本文關(guān)鍵詞：多軸疲勞壽命模型及其在曲軸強(qiáng)度分析中的應(yīng)用

  更多相關(guān)文章： 曲軸 多軸疲勞 臨界面 諧振式疲勞試驗 殘余應(yīng)力

【摘要】：盡管傳統(tǒng)觀念認(rèn)為曲軸的疲勞破壞主要是彎曲疲勞形式,但是通過對近年來新型發(fā)動機(jī)出現(xiàn)的曲軸疲勞故障斷口分析發(fā)現(xiàn)：大多數(shù)都表現(xiàn)為典型的彎扭復(fù)合疲勞。說明目前柴油機(jī)高爆壓、輕量化對發(fā)動力零部件疲勞強(qiáng)度評價標(biāo)準(zhǔn)和方式都提出新的要求,傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計理念不能完全滿足現(xiàn)代化的設(shè)計和評價需求。本研究基于精確有限壽命設(shè)計理念,開展了以下幾項工作：1.基于應(yīng)變能的多軸疲勞模型雖然單軸疲勞壽命模型發(fā)展已經(jīng)相對成熟,但是大多數(shù)的機(jī)械零部件都處于多軸應(yīng)力狀態(tài)下,而多軸疲勞壽命模型仍然有很多不完善之處。本研究對現(xiàn)有的疲勞壽命模型進(jìn)行了對比分析研究,發(fā)現(xiàn)由于和臨界面結(jié)合時,應(yīng)力和應(yīng)變模型都因缺乏嚴(yán)格的連續(xù)動力學(xué)基礎(chǔ)而飽受質(zhì)疑,因此針對目前常用疲勞模型的不足之處,提出了一種新的基于臨界面和總應(yīng)變能的多軸疲勞壽命模型。分別針對正應(yīng)變能、剪應(yīng)變能以及總應(yīng)變能三個步驟進(jìn)行了推導(dǎo)。首先,在正應(yīng)變能推導(dǎo)過程中,鑒于SWT模型過分考慮最大應(yīng)力而忽略了應(yīng)力、應(yīng)變幅對疲勞壽命的決定性作用,以及該模型沒有考慮正應(yīng)力在彈塑性階段的不同影響等幾點不足之處,結(jié)合Morrow模型對正應(yīng)變能部分進(jìn)行了優(yōu)化。然后,基于Glinka模型和Chen模型對剪應(yīng)變能部分進(jìn)行了改進(jìn),考慮到Chen模型不但沒有體現(xiàn)平均剪應(yīng)力修正作用,更沒有考慮到存在的正應(yīng)力也會對純剪狀態(tài)下的裂紋的萌生產(chǎn)生影響,而Glinka模型沒有給出具體的壽命表達(dá)式。在剪應(yīng)變能部分的推導(dǎo)過程中不但考慮了平均剪應(yīng)力修正、以及純剪切狀態(tài)下的正應(yīng)力影響,還給出了基于剪應(yīng)變能的具體壽命表達(dá)式。最后將正應(yīng)變能和剪應(yīng)變能部分進(jìn)行了結(jié)合,針對FS模型和VF模型的多軸非比例修正系數(shù)的不足,提出了新的多軸非比例修正系數(shù),并最終確定了多軸比例／非比例疲勞壽命預(yù)測模型。新模型還給出了具體的疲勞壽命Nf的表達(dá)式,并在Nf表達(dá)式中體現(xiàn)了平均應(yīng)力在彈塑性階段的不同修正。為驗證新模型的普遍適用性,分別用SNCM630、LY12CZ、Pure Titanium、 Titanium Alloy BT、7075-T651 Aluminum Alloy、Titanium Alloy TC4等多種材料在單軸拉壓、單軸扭轉(zhuǎn)以及多軸狀態(tài)等多種載荷形式下的試驗數(shù)據(jù)對新模型進(jìn)行了驗證。試驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)的對比結(jié)果表明：新模型無論是在單軸拉壓、扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下,還是在多軸比例／非比例狀態(tài)下,除材料7075-T651 Aluminum Alloy因為試驗數(shù)據(jù)本身的分散性以及材料Titanium Alloy TC4中的兩個數(shù)據(jù)點之外,其它所有的預(yù)測壽命都落在了試驗壽命兩倍的公差帶以內(nèi),總體優(yōu)于目前常用的Manson-Coffin、SWT、KBM、Von.Mises、Chen、FS、VF等模型。2.曲軸的疲勞試驗研究首先基于彎曲疲勞試驗對幾種不同的試驗方法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法進(jìn)行了對比研究,結(jié)果表明：當(dāng)試驗樣本充足時,盡量用升降法進(jìn)行疲勞試驗；當(dāng)樣本數(shù)量少且時間緊迫時,可用疲勞極限統(tǒng)計法獲得稍微偏保守的結(jié)果；采用疲勞極限統(tǒng)計法時,103點法比QCI法能夠較小的改變樣本的分散性；三參數(shù)威布爾分布為處理疲勞試驗數(shù)據(jù)的最佳選擇。