基于应力强度因子的发动机连杆裂解力数值模拟分析
发布时间：2021-11-18 21:24
目的为获得合适的裂解力,以某款轿车发动机连杆为研究对象,应用扩展有限元法（Extended Finite Element Method,XFEM）对裂解工艺中的裂解力进行计算分析。方法根据部件的实际尺寸建立预制初始微裂纹条件下的连杆裂解有限元模型,确定相关的材料参数,并进行有限元网格划分,确定部件之间的约束类型。以应力强度因子大于材料断裂韧度,裂纹即扩展为依据,反复试算得出应力强度因子达到断裂韧度时的裂解力,进而通过大量计算和数据拟合得出初始微裂纹长度与裂解力之间的关系。分析裂解力对塑性区的影响,为裂解力阈值确定给出参考。结果当裂解力能够满足裂解工艺要求时,预制的初始微裂纹长度应尽可能小。结论最为理想的裂解力为材料断裂韧度对应的裂解力。文中提出的分析方法也适合于求解各类连杆的裂解力。
【文章来源】：装备环境工程. 2019,16(03)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
连杆裂解加工原理
·108·装备环境工程2019年3月图2位于网格内任意位置的裂纹,sin,cos,sinsin,sincos2222rrrrr(3)1.3有限元模型的建立连杆材料为高碳合金钢C70S6，其裂解槽几何参数和材料参数见表1。在裂解过程中，连杆小头端、杆身几乎不产生变形和位移，在有限元分析过程中可以忽略。由于直切口连杆关于主轴中心对称，因此建立大头端的1/2模型进行分析。结构圆角对连杆裂解过程几乎不产生影响，因此在建模中简化。通过静力分析求解裂解力及裂解力的影响因素，因此未考虑加载时的动态冲击。分析过程中，载荷直接通过多点约束（MPC，Multi-pointsconstraint）施加在连杆盖上[15]。表1裂解槽几何特征参数裂解槽几何参数大头孔直径/mm大头孔厚度/mm裂解槽张角2α/(°)裂解槽深/mm曲率半径/mm数值41.817.9900.60.2材料参数弹性模量/GPa泊松比断裂能/(N·m1)抗拉强度/MPa断裂韧度/(MPa·m1/2)数值2100.37700094539.74定义分析选项时，采用几何非线性计算裂纹扩展速率和路径。计算应力强度因子时，设定裂纹不扩展，应不考虑几何非线性。设置裂纹类型为XFEM裂纹，计算裂纹扩展速率及路径时可扩展，计算应力强度因子时不可扩展。连杆断裂剖分时，由于微裂纹于切口根部萌生，同时发生小范围屈服，为精确分析塑性区范围，需细化切口附近网格。根据上述特点，将连杆大头端划分为裂纹区与非裂纹区，连杆模型区域划分情况如图3所示。预制初始裂纹附近区域网格采用8节点六面体单元C3D8R，有限元模型单元总数约为56万，裂纹附近区域网格数大于45万，?
