连杆的疲劳寿命分析
连杆用20CrMnTi钢根据疲劳S-N曲线进行安全性设计的探讨
连杆用20CrMnTi钢根据疲劳S-N曲线进行安全性设计的探讨刘宇希;郑程【摘要】在某早期疲劳断裂失效的20CrMnTi钢连杆上取样,采用升降法和成组法对其进行旋转弯曲疲劳试验,获取0.1％失效概率、95％置信度下的S-N曲线,据此合理地设计其安全服役应力.结果表明:根据在0.1％失效概率、95％置信度下的S-N曲线函数可以获得该连杆在疲劳寿命达到2×106循环周次设计要求下的最大交变载荷应控制在229 MPa以下,以确保连杆在使用寿命内不发生疲劳失效.【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷),期】2015(051)006【总页数】5页(P402-405,409)【关键词】旋转弯曲疲劳;升降法;成组法;疲劳强度;S-N曲线;变异系数【作者】刘宇希;郑程【作者单位】上海材料研究所,上海200437;上海材料研究所,上海200437【正文语种】中文【中图分类】TG142.41;TG115.520CrMnTi钢淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧度，焊接性中等，正火后可切削性良好；常用于制造承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴和滑动轴承的主轴、十字头、爪形离合器、连杆、蜗杆等。
某材料为20CrMnTi钢的连杆在低于屈服强度的交变载荷下服役，在未达到其使用寿命的情况下过早地发生了断裂失效。
连杆在交变载荷下的失效形式主要是疲劳断裂，因此模拟其实际服役工况下的交变载荷旋转弯曲疲劳试验，获得其S－N 曲线和疲劳强度，可以为该类渗碳钢零件的失效分析、零件的选材以及服役应力的选取等提供依据和参考。
1 试样制备与试验方法1.1 试样制备按照GB／T 4337－2008《金属材料疲劳试验旋转弯曲方法》［1］对试样的要求选用φ7.5mm的光滑漏斗型试样，如图1所示，并在磨削阶段采用五轴联动机床沿着试样轴线去除了所有环向痕迹，在20倍光学显微镜下检查其表面质量均合格。
连杆设计方法总结
连杆设计方法总结1. 简介连杆是机械设备中常用的零件，用于将转动运动转化为直线运动或者将直线运动转化为转动运动。
连杆的设计是机械工程中的重要任务，它的设计质量关系到整个机械设备的性能和寿命。
本文将总结连杆设计的方法，包括材料选择、几何设计和强度校核等方面。
2. 材料选择连杆的材料选择是连杆设计的重要一环，一般需要考虑以下几个因素：•强度和刚度：连杆需要能够承受特定的载荷，并且保持足够的刚度以确保运动的精度。
因此，材料的强度和刚度是首要考虑的因素。
•耐疲劳性：连杆在运动过程中会受到重复的载荷作用，因此需要选择具有良好疲劳寿命的材料，以确保连杆在长期使用时不会出现疲劳断裂。
•制造可行性：材料选择还需要考虑材料的可加工性和成本。
连杆的制造过程需要考虑到材料的可切削性、可焊性和可锻造性等因素。
常见的连杆材料包括碳素钢、合金钢和铸铁等。
根据具体的工程要求和经济考虑，可以选择适合的材料。
3. 几何设计3.1 连杆长度连杆的长度设计需要考虑到运动的幅度和工作空间的限制。
过长的连杆会增加系统的惯性和摩擦损失，而过短的连杆可能无法满足所需的运动幅度。
因此，需要综合考虑系统要求和实际制造条件，确定合适的连杆长度。
3.2 连杆截面形状连杆的截面形状对其强度和刚度有非常重要的影响。
一般来说，连杆的截面形状可以分为圆形、矩形和梯形等多种形式。
圆形截面是最常用的形式，因为它可以提供均匀的应力分布。
然而，根据具体的载荷和空间限制，也可以选择其他适合的截面形状。
3.3 连杆连接方式连杆的连接方式也是设计中需要考虑的因素之一。
常见的连接方式包括销销和螺栓连接等。
具体选择哪种连接方式需要综合考虑连杆的应力和振动情况，以及连接方式的制造成本和可靠性等因素。
4. 强度校核连杆的强度校核是设计过程中的关键一步。
强度校核的目的是确保连杆在工作过程中不会发生破坏。
常用的强度校核方法包括静态强度校核和疲劳强度校核。
4.1 静态强度校核静态强度校核主要是根据连杆的应力状态和工作载荷，计算连杆的应力和应变，然后与材料的强度和可靠度要求进行比较。
连杆机构接触应力分析与疲劳寿命预测
连杆机构接触应力分析与疲劳寿命预测连杆机构是一种常见的机械连接装置，广泛应用于发动机、汽车、航空航天等领域。
连杆机构的连接处承受着巨大的应力，长期使用会导致疲劳破坏。
因此，进行连杆机构接触应力分析和疲劳寿命预测是非常重要的。
