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。