连杆螺栓的应力分析与疲劳寿命研究

作者：佚名信息来源:无忧机械电子 2008-6-24

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摘要：连杆活塞是压缩机中最重要的零件之一，由于其工作环境恶劣，其疲劳破坏是不可避免的。首先利用ANSYS软件对其进行静力学分析，得出了连杆活塞的应力集中的位置，根据Weibul1分布概率密度函数计算了连杆活塞的等效应力幅。分别采用Miner疲劳损伤理论和ANSYS软件中的疲劳分析模块计算连杆活塞的疲劳寿命，通过计算结果表...

摘要：连杆活塞压缩机中最重要的零件之一，由于其工作环境恶劣，其疲劳破坏是不可避免的。首先利用ANSYS软件对其进行静力学分析，得出了连杆活塞的应力集中的位置，根据Weibul1分布概率密度函数计算了连杆活塞的等效应力幅。分别采用Miner疲劳损伤理论和ANSYS软件中的疲劳分析模块计算连杆活塞的疲劳寿命，通过计算结果表明两种方法的计算结果基本上是一致的。最后得到连杆活塞的疲劳寿命是17.5年。
关键词：连杆活塞；疲劳寿命；应力集中；ANSYS软件

前言

连杆螺栓是压缩机中最重要的零件之一。它承受很大的交变在载荷和几倍于活塞力的预紧力，它的断裂将造成严重的事故，它工作在反复受拉的恶劣环境中．且结构上不允许加大螺栓尺寸。就必须提高它的强度和抗拉疲劳性能。因此，连杆螺栓不仅要有足够的静强度，更重要的是要有较高的耐疲劳能力。

1 疲劳的基本理论

疲劳是指在某点或某些点承受交变应力，且在足断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程。由于交变载荷的作用，构件一开始使用就进入疲劳的发展过程，裂纹萌生和发展是这一发展过程中不断形成的损伤积累的结果。最后的断裂，标志着疲劳过程的终结。这一发展过程所经历的时间或交变循环载荷作用的次数，称为“寿命”。它不仅取决于载荷水平，还依赖于循环作用次数或时间，取决于材料抵抗疲劳破坏的能力。使构件在有限设计寿命内不发生疲劳破坏的设计，称为安全寿命设计方法(safe—life design)或有限寿命设计。材料的s— N 曲线和Miner积累损伤理论，是安全寿命设计的基础。当然，考虑到疲劳破坏的分散性等不确定因素，安全寿命设计应当具有足够的安全储备。

2 静态线性有限元分析

2.1 连杆螺栓有限元模型

根据连杆螺栓的结构特点，采用SOLID45单元进行网格划分，各应力集中的部位细分单元，共划分了13753单元，14708个节点。边界条件的设置严格按照实际工况设置。连杆螺栓螺纹部分受预紧力的作用，在其头部凹面处受三个方向上的约束作用。连杆螺栓的制造材料为38CrMoAIA，其屈服强度为850MPa，拉压疲劳强度为430MPa。其整个有限元模型如图1所示。图2显示了该模型在最大载荷下的计算结果，表明在此工况下，其最大等效应力仍在屈服极限下，整个构件仍处于线弹性变化范围，因此也决定了此构件的疲劳寿命分析处于高周疲劳问题。

2.2 疲劳校核点的选定

采用图1所示的有限元模型对连杆活塞进行结构静应力计算，按第三强度理论，得出如图2所示的结构应力密度分布云图。通过观察可知道在连杆活塞的螺纹连接处和其头部产生了应力集中。所以选择这些区域上应力密度最大的点进行疲劳寿命预测。