在连杆机构中，主要的受力元件为连杆与销轴的接触面。
这个接触面的应力分布直接影响着连杆机构的寿命。
一般来说，接触应力的分析可以分为静载和动载两个阶段。
静载情况下，连杆机构受到的是恒定的力，可以通过有限元分析等方法来计算接触应力。
有限元方法可以将连杆和销轴离散为很多个小单元，在每个小单元上计算应力分布，然后再整合得到整体的应力分布情况。
这种方法不仅能够考虑到不同区域的应力变化，还可以同时分析各个接触点的应力分布。
通过这种静载的分析，可以对连杆机构的材料和结构进行合理的选择，以提高其承载能力。
动载情况下，连杆机构受到的是变化的力，例如引擎的往复运动。
这时，需要考虑到应力的循环变化对疲劳寿命的影响。
一般会使用应力循环法来进行疲劳寿命预测。
这种方法是根据连杆机构的实际工作负载，在不同的应力水平下进行一系列的应力循环试验，然后通过统计分析来确定其疲劳寿命。
在应力循环法中，有一种常用的寿命预测方法是振幅-寿命法。
该方法基于应力-寿命曲线，根据试验结果建立起应力振幅和寿命之间的关系。
通过对待预测连杆机构工作条件下应力振幅的估计，可以预测其疲劳寿命。
这种方法可以帮助工程师在设计阶段就对连杆机构的疲劳性能进行评估和预测，以避免因疲劳破坏而导致的设备故障和事故。
除了应力循环法外，还可以使用断裂力学方法来预测连杆机构的疲劳寿命。
断裂力学方法是一种基于裂纹扩展行为的疲劳寿命预测方法。
通过研究裂纹在应力场中的扩展行为，可以确定裂纹扩展速率，并进而预测其疲劳寿命。
这种方法可以精确地评估连杆机构的疲劳寿命，但对于复杂的几何形状和工况来说，计算复杂度较高。
总之，连杆机构的接触应力分析和疲劳寿命预测是确保机械设备正常运行的重要环节。
发动机连杆疲劳强度试验及寿命预测方法研究
值 方法 预测 疲劳 寿命 可有 效提 高发 动机 零部 件设 计 的成功率 ＿ ２ ］ 。但 是 ， 受 加工 工艺 和表 面处 理工 艺 等 因素 的影 响 ， 通过 部 件 疲 劳试 验 来 综 合 评 估 连 杆 疲 劳强 度仍 然 是产 品批 量生产 前 最可靠 的验证 手段 。 本 研 究 以某 柴 油 机 连杆 为 研 究对 象 ， 结 合 有 限 元仿 真 、 应力 测试 工作 ， 确定 了该 连杆 部 件疲 劳试 验
目前 ， 连 杆疲 劳 试 验 规 范一 般 执 行行 业 标 准 或 企业 标 准 ， 常见加 载 方 式 主 要 有 恒定 负荷 比法 和 恒
和 杆 身 某 标 志 字处 ， 通 过 残 余 应 力 测 试 发 现 标 志 字 处 的 失 效 与 残 余 应 力 大 小 密切 相 关 。 最后 ， 建 立 了连 杆 疲 劳 寿 命理论预测模型 ， 将 残 余 应 力 作 平 均 应 力 处理 ， 基 于 Ｈａ ｉ ｇ ｈ图 考 虑 平 均 应 力 对 ＳＮ 曲线 的 影 响 ， 预 测 了在 不 同栽 荷
系数 和 残 余 应 力 作 用 下 连 杆 标 志 字 处 的疲 劳 寿命 和 安 全 系数 。该 模 型 预 测 结 果 与试 验 值 基 本 相 符 ， 可 用 于后 续 连
杆疲劳寿命预测工作 。 ห้องสมุดไป่ตู้关键词 ： 连杆 ； 有限元分析 ； 疲 劳试验 ； 残余应力 ； 疲 劳 寿 命
ＤＯＩ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ２ ２ ２ ２ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ ． ０ ０ ９
试验加 载 时保持 负 荷 比不 变 ， 用 名 义负 荷 中的 最 大
479Q型发动机曲柄连杆机构的疲劳寿命分析
河北工业大学硕士学位论文479Q型发动机曲柄连杆机构的疲劳寿命分析姓名：刘翾申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：董正身20090401479Q型发动机曲柄连杆机构的疲劳寿命分析摘要发动机曲柄连杆机构是发动机中重要的部件之一，它承受复杂，交变载荷。
其强度与疲劳寿命是研发过程中的一项关键指标。
曲柄连杆机构的疲劳失效及断裂将引起其它零件随之损坏，甚至造成安全事故，特别是随着发动机的动力性和可靠性要求的提高，其强度问题变得更加重要。
准确的预测结构的强度和疲劳寿命可以缩短研发周期，优化结构参数，提高市场竞争力。
本文采用UG软件对479Q发动机曲柄连杆机构进行三维实体建模;利用多体动力学仿真软件ADAMS进行动力学分析，计算出各构件在任意时刻，任意位置的动力学特性（位移，速度，加速度等），得到发动机工作过程中的动态载荷；运用有限元分析方法进行应力，变形分析;最后采用金属疲劳理论计算构件的疲劳寿命，从而可实现构件危险点的位置与寿命预测。
