星形活塞发动机由于具有单位体积功率大、比重量轻、寿命长等特点，是航空教练机及个人用小型飞机、竞技飞机的主要动力装置之一。该发动机对主要承力零部件的疲劳强度设计要求较高。某型九缸航空星形活塞发动机工作如图1所示，其主连杆作为主要的功率输出和受力部件，疲劳强度是否满足设计要求，将直接影响发动机的使用寿命。
      传统的内燃机设计中，对主连杆杆身强度分析主要考虑两个工况：即杆身最大拉应力工况最大爆发压应力工况。最大拉伸应力发生在出力最大往复惯性力时，即在排气过程的上止点附近；最大爆发压应力发生在做功冲程中出现最大燃今作用力时，一般认为是在压缩过程的上止点。活塞发动机主连杆受力更为复杂，其主副连杆机构上气缸数较多(一般为5，7，9等奇数)，副缸的作用将在主连杆上合成一个弯矩。由于该弯矩的方向在一个工作循环过程中方向会改变两次，因此主连杆承受交变疲劳载荷。若连杆设计或加工不当则可能导致主连杆杆身发生疲劳失效。星形活塞发动机连杆机构的受力和运动较复杂、由于主连杆与曲柄销及活塞销之间的运动副及副连杆与主连杆之间的运动副构成多个接触边界，计算时不易处理。主连杆的受力除了来自副连杆的作用外，还有自身的旋转惯性载荷和往复惯性载荷。本文针对某型号九缸航空星形活塞发动机在工作过程中，主连杆杆身与大头的圆弧过渡部分发生疲劳失效问题，采用运动学方法确定主连杆承受最大附加弯矩工况，并运用商业有限元分析软件ANSYS提供的接触单元模拟主连杆与曲柄销以及活塞销之间的运动副，对主连杆进行多体接触的三维有限元FEA分析，为该型主连杆的疲劳失效原因分析及改进设计提供了重要参考依据。
      某型航空活塞发动机的连杆机构型式为九缸九连杆星形主副连杆式曲柄连杆机构。图2为主副曲柄连杆机构的运动分析简图。其中，AB为主连杆，长度L； CD为副连杆，长度l； B为曲柄销中心；C为主连杆与副连杆联接销中心；BC长为副连杆凸耳半径；OB为曲柄旋转半径，OB为主、副气缸中心线夹角为关节角，本算例中a为主连杆曲柄转角；a为副连杆曲柄转角；乃和乃分别为为主、副连杆摆角。主连杆的运动规律为中心曲柄连杆机构(三铰链机构)。
      连杆运动时产生往复惯性力和旋转惯性力惯性力的大小与活塞连杆组的惯性质量、发动打转速、曲柄旋转半径等有关。主、副连杆往复惯恒力的方向均沿气缸轴线方向。
      气缸的爆发压力通过活塞作用于连杆活塞头，其大小随时间变化，方向为气缸轴线方向，与缸爆发压力。
      主连杆活塞头同时受爆发压力、和往复惯性力，作用，其旋转惯性力方向沿连杆轴线方向，可沿气缸轴线进行分解，与主连杆活塞头类似，副连杆活塞头也可以作类似处理，可得到副连杆活塞头合力。在副连杆轴线方向上的分力作用在主连杆销C处(图2)，对主连杆大头中心B点作用一力矩因此，g个副连杆对主连杆任一截面的合力矩。
      图3为一个周期内，主连杆发生失效的截面最大弯曲应力随主连杆转角a的变化曲线。由图可知，当主连杆转角为283°时，主连杆上拉应力最大，由于主连杆活塞头气体爆发力对主连杆产生压应力，可见主连杆承受的最大拉应力主要来自附加弯矩的影响。
      连杆计算的复杂性在于主连杆与副连杆、曲轴为一个非线性的弹性接触问题。
      第2节中分析得出主连杆所受附加弯矩的箭大工况将作为有限元分析所考虑的实际工况。本文采用商业有限元分析软件ANSYS，对主连相进行接触边界条件的有限元计算。
      整体结构的连杆组比较复杂，包括主连杆相身、活塞、活塞环、活塞销、活塞销卡环、大头盖、遵杆轴瓦、衬套、螺栓、销等零件。本次计算主要考庭的对象是主连杆杆身，因此在建模时，对局部结杠做了适当简化。

                                                                                专业从事机械产品设计│有限元分析│CAE分析│结构优化│技术服务与解决方案
                                                                                                                                                      杭州那泰科技有限公司
                                                                              本文出自杭州那泰科技有限公司www.nataid.com，转载请注明出处和相关链接！