連桿是汽車發動機中傳遞動力的重要零件，它把活塞的直線運動轉變為曲軸的旋轉運動并將作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工作過程中要承受裝配載荷（包括軸瓦過盈及螺栓預緊力）和交變工作載荷（包括氣體爆發壓力及慣性力）的作用，工作條件比較苛刻。現代汽車向著環保節能方向的發展，要求發動機連桿在滿足強度和剛度的基礎上，應具有尺寸小、重量輕的特點。本文應用ABAQUS有限元軟件，對新設計的某機型連桿進行了強度和剛度的校核。

    1、連桿的三維有限元模型

    連桿的三維幾何模型來自CAD軟件PRO/E，采用MSC/PATRAN建立有限元模型，利用ABAQUS進行力學計算分析。該計算所包括的零件有：連桿、連桿蓋、連桿螺栓、連桿螺母、活塞銷、曲軸連桿軸頸、連桿大頭軸瓦。采用計算精度較高的六面體單元劃分網格，共分為24204個節點，17258個單元。圖1為有限元模型。

圖1連桿有限元模型

    實際過程中，由于在較大的螺栓預緊力的約束下，連桿與連桿蓋在整個分析過程中均處于接觸狀態，因此這里對模型進行了簡化，將連桿與連桿蓋在實際的建模分析中合為一體，而不影響最終的結果。同樣，螺栓連桿與連桿螺母也合為一體。

    在建立兩個軸模型時，該計算取大軸和小軸的半徑分別小于相應軸瓦半徑0.35mm和0.30mm。考慮到實際工程中軸瓦在過盈變形后雖然半徑變小但仍不足以對軸產生裝配應力，上述模型尺寸可避免軸與軸瓦間裝配應力的出現。

    2、計算過程

    ABAQUS軟件是當今世界上較為通用的非線性計算分析軟件。

    本計算中主要涉及的非線性過程主要包括螺栓預緊和軸瓦過盈。

    ABAQUS在計算分析中采用計算步（step）的概念，計算按實際工況過程主要分為四個主要步驟。

    2.1 施加螺栓預緊力

    首先，在各螺栓頭、螺母與連桿蓋、連桿相接觸的地方定義接觸對；通過ABAQUS中專為模擬螺栓預緊提供的模型（*Pre-tension section）在每個螺栓中建立一個預緊面；最后在每個預緊面模型的參考點施加55kn的預緊力約束。

    2.2 軸瓦過盈

    首先，在軸瓦與連桿（或連桿蓋）相接觸的地方定義接觸對；通過*Clearance定義尺寸過盈量（注：value值為負代表過盈，正代表間隙）。

    2.3~2.4分別施加慣性力（拉力）和爆炸壓力載荷

    在這兩個過程中，力通過小軸施加在連桿上，而約束限定在大軸上。由于軸與軸瓦之間存在著間隙，因此在這一過程中會有產生自由剛體運動的瞬間，這在有限元的靜力分析中會導致計算不收斂而無法進行。解決的方法是在小軸和連桿上分別引入彈簧約束，只要選擇較小的彈簧剛度系數，則既可限制自由剛體運動，又不會使最終結果產生大的誤差。

    3、計算結果及分析

    3.1連桿應力與疲勞安全系數

    由于連桿是在交變載荷下工作，采用以下公式計算其疲勞安全系數：

圖2連桿在裝配與拉伸載荷作用下應力分布

    連桿應力見圖2、3。最小疲勞安全系數見表2。

圖3連桿在裝配與氣體爆發壓力載荷作用下應力分布#p#分頁標題#e#

    桿桿身與連桿大端的過渡區
    2.1
 
    連桿桿身與連桿小端的過渡區
    2.3
 
    連桿桿身與螺栓頭附近的過渡區
     2.3
 
    連桿桿身與螺母附近的過渡區
     2.3
 
    連桿小端的油孔
     2.5

    3.2 連桿桿身大頭與連桿蓋結合面處的接觸壓力

圖4 在裝配與拉伸載荷作用下連桿桿身大頭與連桿蓋結合面處的接觸壓力

    圖4為第一種方案連桿桿身與連桿蓋結合面處在裝配載荷+拉伸載荷下的法向應力分布，圖為5第一種方案連桿桿身與連桿蓋結合面處在裝配載荷+壓縮載荷下的法向應力分布，圖中的紅色區域表示失去接觸。

圖5 在裝配與氣體爆發壓力載荷作用下連桿桿身大頭與連桿蓋結合面處的接觸壓力

從圖上可以看出，連桿軸瓦與連桿大頭的接觸壓力大部分面積都大于100Mpa。所以，在連桿工作載荷下，連桿軸瓦與連桿大頭不會分離。

圖6為連桿軸瓦與連桿大頭在裝配載荷+拉伸載荷下的壓應力分布

    圖6為連桿軸瓦與連桿大頭在裝配載荷+拉伸載荷下的壓應力分布圖

    4、結論 

    1)采用42CrMoA設計的連桿, 可以滿足其設計工況。 
    2)在連桿工作載荷下，連桿桿身與連桿蓋結合面處在所有工作載荷下的法向應力基本上都大于0Mpa，不會分離。 
    3)連桿大端孔處的變形在允許范圍內。