本文依据作用在发动机活塞上的汽缸压力和曲轴受到的负载来模拟出发动机载荷的动态过程；在有限元分析时应用惯性释放的方法来计算完全无约束的构件的应力，应变。
本文采用的方法可以完成发动机曲轴系连杆的强度和疲劳寿命分析工作，获得了很好的预测结果。
关键词：多刚体仿真，惯性释放，有限元方法，疲劳寿命，曲柄连杆机构iFATIGUE LIFE ANALYSIS OF THECRANK AND CONNECTING RODMECHANISM IN THE 479Q IC-ENGINEABSTRACTThe engine crank and connecting-rod mechanism is one of the most important component parts of engine. It endures complex and alternate impact load. During the research and development stage, the structural strength and the fatigue life of such mechanism are the key indicators. The fatigue failure and fracture of crankshaft will make other parts be damaged with it or even cause safety misadventure. Especially, with the increase of the dynamic property and the request of reliability of engines, the problem of the tensile strength turns to more important. If those indexes could be accurately predicted, not only the development cycle could be shortened, but also the structure parameters could be optimized, and market competitiveness of the products could be enhanced at the same time.In this paper, firstly, a model of the 479Q engines crankshaft system (the engine crank and connecting-rod mechanism) was built based on the three-dimensional software platform of Unigraphics NX. Secondly, ADAMS, a software platform which is adept at analysis of the dynamical simulation, was used to carrying out the kinematic and dynamic analysis. And the movement (including the displacement, velocity and acceleration) of all the parts were computed at anytime and anywhere and then the dynamic load acted on the rod during the rotation of the engine could be gained. Thirdly, using these data gained before, with the help of FEA software, the accurate analysis about the stress and deformation was done. At last, the fatigue life of every nodes and cells were computed based on the fatigue analysis theory. In the paper, the pressure acted