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基于應力強度因子的發(fā)動機連桿裂解力數(shù)值模擬分析

發(fā)布時間:2021-11-18 21:24
  目的為獲得合適的裂解力,以某款轎車發(fā)動機連桿為研究對象,應用擴展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)對裂解工藝中的裂解力進行計算分析。方法根據(jù)部件的實際尺寸建立預制初始微裂紋條件下的連桿裂解有限元模型,確定相關的材料參數(shù),并進行有限元網(wǎng)格劃分,確定部件之間的約束類型。以應力強度因子大于材料斷裂韌度,裂紋即擴展為依據(jù),反復試算得出應力強度因子達到斷裂韌度時的裂解力,進而通過大量計算和數(shù)據(jù)擬合得出初始微裂紋長度與裂解力之間的關系。分析裂解力對塑性區(qū)的影響,為裂解力閾值確定給出參考。結果當裂解力能夠滿足裂解工藝要求時,預制的初始微裂紋長度應盡可能小。結論最為理想的裂解力為材料斷裂韌度對應的裂解力。文中提出的分析方法也適合于求解各類連桿的裂解力。 

【文章來源】:裝備環(huán)境工程. 2019,16(03)

【文章頁數(shù)】:5 頁

【部分圖文】:

基于應力強度因子的發(fā)動機連桿裂解力數(shù)值模擬分析


連桿裂解加工原理

裂紋,網(wǎng)格


·108·裝備環(huán)境工程2019年3月圖2位于網(wǎng)格內任意位置的裂紋,sin,cos,sinsin,sincos2222rrrrr(3)1.3有限元模型的建立連桿材料為高碳合金鋼C70S6,其裂解槽幾何參數(shù)和材料參數(shù)見表1。在裂解過程中,連桿小頭端、桿身幾乎不產生變形和位移,在有限元分析過程中可以忽略。由于直切口連桿關于主軸中心對稱,因此建立大頭端的1/2模型進行分析。結構圓角對連桿裂解過程幾乎不產生影響,因此在建模中簡化。通過靜力分析求解裂解力及裂解力的影響因素,因此未考慮加載時的動態(tài)沖擊。分析過程中,載荷直接通過多點約束(MPC,Multi-pointsconstraint)施加在連桿蓋上[15]。表1裂解槽幾何特征參數(shù)裂解槽幾何參數(shù)大頭孔直徑/mm大頭孔厚度/mm裂解槽張角2α/(°)裂解槽深/mm曲率半徑/mm數(shù)值41.817.9900.60.2材料參數(shù)彈性模量/GPa泊松比斷裂能/(N·m1)抗拉強度/MPa斷裂韌度/(MPa·m1/2)數(shù)值2100.37700094539.74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(wǎng)格。根據(jù)上述特點,將連桿大頭端劃分為裂紋區(qū)與非裂紋區(qū),連桿模型區(qū)域劃分情況如圖3所示。預制初始裂紋附近區(qū)域網(wǎng)格采用8節(jié)點六面體單元C3D8R,有限元模型單元總數(shù)約為56萬,裂紋附近區(qū)域網(wǎng)格數(shù)大于45萬,?

連桿,情況,裂紋


此殺?斷裂能/(N·m1)抗拉強度/MPa斷裂韌度/(MPa·m1/2)數(shù)值2100.37700094539.74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(wǎng)格。根據(jù)上述特點,將連桿大頭端劃分為裂紋區(qū)與非裂紋區(qū),連桿模型區(qū)域劃分情況如圖3所示。預制初始裂紋附近區(qū)域網(wǎng)格采用8節(jié)點六面體單元C3D8R,有限元模型單元總數(shù)約為56萬,裂紋附近區(qū)域網(wǎng)格數(shù)大于45萬,占總網(wǎng)格的數(shù)80%以上。根據(jù)實際情況確定其邊界條件和約束。在相互作用模塊創(chuàng)建耦合約束,在耦合點加載集中作用力,集中作用力垂直于預定斷裂面加載,對稱面上施加對稱約束。連桿裂解時,連桿小頭固定,連桿大頭在動套的作用下使連桿蓋與連桿體沿預制裂解槽裂解分離,因此在大頭截斷處施加位移約束,如圖4所示。采用靜力分析裂紋區(qū)域的應力強度因子,并與材料斷裂韌度進行對比,通過反復試算最終得到材料斷裂韌度對應的裂解力。圖3連桿模型網(wǎng)格劃分情況圖4載荷及邊界條件定義2計算結果及分析2.1初始微裂紋長度與連桿裂解力的關系斷裂力學中,應力強度因子K用于描述外力和裂紋尺寸的幾何效應,可概括為:KYπa(4)式中:a代表裂紋特征尺寸;代表外力場;Y為幾何形狀因子,描述裂紋及結構幾何的作用。KI存在閾值KIC,KIC為斷裂韌度。一定條件下,KIC為關于材料的常數(shù),可由試驗測定,K

【參考文獻】:
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本文編號:3503635

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