基于應力強度因子的發(fā)動機連桿裂解力數值模擬分析

文/張強 張程，承德蘇墾銀河連桿有限公司 河北省發(fā)動機連桿工程技術研究中心

1 引言

發(fā)動機連桿是發(fā)動機的關鍵部件，用于連接發(fā)動機活塞與曲軸，將活塞的直線運動轉換為曲軸的旋轉運動。連桿裂解加工工藝是將連桿整體鍛造加工后，通過大頭孔內激光刻槽進行裂解，實現連桿的體蓋分離，汽車發(fā)動機連桿是發(fā)動機的關鍵部件，用于連接發(fā)動機活塞與曲軸，將活塞的直線運動轉換為曲軸的旋轉運動。連桿裂解加工工藝是將連桿整體鍛造加工后，通過大頭孔內預制的裂解槽進行裂解，實現連桿的體蓋分離。設備主要由連桿自動輸送系統(tǒng)、連桿漲斷除塵系統(tǒng)以及震動盤限位塊自動上料系統(tǒng)組成。通過自動供給機構將連桿運輸至機械手抓取位置，由機械手將連桿抓取至夾具，在連桿漲斷區(qū)域依次完成連桿的刻槽、脹斷、螺栓預擰緊、松開震動除渣、吸渣及螺栓終擰緊。以往數個工位需完成的加工集成到一個工位，減少了工件運輸時間，提升了生產效率。通過變距機構的設計，設備能加工多種型號的連桿。連桿漲斷除塵設備的研制，對連桿裂解自動化與柔性化生產設備的設計研究具有一定的指導意義。

2 裂解加工原理

在進行裂解加工前，首先需要加工出整體連桿，在連桿大頭孔處作用垂直于連桿蓋與連桿體接觸面的載荷時，會在預制微裂紋尖端產生應力集中。由斷裂力學理論可知，當裂尖應力強度因子達到材料斷裂韌度時，連桿大頭將沿激光開裂。裂解后的連桿蓋與連桿體接觸面呈犬牙交錯態(tài)，每個連桿體僅有一個連桿蓋與之完美配合，配合精度極高。

3 連桿體的三維實體造型

連桿體包含由曲面構成的型腔、與曲軸連接的大頭孔、與活塞銷連接的小頭孔、連桿脹斷加工后將連桿體與連桿蓋裝配后進行拉緊的螺栓孔。通過拉伸命令對連桿體基礎部分進行造型;在創(chuàng)建型腔特征時，首先在型腔底面構建一張曲面，繪制型腔的草圖輪廓后，利用添加減材料拉伸特征完成型腔的創(chuàng)建，在底部曲面與垂直側面之間進行變半徑的邊倒圓，最后運用鏡像體命令，完成背面型腔的關聯復制;螺栓孔建模時，先添加一個沉頭孔，再添加一個詳細螺紋;完成以上關鍵特征的創(chuàng)建后，對連桿體的其余部位創(chuàng)建等半徑的邊倒圓，這樣就完成了連桿體的三維實體建模。

4 連桿體正面、背面自動編程與仿真加工

連桿體正面和背面需要去除大量的余量，開粗時采用型腔銑加工，選用D17R0.8的圓鼻刀，設置切削模式為跟隨周邊，在深度方向用多個切削層進行切削，每一層的切削深度為0.5;設置進刀類型為螺旋線，切削順序為深度優(yōu)先，圖樣方向為向外，刀具從連桿體型腔的內部向外部進行切削;設置光順為所有刀路，拐角半徑為0.5，步距限制為150，兩刀軌拐角處的距離為1.5倍刀徑;設置主軸轉速為1820r/min，切削進給速度為2500mm/min。刀具運動軌跡一般有重播、3D動態(tài)、2D動態(tài)3種模式。連桿體正面開粗加工后，有一些部位沒有加工到，還有較多余量，需要使用較小的刀具進行型腔銑二次開粗，二次開粗選擇使用基于層的方式，選用D8R4的球刀，修改主軸轉速為2500r/min，切削進給速度為1500mm/min。連桿體背面切削區(qū)域比正面少，參數設置類似。

5 裂解力對塑性區(qū)的影響

根據裂解工藝原理可以看出，裂解槽微裂紋尖端塑性區(qū)的存在，導致裂解過程中結構必然產生塑性變形。因此，裂紋尖端塑性區(qū)的大小直接決定了裂解完成后連桿蓋與連桿體的嚙合質量。裂紋尖端塑性區(qū)過大，會導致連桿蓋與連桿體嚙合質量較差，甚至導致連桿大頭失圓，大幅增加連桿裂解工藝的次品率。連桿裂解力大小對裂尖塑性區(qū)的影響研究具有十分關鍵的工程意義。文中以初始微裂紋長度a=0.5mm為例，其斷裂韌度下的裂解力為18.49kN。由于低于斷裂韌度對應的裂解力不會是使裂紋擴展，因此此處僅分析裂解力大于等于斷裂韌度對應的裂解力對塑性區(qū)的影響，從而為裂解力閾值的合理確定提供指導。

6 基本理論

有限元模型劃分好單元后，定義一條分界線或一個分界面，將其視為裂紋。根據斷裂力學和有限元法知識可知，裂紋所在單元內位移場不連續(xù)，并且單元內裂尖存在應力集中現象。為描述單元內及裂尖位移場的不連續(xù)性及奇異性，Belytschko基于原有單元位移函數，提出了跳躍函數和裂尖增強函數：

式中：i 為所有節(jié)點的集合；j 為不包含裂尖單元的節(jié)點；k 為包含裂尖單元的節(jié)點；,,i j kN N N 為節(jié)點形函數；,,i j ku a b為節(jié)點位移；H x 為跳躍函數。描述單元內不連續(xù)位移場，見式（2）：

為裂尖增強函數，描述裂尖附近的奇異位移場，用極坐標表示（其中，,r所在坐標系的坐標原點為裂尖）：定義分析選項時，采用幾何非線性計算裂紋擴展速率和路徑。計算應力強度因子時，設定裂紋不擴展，應不考慮幾何非線性。設置裂紋類型為 XFEM 裂紋，計算裂紋擴展速率及路徑時可擴展，計算應力強度因子時不可擴展。連桿斷裂剖分時，由于微裂紋于切口根部萌生，同時發(fā)生小范圍屈服，為精確分析塑性區(qū)范圍，需細化切口附近網格。根據上述特點，將連桿大頭端劃分為裂紋區(qū)與非裂紋區(qū)。預制初始裂紋附近區(qū)域網格采用 8 節(jié)點六面體單元C3D8R，有限元模型單元總數約為 56 萬，裂紋附近區(qū)域網格數大于 45 萬，占總網格的數 80%以上。

7 結語

發(fā)動機實現批產，必須要完成耐久試驗，冷熱沖擊試驗，共振試驗，還有各項專項試驗等等。文章這個案例是發(fā)在試驗期間，連桿的斷裂故障直接導致發(fā)動機報廢。不僅塑性區(qū)較小，也更接近平面應變狀態(tài)，因此最為理想的裂解力為材料斷裂韌度對應的裂解力。