on the cylinder and the load acted on the crankshaft is used to simulate the dynamic changes during its work time. And the inertia relief method is utilized to calculate the stress and deformation of the completely unrestrained components. The results show that virtual simulation technology, combining the FEA method and fatigue analysis, are available to analyze the strength and the fatigue life of the crankshaft system and its prediction results are perfect. It is also an economical and effective method.KEY WORDS: multi-body dynamics,inertia relief,finite element method，fatigue life，crank and connecting rod mechanismii第一章 绪论§1-1 引言从上世纪40和50年代起，人们开始了结构可靠性分析的早期工作，自60年代起结构可靠性理论得到快速的发展。
发动机连杆疲劳强度有限元分析
最大爆发压力工况和最大惯性力工况。
来稿日期： ２００７－ ３－ ２ 作者简介： 李春玲（ １９７９－ ） ， 女， 本科， 主要研究方向为结构强度分析。
（ ６５） － ９ －
３．１ 装配工况 在连杆与衬套之间、上下轴瓦之间分别施加图
纸规定的过盈量， 并将螺栓预紧力矩转化为轴向拉 力后施加到螺栓上。其余零件根据装配关系定义面 对面接触。
极限值， 称为材料的疲劳极限。但实际构件的外
形、尺寸、表面质量、工作环境等都将影响疲劳极
限的数值。
一般零件的 ＥＦＲ 极限值的定义如下［２］：
σｅ ＝ σ－ １·εσ·β 式中： σ－ １ — ——材料的疲劳极限
εσ— ——绝对尺寸系数 β— ——表面强化系数
β值根据表面加工系数和表面强化系数， 由下
Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｒｏｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＡＢＡＱＵＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｆｉｒｓｔｌｙ， ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ－ ｒｏｄ′ｓ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｕｎｄｅｒ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｌｏａｄ， ｍａｘ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｌｏａｄ ａｎｄ ｍａｘ ｔｅｎｓｉｌｅ ｌｏａｄ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｂｙ ｎｏｎ － ｌｉｎｅｒ ｃｏｎｔａｃｔ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅｎ ａ ｕｓｅｒ ｓｕｂｒｏｕｔｉｎｅ ｏｆ ＡＢＡＱＵＳ ｗａｓ ｍａｄｅ ｗｉｔｈ Ｆｏｒｔｒａｎ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｂｙ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｕｎｄｅｒ ｍａｘ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｌｏａｄ ａｎｄ ｍａｘ ｔｅｎｓｉｌｅ ｌｏａｄ．
摇臂件和连杆疲劳失效分析
内燃机摇臂件的失效（一）零件失效情况内燃机排气门摇臂件采用40CrNiMoA钢，经过模缎、调质处理加工制成。
零件在常温下工作，主要承受弯曲交变载荷。
