连杆螺栓的应力分析与疲劳寿命研究 - 文章

连杆螺栓的应力分析与疲劳寿命研究

作者：辽宁石油化工大学赵斌

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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。这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。使构件在有限长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。

图1 连杆螺栓的有限元模型

图2 连杆螺栓的应力密度云图

3 活塞连接杆的疲劳寿命计算

3.1 等效应力幅计算

Weibul1分布概率密度函数为：

式中：ξ为形状参数，根据结构所处的工作环境、结构的类型及动力性能，以及所考虑的构件在整个结构中的位置等因素来确定；σ为应力范围；σL为最大应力范围；NL为载荷谱的回复周期L期间内应力循环的总次数。

应力参数定义为：

式中：fL为应力范围作用的平均频率，fL=NL/L，L为回复周期；E(σ^m)为σ^m的期望值，m为参数。定义等效应力范围为：

由于假设疲劳应力范围长期分布服从Weibul1分布模型，根据识（1）的概率密度计算可得的σ^m期望值：

式中：Γ为伽玛函数。将式（4）代入（2）和（3）得到：

对于连杆活塞进行有限元分析得出应力集中点代入式（6）求出等效应力幅。

3.2 疲劳寿命的计算方法

3.2.1 Miner疲劳损伤理论的计算结果

根据Miner疲劳损伤累积理论，得出连杆活塞在等效应力幅作用下单次循环损伤量的计算公式：

式中：σ−1—连杆活塞材料的疲劳强度；
N—在σd作用下焦冷器转子的极限循环次数；
N0—对应疲劳极限的循环次数，一般N0=10⁷次；
k—材料的疲劳特性常数，对于钢结构k=5。

3.2.2 利用ANSYS软件疲劳分析模块计算

利用ANSYS软件可以在对连杆活塞进行应力分析的基础上对其进行疲劳分析，ANSYS进行疲劳计算时采用的方法为应力-寿命方法，疲劳分析模块可以方便快速的求出连杆活塞的疲劳寿命。

4 计算结果

利用Miner疲劳损伤理论和ANSYS软件分别对连杆活塞进行疲劳寿命计算，主要计算螺纹连接处和头部的应力集中点出。计算结果如表1所示。

表1 连杆活塞的疲劳寿命的计算结果

通过计算可以看到，利用两种方法计算所得到的结果是基本上一致的，取疲劳寿命的最小值作为标准，连杆活塞的疲劳寿命为17.5年，可以工程要求。

结论

（1）根据连杆活塞的实际工况，经过适当的简化建立有限元模型，利用ANSYS软件进行有限元分析，找出了其应力集中的位置，作为疲劳计算的依据。
（2）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的计算结果基本上是一致的。
（3）根据计算结果，可以知道连杆活塞的疲劳寿命是17.5年。该使用年限可以满足工程的实际要求。

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文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/3/2007)


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