此杀?断裂能/(N·m1)抗拉强度/MPa断裂韧度/(MPa·m1/2)数值2100.37700094539.74定义分析选项时，采用几何非线性计算裂纹扩展速率和路径。计算应力强度因子时，设定裂纹不扩展，应不考虑几何非线性。设置裂纹类型为XFEM裂纹，计算裂纹扩展速率及路径时可扩展，计算应力强度因子时不可扩展。连杆断裂剖分时，由于微裂纹于切口根部萌生，同时发生小范围屈服，为精确分析塑性区范围，需细化切口附近网格。根据上述特点，将连杆大头端划分为裂纹区与非裂纹区，连杆模型区域划分情况如图3所示。预制初始裂纹附近区域网格采用8节点六面体单元C3D8R，有限元模型单元总数约为56万，裂纹附近区域网格数大于45万，占总网格的数80%以上。根据实际情况确定其边界条件和约束。在相互作用模块创建耦合约束，在耦合点加载集中作用力，集中作用力垂直于预定断裂面加载，对称面上施加对称约束。连杆裂解时，连杆小头固定，连杆大头在动套的作用下使连杆盖与连杆体沿预制裂解槽裂解分离，因此在大头截断处施加位移约束，如图4所示。采用静力分析裂纹区域的应力强度因子，并与材料断裂韧度进行对比，通过反复试算最终得到材料断裂韧度对应的裂解力。图3连杆模型网格划分情况图4载荷及边界条件定义2计算结果及分析2.1初始微裂纹长度与连杆裂解力的关系断裂力学中，应力强度因子K用于描述外力和裂纹尺寸的几何效应，可概括为：KYπa(4)式中：a代表裂纹特征尺寸；代表外力场；Y为几何形状因子，描述裂纹及结构几何的作用。KI存在阈值KIC，KIC为断裂韧度。一定条件下，KIC为关于材料的常数，可由试验测定，K
【参考文献】：
期刊论文
[1]扩展有限元法在裂纹扩展问题中的应用[J]. 底月兰,王海斗,董丽虹,邢志国,王晓丽. 材料导报. 2017(03)
[2]36MnVS4连杆裂解加工模拟及缺陷分析[J]. 寇淑清,宋玮峰,石舟. 吉林大学学报(工学版). 2017(03)
[3]连杆裂解起裂及三维裂纹扩展分析[J]. 寇淑清,杨宏宇,赵勇,杨慎华. 内燃机工程. 2013(S1)
[4]基于ABAQUS的连杆疲劳分析[J]. 谈梅兰,武国玉,梁福祥. 中国机械工程. 2013(05)
[5]结构不对称对斜切口连杆裂解影响分析[J]. 赵勇,杨慎华,寇淑清,金文明. 内燃机学报. 2012(02)
[6]电火花线切割加工连杆裂解槽技术研究[J]. 刘晓宁,唐勇军,张永俊. 中国机械工程. 2010(10)
[7]连杆裂解加工力参数数值分析[J]. 张志强,金文明,杨慎华,赵勇,郑祺峰. 吉林大学学报(工学版). 2009(04)
[8]连杆裂解加工数值分析[J]. 张志强,杨慎华,寇淑清. 内燃机工程. 2006(03)
[9]内燃机连杆有限元分析进展[J]. 谈卓君,左正兴,张儒华. 中国机械工程. 2004(04)
[10]裂解工艺——发动机连杆制造最新技术[J]. 寇淑清,杨慎华,邓春萍,金文明. 中国机械工程. 2001(07)
本文编号：3503635
【文章来源】：装备环境工程. 2019,16(03)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
连杆裂解加工原理
·108·装备环境工程2019年3月图2位于网格内任意位置的裂纹,sin,cos,sinsin,sincos2222rrrrr(3)1.3有限元模型的建立连杆材料为高碳合金钢C70S6，其裂解槽几何参数和材料参数见表1。在裂解过程中，连杆小头端、杆身几乎不产生变形和位移，在有限元分析过程中可以忽略。由于直切口连杆关于主轴中心对称，因此建立大头端的1/2模型进行分析。结构圆角对连杆裂解过程几乎不产生影响，因此在建模中简化。通过静力分析求解裂解力及裂解力的影响因素，因此未考虑加载时的动态冲击。分析过程中，载荷直接通过多点约束（MPC，Multi-pointsconstraint）施加在连杆盖上[15]。表1裂解槽几何特征参数裂解槽几何参数大头孔直径/mm大头孔厚度/mm裂解槽张角2α/(°)裂解槽深/mm曲率半径/mm数值41.817.9900.60.2材料参数弹性模量/GPa泊松比断裂能/(N·m1)抗拉强度/MPa断裂韧度/(MPa·m1/2)数值2100.37700094539.74定义分析选项时，采用几何非线性计算裂纹扩展速率和路径。计算应力强度因子时，设定裂纹不扩展，应不考虑几何非线性。设置裂纹类型为XFEM裂纹，计算裂纹扩展速率及路径时可扩展，计算应力强度因子时不可扩展。连杆断裂剖分时，由于微裂纹于切口根部萌生，同时发生小范围屈服，为精确分析塑性区范围，需细化切口附近网格。根据上述特点，将连杆大头端划分为裂纹区与非裂纹区，连杆模型区域划分情况如图3所示。预制初始裂纹附近区域网格采用8节点六面体单元C3D8R，有限元模型单元总数约为56万，裂纹附近区域网格数大于45万，?
