(dòng)機(jī)用連桿螺栓，其工作環(huán)境惡劣，承受著交變載荷的影響，經(jīng)常處于疲勞應(yīng)力狀態(tài)。由于其尺寸受到限制，設(shè)計(jì)或加工處理不好，都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，導(dǎo)致出現(xiàn)疲勞裂紋乃至斷裂。因此，除一般的力學(xué)性能要求外，還對(duì)其抗疲勞性能有較高的要求。事實(shí)上，在對(duì)連桿螺栓進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)了循環(huán)近次后斷裂的現(xiàn)象，而其疲勞壽命要求的循環(huán)次數(shù)為次。針對(duì)該連桿螺栓出現(xiàn)的早期疲勞斷裂問題，利用軟件進(jìn)行有限元分析，試圖找出其斷裂的真正原因所在，為改進(jìn)設(shè)計(jì)及加工工藝提供理論依據(jù)。
考慮到連桿螺栓的滾絲工藝是在熱處理工藝之后完成的，使螺紋處得到了強(qiáng)化，故可完全忽略螺紋的影響。為更好地模擬螺栓的實(shí)際工作情況，在螺栓上裝配了螺母，并忽略螺紋的影響，將螺栓和螺母視為一個(gè)整體來(lái)建立幾何模型。
由于該連桿螺栓的頭部為六棱柱形，故建立實(shí)體模型。經(jīng)反復(fù)實(shí)踐后，選擇三維10節(jié)點(diǎn)四面體單元，在劃分網(wǎng)格時(shí)采用智能劃分，精度認(rèn)為6。
在理論上，在螺栓與螺母的緊合面上，允許有平行于緊合面方向的位移。但在分析中，將螺栓與螺母作為一個(gè)整體來(lái)考慮，因此對(duì)螺栓的頭部施加了UX，UY，UZ方向的約束。運(yùn)行過程中連桿螺栓承受著交變載荷，視為分布在螺母表面上的面載荷，其中最大載荷為167MPa，平均載荷為167MPa，最小載荷為92。對(duì)應(yīng)于最大載荷的連桿螺栓應(yīng)力分布見圖。
完成材料的應(yīng)力壽命曲線、應(yīng)力集中系數(shù)的設(shè)定，并手工輸入不同載荷下的6個(gè)應(yīng)力分量以及循環(huán)次數(shù)后，系統(tǒng)可計(jì)算出耗用壽命系數(shù)。一般來(lái)說，如果該值小于6，則表明在經(jīng)受給定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，該點(diǎn)不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)目標(biāo)循環(huán)次數(shù)為次時(shí)，其耗用命系數(shù)為5，即實(shí)際可循環(huán)的次數(shù)為6次。
由SOFIM連桿螺栓的靜力學(xué)分析結(jié)果可以看出，應(yīng)力最大的地方出現(xiàn)在桿部與頭部的過渡圓弧處。由此可以斷定如果該連桿螺栓出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，則斷裂處必將在此連桿螺栓桿部與頭部的過渡處。而疲勞分析的結(jié)果則表明，在規(guī)定的循環(huán)次數(shù)7內(nèi)，連桿螺栓將在循環(huán)次數(shù)為7時(shí)出現(xiàn)斷裂。可見，有限元分析的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，同時(shí)驗(yàn)證了所建立有限元模型的正確性。
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