鈦連桿的疲勞性能優(yōu)化

作者 Auggliaro G. ,Biancolini M.E.
意大利ESL無損檢測安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室
意大利 羅馬大學(xué)“托爾•維爾戛塔”機(jī)械工程
摘要：
在本文中自動(dòng)程序提出連桿優(yōu)化，從引擎幾何學(xué)和運(yùn)行條件，計(jì)算一個(gè)工作循環(huán)的慣性載荷和軸承力。外加載荷時(shí)間關(guān)系曲線圖產(chǎn)生于連桿有限元模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，說明實(shí)際載荷導(dǎo)入軸承表面的路徑。
有限元分析結(jié)果后處理是進(jìn)行評估疲勞指數(shù)圖。根據(jù)礦業(yè)規(guī)則計(jì)算每個(gè)循環(huán)周期產(chǎn)生的損害然后根據(jù)理想的允許規(guī)定載荷范圍計(jì)算損傷總額。
每個(gè)計(jì)算階段由提議的軟件控制和執(zhí)行，允許評估設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)性能的傳遞函數(shù)作為疲勞指數(shù)，例如：最大應(yīng)力，屈曲載荷，質(zhì)量分析和軸承負(fù)荷。
提議中的工具適合“如果進(jìn)行分析會(huì)怎樣”的調(diào)查得到最佳解決方案或者適合自動(dòng)形狀優(yōu)化一旦連桿形狀設(shè)計(jì)涉及一套形狀參數(shù)的有限集。
本文討論二維連桿最優(yōu)化的實(shí)際應(yīng)用。
1導(dǎo)言
連桿汽車部件市場主要是面向有色金屬材料，因?yàn)橹圃旌驮O(shè)計(jì)方法是完全統(tǒng)一的以及用低成本獲得高精確性。然而采用輕質(zhì)材料，例如鈦合金，似乎是一個(gè)非常吸引人的選擇。但由于設(shè)計(jì)成本較高的材料和制造工藝，它（連桿）仍僅限于高性能引擎領(lǐng)域。最主要的優(yōu)點(diǎn)是所受慣性載荷大規(guī)模減少，這是一個(gè)至關(guān)重要的問題因?yàn)椋ㄟB桿）組成部分受到非常高的慣性載荷。此外，這類材料的抗疲勞性能很好的滿足承受循環(huán)載荷的要求。鼓勵(lì)在汽車領(lǐng)域使用鈦合金是降低成本所必需的。
連桿實(shí)際是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的條件是廣泛多變的，并且承受曲柄滑塊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的壓力和慣性力。例如報(bào)告（3）中的疲勞設(shè)計(jì)機(jī)制。在文獻(xiàn)（4）中，提到一個(gè)疲勞失效的實(shí)例，并重新設(shè)計(jì)了報(bào)道中設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)倪B桿。在文獻(xiàn)（50）涉及一種利用損害容忍方法設(shè)計(jì)連桿的方法顯露出來。
這項(xiàng)工作旨在驅(qū)動(dòng)制造業(yè)設(shè)計(jì)原理以達(dá)到以最小的生產(chǎn)成本獲得最優(yōu)的組件。基本思路是以水冷切割的方法從六鋁四釩合鈦合金薄板中獲得厚度一樣的部件。這項(xiàng)技術(shù)可能是二維圖形幾何學(xué)范圍里面不同尋常的連桿設(shè)計(jì)方法。
形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能自動(dòng)?jì)故烨易顑?yōu)化在設(shè)計(jì)參數(shù)和目標(biāo)以及在文章6,7中涉及到的插圖實(shí)例規(guī)定的限制因素中傳遞一次。為了探討解決一些外形解決方法而制造一種軟件工具，叫做CRADes（連桿自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件）自動(dòng)化的設(shè)計(jì)程序。
如果這種連桿替代了現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)原來的部件。目前的研究是具有固定厚度的二維形狀模型的幾何形狀的主要幾何參數(shù)，但是這種形狀必須符合原有發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，所以桿長，大頭和小頭半徑是固定參數(shù)，但是厚度和外部尺寸界限由其他組成部件給出的最大允許空間決定。最主要的目的不僅是最輕的質(zhì)量和最大的材料利用率而且是最佳的質(zhì)量分布，就如在文獻(xiàn)(7)中提出的。主要設(shè)計(jì)制約因素是疲勞強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度。
需要其他設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，它們是服務(wù)轉(zhuǎn)速時(shí)的汽缸壓力，載荷譜，往復(fù)質(zhì)量，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)。