此杀?断裂能/(N·m1)抗拉强度/MPa断裂韧度/(MPa·m1/2)数值2100.37700094539.74定义分析选项时，采用几何非线性计算裂纹扩展速率和路径。计算应力强度因子时，设定裂纹不扩展，应不考虑几何非线性。设置裂纹类型为XFEM裂纹，计算裂纹扩展速率及路径时可扩展，计算应力强度因子时不可扩展。连杆断裂剖分时，由于微裂纹于切口根部萌生，同时发生小范围屈服，为精确分析塑性区范围，需细化切口附近网格。根据上述特点，将连杆大头端划分为裂纹区与非裂纹区，连杆模型区域划分情况如图3所示。预制初始裂纹附近区域网格采用8节点六面体单元C3D8R，有限元模型单元总数约为56万，裂纹附近区域网格数大于45万，占总网格的数80%以上。根据实际情况确定其边界条件和约束。在相互作用模块创建耦合约束，在耦合点加载集中作用力，集中作用力垂直于预定断裂面加载，对称面上施加对称约束。连杆裂解时，连杆小头固定，连杆大头在动套的作用下使连杆盖与连杆体沿预制裂解槽裂解分离，因此在大头截断处施加位移约束，如图4所示。采用静力分析裂纹区域的应力强度因子，并与材料断裂韧度进行对比，通过反复试算最终得到材料断裂韧度对应的裂解力。图3连杆模型网格划分情况图4载荷及边界条件定义2计算结果及分析2.1初始微裂纹长度与连杆裂解力的关系断裂力学中，应力强度因子K用于描述外力和裂纹尺寸的几何效应，可概括为：KYπa(4)式中：a代表裂纹特征尺寸；代表外力场；Y为几何形状因子，描述裂纹及结构几何的作用。KI存在阈值KIC，KIC为断裂韧度。一定条件下，KIC为关于材料的常数，可由试验测定，K
【参考文献】：
期刊论文
[1]扩展有限元法在裂纹扩展问题中的应用[J]. 底月兰,王海斗,董丽虹,邢志国,王晓丽. 材料导报. 2017(03)
[2]36MnVS4连杆裂解加工模拟及缺陷分析[J]. 寇淑清,宋玮峰,石舟. 吉林大学学报(工学版). 2017(03)
[3]连杆裂解起裂及三维裂纹扩展分析[J]. 寇淑清,杨宏宇,赵勇,杨慎华. 内燃机工程. 2013(S1)
[4]基于ABAQUS的连杆疲劳分析[J]. 谈梅兰,武国玉,梁福祥. 中国机械工程. 2013(05)
[5]结构不对称对斜切口连杆裂解影响分析[J]. 赵勇,杨慎华,寇淑清,金文明. 内燃机学报. 2012(02)
[6]电火花线切割加工连杆裂解槽技术研究[J]. 刘晓宁,唐勇军,张永俊. 中国机械工程. 2010(10)
[7]连杆裂解加工力参数数值分析[J]. 张志强,金文明,杨慎华,赵勇,郑祺峰. 吉林大学学报(工学版). 2009(04)
[8]连杆裂解加工数值分析[J]. 张志强,杨慎华,寇淑清. 内燃机工程. 2006(03)
[9]内燃机连杆有限元分析进展[J]. 谈卓君,左正兴,张儒华. 中国机械工程. 2004(04)
[10]裂解工艺——发动机连杆制造最新技术[J]. 寇淑清,杨慎华,邓春萍,金文明. 中国机械工程. 2001(07)
本文编号：3503635
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