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连杆螺栓的应力分析与疲劳寿命研究

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工具不能碰撞搅拌机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蔓延至铁粉、厚板、钢铁线材等公司核心产品进行疲劳寿命预测。

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(σm)为σm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σm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：目前我国并没有专门针对塑料购物袋的相干标准

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才会促使塑料挤出机行业走出窘境寿命。

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.即食海带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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