载规定使用寿命期内该件发生断裂，零件及断裂部位形貌示于图6-26。
匹配断口吻合良好，断口附近无宏观可见的塑性变形。
（二）试验研究1．断口观察断口的宏观形貌示于图6-27，整个断口较为平坦、光滑，而部分地区有磨损现象。
按断口特征可分为三个区域：中间部位较为光滑的平坦区，为裂纹扩展区，放射状棱线集中于靠近表面的小平面，可以认为是裂纹萌生区，与中间平坦区相交的斜断口，属于韧性瞬断区。
将位于摇臂凸棱边上的裂纹源区放大观察，断口呈黑色且粗糙（图6-28）。
裂纹扩展区的大部分表面受到磨损，但在瞬断区与扩展区之间有明显不同的形貌特征。
由以上的现象可以认为，它具有疲劳断裂的断口特征，为进一步分析其失效性质，对断口作微观分析。
切取包括源区在内的断口试样，面积10×15mm，其扫描电镜照片示于图6-29。
它与一般的疲劳源区的断口形貌不同，表面呈层片状，质地松散。
源区和扩展区的x射线能谱成分分析结果表明，两个区的合金元素（主要是Cr，Ni，Mo）含量有很大差异（图6-30）。
2．显微组织的观察通过源区截面切取金相试样。
浸蚀前，表层有灰色物嵌入基体金属（图6-31）；浸蚀后，片状嵌入物两侧呈现出严重氧化脱碳。
由嵌入物向基体内打显微硬度（负荷为1000N），各点的硬度值分别为：1630，1660，1870，2020，2150，2150，2820，2820，3000，3200，3200Mpa （见图6-32）。
表层脱碳部位的硬度值最低（HV=1630Mpa）,而未脱碳的基体硬度最高（HV=3200Mpa）.零件材料为索氏体组织，晶粒度为7～8级，均符合技术条件要求。
3．X射线微区成分分析用电子探针测定了裂纹源区（即片状嵌入物）和扩展区的嵌含量，由表6-3的数据可见，扩展区的含碳量约为源区的5倍，这表明在调质热处理之前，零件表面就已经存在裂纹，而在热处理加热过程中，裂纹两侧在高温下发生氧化脱碳。
连杆动应力及疲劳寿命分析
连杆动应力及疲劳寿命分析陈起航;黄昌瑞;李振华;张颖【摘要】连杆在发动机中直接与活塞销、曲轴连杆轴颈相连接,它们之间通过弹性接触传递力.所以,活塞销、曲轴连杆轴颈决定了连杆的受力分布情况.采用有限元分析中的接触法对某型号发动机的连杆进行有限元分析,得出接触面之间的压力分布情况、连杆的应力分布情况及连杆变形情况,并对连杆的疲劳强度进行校核.【期刊名称】《汽车零部件》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】5页(P45-48,67)【关键词】连杆;有限元接触分析;应力分布;疲劳强度【作者】陈起航;黄昌瑞;李振华;张颖【作者单位】华晨汽车工程研究院动力总成设计处,辽宁沈阳110141;华晨汽车工程研究院动力总成设计处,辽宁沈阳110141;华晨汽车工程研究院动力总成设计处,辽宁沈阳110141;华晨汽车工程研究院动力总成设计处,辽宁沈阳110141【正文语种】中文Abstract:Connecting rod was connected directly to the piston pin and the crank connecting rod journal in engine, which force was passed through elastic contact between them. So the condition of force distribution of the connecting rod was made by difference with the piston pin and the crankshaft connecting rod journal. The contact method in finite elementanalysis was used for a type of engine connecting rod, and then the condition of pressure distribution between the contact surface was gotten, as well as the stress distribution and the deformation situation of connecting rod. Then the fatigue strength of connecting rod was checked. Keywords:Connecting rod; Finite element contact analysis; Stress distribution; Fatigue strength发动机连杆组的功能是将作用在活塞上的气体压力传递给曲轴，并将活塞的往复运动转换成曲轴的旋转运动。
