付贵　郭湘川

摘要：连杆是航空发动机中一个重要的传力零件，由于它承受的是变载荷，容易疲劳损坏，所以对其强度有很高的要求。本文以某型发动机连杆为研究对象，首先对连杆进行了受力分析，确定了连杆两种极限受力状态。文章通过Solidworks对连杆进行三维建模，然后再导入Ansys Workbench 有限元分析软件进行分析，得到应力分布云图，找出的危险位置，为连杆强度设计分析提供理论依据。

关键词：航空发动机；Workbench；连杆；应力分析

连杆是航空活塞发动机中一个重要的传力零件，它用于连接活塞与曲轴，将活塞的往复直线运动转化成曲轴的旋转运动。发动机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，这些受力不仅有大小的变化，而且还有方向的变化[1]。由于连杆承受了变载荷，连杆就容易产生疲劳断裂。本文首先对连杆进行了受力分析，找出了连杆所受最大拉力和压力的位置并确定了最大拉伸和压缩两种有限元模型。利用Solidworks对连杆进行三维建模，再导入Ansys Workbench中进行有限元分析，最终得到应力分布云图，找出的危险位置，为连杆强度设计分析提供理论依据。

1 连杆载荷受力分析

连杆的运动机构是一个曲柄滑块机构，活塞直线运动通过连杆带动曲轴的旋转运动，连杆运动简图如图1所示。图中：l—连杆长度，x—活塞位移，S—活塞行程，a—曲柄转角，β—连杆摆角，r—曲柄半径。

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[2]。

燃气爆发力Fg为：

Fg=（Pg-Pa）×πd24（1）

式中：Pg为气体压力，d为气缸直径。

活塞的往复惯性力为：

Fj=mjrw2（cosa+λcos2a）（2）

则作用在连杆上的力FL为：

FL=（Fg+Fj）/cosβ（3）

经过以上分析可知连杆连杆在运动过程中主要受爆发力和惯性力作用，当爆发力和惯性力分别最大的时候会出现两种工况，

即最大压缩和拉伸。最大压缩发生在发动机曲轴转到250时，如图1中活塞到达上止点附近时会出现最大燃气压约为 500psi，代入公式（1）得出连杆上的爆发力为 50632N。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，代入公式（2）可求出作用在连杆上的惯性力为 6652N[3]。

2 有限元强度分析

（1）建立连杆有限元模型。为了降低网格划分难度和提高分析效率，此次分析简化了一些对分析没有影响的特征，具体是去掉了对应力分析影响不大的孔类特征，将连杆与连杆盖作为一个整体分析，这样就减去了螺栓的连接。简化建模如图2所示。

（2）ANSYS前处理。

本文连杆用智能网格划分，网格质量等级用FINE，分析单元采用实体单元。查飞机手册可知连杆的的材料为45#钢，材料密度为7.85×103kg/m3，弹性模量为 2.0×1011MPa，泊松比为0.3。在设置边界条件时，对连杆小头内表面约束，控制了其移动自由度，给连杆大头施加最大拉伸和最大压缩两种情况的力，分别进行两次运算。

2.3 处理结果分析

连杆处在最大拉伸和最大压缩时分析的结果如图3、4所示。根据分析结果可知

，最大拉伸时候的最大的应力出处在连杆盖的螺栓連接部分，应力大小为47.225Mpa。

连杆处在最大压缩的时候最大应力出现在接近连杆小头的部分，应力大小298.37Mpa。

查机械设计手册可知材料40#钢的屈服强度1.96GPa，此时连杆在两种情况所受的应力都远小于材料强度，故此连杆强度足够，不会受到破坏。

3 结论

本文通过对连杆的受力分析，确定了连杆两种最大受力的情况，利用Ansys Workbench 对连杆的两种极限受力情况进行有限元分析。由计算出来的应力云图可知

两种状态下的最大应力都远小于连杆材料的屈服强度，符合强度设计要求。

参考文献：

[1]侯献军，方丹，巩学军.LJ276M 汽油机连杆静强度三维有限元分析[J].小型内燃机与摩托车，2010（4）：3235.

[2]王晓云，原思聪，罗丹.基于AWE的485Q 型柴油机连杆的优化设计[J].煤矿机械，2010（31）：3941.

[3]王裕林.基于AWE的发动机连杆有限元分析[J].机械设计与制造，2013（7）：224226.

作者简介：付贵（1990），男，湖南益阳人，工学硕士，研究方向：机械设计与制造，飞行器制造工程。