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星形活塞發(fā)動機由于具有單位體積功率大、比重量輕、壽命長等特點，是航空教練機及個人用小型飛機、競技飛機的主要動力裝置之一。該發(fā)動機對主要承力零部件的疲勞強度設(shè)計要求較高。某型九缸航空星形活塞發(fā)動機工作如圖1所示，其主連桿作為主要的功率輸出和受力部件，疲勞強度是否滿足設(shè)計要求，將直接影響發(fā)動機的使用壽命。
傳統(tǒng)的內(nèi)燃機設(shè)計中，對主連桿桿身強度分析主要考慮兩個工況：即桿身最大拉應(yīng)力工況最大爆發(fā)壓應(yīng)力工況。最大拉伸應(yīng)力發(fā)生在出力最大往復(fù)慣性力時，即在排氣過程的上止點附近；最大爆發(fā)壓應(yīng)力發(fā)生在做功沖程中出現(xiàn)最大燃今作用力時，一般認(rèn)為是在壓縮過程的上止點�；钊l(fā)動機主連桿受力更為復(fù)雜，其主副連桿機構(gòu)上氣缸數(shù)較多(一般為5，7，9等奇數(shù))，副缸的作用將在主連桿上合成一個彎矩。由于該彎矩的方向在一個工作循環(huán)過程中方向會改變兩次，因此主連桿承受交變疲勞載荷。若連桿設(shè)計或加工不當(dāng)則可能導(dǎo)致主連桿桿身發(fā)生疲勞失效。星形活塞發(fā)動機連桿機構(gòu)的受力和運動較復(fù)雜、由于主連桿與曲柄銷及活塞銷之間的運動副及副連桿與主連桿之間的運動副構(gòu)成多個接觸邊界，計算時不易處理。主連桿的受力除了來自副連桿的作用外，還有自身的旋轉(zhuǎn)慣性載荷和往復(fù)慣性載荷。本文針對某型號九缸航空星形活塞發(fā)動機在工作過程中，主連桿桿身與大頭的圓弧過渡部分發(fā)生疲勞失效問題，采用運動學(xué)方法確定主連桿承受最大附加彎矩工況，并運用商業(yè)有限元分析軟件ANSYS提供的接觸單元模擬主連桿與曲柄銷以及活塞銷之間的運動副，對主連桿進行多體接觸的三維有限元FEA分析，為該型主連桿的疲勞失效原因分析及改進設(shè)計提供了重要參考依據(jù)。
某型航空活塞發(fā)動機的連桿機構(gòu)型式為九缸九連桿星形主副連桿式曲柄連桿機構(gòu)。圖2為主副曲柄連桿機構(gòu)的運動分析簡圖。其中，AB為主連桿，長度L； CD為副連桿，長度l； B為曲柄銷中心；C為主連桿與副連桿聯(lián)接銷中心；BC長為副連桿凸耳半徑；OB為曲柄旋轉(zhuǎn)半徑，OB為主、副氣缸中心線夾角為關(guān)節(jié)角，本算例中a為主連桿曲柄轉(zhuǎn)角；a為副連桿曲柄轉(zhuǎn)角；乃和乃分別為為主、副連桿擺角。主連桿的運動規(guī)律為中心曲柄連桿機構(gòu)(三鉸鏈機構(gòu))。
連桿運動時產(chǎn)生往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力慣性力的大小與活塞連桿組的慣性質(zhì)量、發(fā)動打轉(zhuǎn)速、曲柄旋轉(zhuǎn)半徑等有關(guān)。主、副連桿往復(fù)慣恒力的方向均沿氣缸軸線方向。
氣缸的爆發(fā)壓力通過活塞作用于連桿活塞頭，其大小隨時間變化，方向為氣缸軸線方向，與缸爆發(fā)壓力。
主連桿活塞頭同時受爆發(fā)壓力、和往復(fù)慣性力，作用，其旋轉(zhuǎn)慣性力方向沿連桿軸線方向，可沿氣缸軸線進行分解，與主連桿活塞頭類似，副連桿活塞頭也可以作類似處理，可得到副連桿活塞頭合力。在副連桿軸線方向上的分力作用在主連桿銷C處(圖2)，對主連桿大頭中心B點作用一力矩因此，g個副連桿對主連桿任一截面的合力矩。
圖3為一個周期內(nèi)，主連桿發(fā)生失效的截面最大彎曲應(yīng)力隨主連桿轉(zhuǎn)角a的變化曲線。由圖可知，當(dāng)主連桿轉(zhuǎn)角為283°時，主連桿上拉應(yīng)力最大，由于主連桿活塞頭氣體爆發(fā)力對主連桿產(chǎn)生壓應(yīng)力，可見主連桿承受的最大拉應(yīng)力主要來自附加彎矩的影響。
連桿計算的復(fù)雜性在于主連桿與副連桿、曲軸為一個非線性的彈性接觸問題。
第2節(jié)中分析得出主連桿所受附加彎矩的箭大工況將作為有限元分析所考慮的實際工況。本文采用商業(yè)有限元分析軟件ANSYS，對主連相進行接觸邊界條件的有限元計算。
整體結(jié)構(gòu)的連桿組比較復(fù)雜，包括主連桿相身、活塞、活塞環(huán)、活塞銷、活塞銷卡環(huán)、大頭蓋、遵桿軸瓦、襯套、螺栓、銷等零件。本次計算主要考庭的對象是主連桿桿身，因此在建模時，對局部結(jié)杠做了適當(dāng)簡化。
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