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连杆的疲劳寿命分析
摘要：本文研究了采用有限元分析法对连杆进行疲劳寿命分析的简要过程，探索了在企业中实施计算机辅助设计的优势和可行性，对生产实践中类似问题提供了可参考的方法。
关键词：计算机辅助设计有限元分析连杆疲劳强度
传统的设计方法，常常使用大量的计算来确定零件的材料、尺寸、外形和截面形状等，使零件满足强度、刚度和疲劳强度的要求。
这种验证零件是否满足力学要求的过程，就是在解决零件结构问题。
零件的结构一直是零件设计中的重点。
一个成功的结构设计不仅是让零件是满足力学要求，还要使结构合理、质量轻、用料省。
另外，某些零件的还要满足导热、散热的需求。
因此在设计中常常消耗较较多时间对零件的力学和热力学性能进行计算和试验。
对于较复杂的零件，对其强度、刚度的校核是十分困难的，传统的经验估算法无法保证准确性，特别是疲劳损坏，即使是制造出了物理样机进行试验，也很难在短时间内得到可靠的结果数据。
因此必须借助新的方法来解决企业中遇到的类似问题。
由于结构的强度、成本、寿命、可靠性的要求不断提高，结构强度和寿命评估就变得越来越重要。
要进行计算和评估，经常需要参照有关的理论、方法、行业上规范及材料的数据，而这些理论、方法、资料大都是大量实验、工程实践归纳出来的，国外将这方面的研究成果编制成软件，如creo的mechanica模块。
某种小型内燃机的连杆如图1所示。
需要计算此零件是否满足疲
劳强度要求。
图1 连杆外形
连杆材料为45号钢锻造，热处理为正火加回火，许用应力60mpa。
连杆高速周期运动，设计寿命5亿次。
连杆的工作行程最大承受560n 的压力；回程受拉力，但相对较小可忽略。
creo/mechanica是一个基于有限元法的软件。
有限元法以弹性力学为基础，将一个连续系统（物体）分隔成有限个单元，对每一个单元给出一个近似解，再将所有单元按照一定的方式进行组合，来模拟或者逼近原来的系统或物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化成一个离散的有限自由度问题分析求解的一种数值分析方法。
借助于有限元法，creo/mechanica可以研究弹性变形范围内的力学和热力学问题。
先在按图纸创建好模型，然后指定标准材料并进行疲劳强度分析，若得出的零件寿命小于设计寿命则说明设计本身有问题，反之则说明设计没有问题，可能是材料或加工的问题。
因为模型是对称的，因此只分析模型的一半即可，这样可以提高运行速度。
如图2。
图2 连杆模型图3 应力分析结果
通过定义载荷和约束，将有限元的边界条件全部给定，通过计算机对强度的解算和分析，得到了连杆在受力情况下的应力和形变。
结果如图3。
从结果的应力图可以看出：连杆承受最大压力时，连杆上的最大应力为4.73e+01n/mm，即47.3mpa，小于许用应力60mpa。
因此判
断零件的强度是足够的，这与实际情况也是相符的。
接下来要对零件的疲劳强度进行分析。
通过指定零件的交变载荷性质，计算零件在交变载荷下的工作情况。
通过对疲劳寿命的分析，得到的结果如图4所示。
图4 疲劳寿命分析结果
计算结果是寿命次数的指数，从图上看最小数值为8.262e+00，即易破坏处的寿命为1e8.262次，远小于设计寿命5e8次。
因此判断此零件的设计不满足疲劳强度的要求，从而找到了有力的证据证明了你领导的判断。
发生疲劳破坏的区域位于连杆小端的倒圆角处。
根据材料知识，疲劳强度与零件的材料、表面质量、应力集中情况等因素有关。
通过第一步的静态分析结果可以很明显地看出连杆小端的倒圆角处发生了应力集中，因此增大圆角半径就可以避免疲劳破坏。
在没有实施计算机辅助设计之前，企业在验证复杂零件设计的时候，一般都是先制作出产品的样品，然后再进行各种试验，最后将不符合设计要求的设计进行修改，这样不仅消耗了宝贵的时间，花费了大量的样品试制成本，而且可靠性不高，使得企业在激烈的市场竞争中处于被动地位。
通过对产品进行cad建模并进行有限元分析的方法，找到了产品出现问题的原因。
而这种技术，同样也可应用在产品的设计过程中。
结论：本文介绍的方法，成功为企业实施了cad技术，并在虚拟环境下求解了此零件的疲劳寿命。
在没有花费试制成本的情况下，
就可以提前预知产品是否能够满足要求，更早地对产品进行修改，以防止产品设计缺陷给企业带来的巨额损失。
这样使企业的设计效率和产品质量都大大提高了。