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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。