然后,通過曲軸的一維軸系計算,對曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的基礎(chǔ)載荷進(jìn)行了確定,以計算所得的最大動扭矩作為扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的基礎(chǔ)扭矩,進(jìn)行了曲軸的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗,并將彎曲疲勞試驗的結(jié)果和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明,在50%存活率下,研究用曲軸的彎曲疲勞載荷系數(shù)為2.0左右,扭轉(zhuǎn)疲勞載荷系數(shù)僅為1.75,這說明只進(jìn)行曲軸彎曲疲勞試驗是有待商榷的。由于動扭矩產(chǎn)生的主要原因是扭振引起的,為了進(jìn)一步驗證動扭矩的影響,對曲軸進(jìn)行了高爆壓的一維軸系計算,計算與試驗對比發(fā)現(xiàn)：在19MPa和22MPa的高爆壓工況下,50%存活率下彎曲疲勞安全系數(shù)為1.9和1.64,扭轉(zhuǎn)疲勞安全系數(shù)為1.6和1.37。僅從彎曲疲勞試驗的結(jié)果來看,即使爆壓由17.5MPa升高至22MPa曲軸仍基本滿足安全性要求；但是在19MPa爆壓下,曲軸的扭轉(zhuǎn)疲勞已經(jīng)不能滿足要求。這進(jìn)一步驗證了扭轉(zhuǎn)疲勞試驗以及曲軸多軸疲勞研究的必要性。3.淬火工藝對曲軸疲勞強(qiáng)度影響的試驗及計算研究表面感應(yīng)淬火是目前鋼曲軸最常用的強(qiáng)化方式,如何將淬火強(qiáng)化作用正確的體現(xiàn)在曲軸的疲勞壽命預(yù)測中是非常重要的。首先通過測試獲得曲軸的表面殘余壓應(yīng)力,并通過淬火和非淬火曲軸彎曲疲勞試驗對比獲得淬火強(qiáng)化系數(shù)。由于曲拐在試驗條件下呈現(xiàn)為空間應(yīng)力狀態(tài),因此對基于空間應(yīng)力張量的臨界面求解過程進(jìn)行研究,并編制成可以直接基于有限元結(jié)果求解臨界面的程序。然后基于試驗載荷對曲拐進(jìn)行了有限元仿真并對疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測,預(yù)測中分別用殘余壓應(yīng)力修正平均應(yīng)力和直接使用試驗所得淬火強(qiáng)化系數(shù)兩種方式來體現(xiàn)淬火效應(yīng)。計算數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的對比表明：用表面殘余應(yīng)力修正平均應(yīng)力的方法得到的計算結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性更好。4.曲軸工作狀態(tài)下的疲勞壽命預(yù)測為求解曲軸在實際工作過程中的疲勞壽命,首先對動態(tài)隨機(jī)載荷的處理方法進(jìn)行了研究,確定了三點雨流法作為隨機(jī)載荷處理方法。由于曲軸在工作過程中不僅為空間應(yīng)力狀態(tài),其應(yīng)力張量還是隨時間變化的,因此在空間應(yīng)力臨界面求解程序的基礎(chǔ)上,又對空間動應(yīng)力狀態(tài)下的臨界面的求解過程進(jìn)行了改進(jìn),并編制成可以直接對曲軸動應(yīng)力計算結(jié)果進(jìn)行求解的程序。最后,提取曲軸動應(yīng)力計算的結(jié)果,運(yùn)用新的疲勞壽命模型、空間動應(yīng)力臨界面求解程序、隨機(jī)載荷處理的雨流方法以及淬火效應(yīng)修正方法對曲軸疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。在求得曲軸50%存活率下疲勞壽命的基礎(chǔ)上,還引入分散度的概念計算了曲軸在各存活率下的疲勞壽命。計算結(jié)果為：在99.99%存活率要求下,各轉(zhuǎn)速下曲軸都能夠滿足107循環(huán)壽命要求；但是在99.997%的存活率要求下,轉(zhuǎn)速為2100r/min時曲軸的疲勞壽命僅為8.9×106循環(huán)。與無限壽命預(yù)測所給出的安全系數(shù)相比,有限壽命設(shè)計能夠更加精確的給出零部件的服役壽命,這符合精準(zhǔn)設(shè)計的發(fā)展要求。
【關(guān)鍵詞】：曲軸 多軸疲勞 臨界面 諧振式疲勞試驗 殘余應(yīng)力
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK403
【目錄】：

• 摘要13-16
• ABSTRACT16-20
• 主要符號說明20-21
• 第一章 緒論21-39
• 1.1 課題研究背景與意義21-22
• 1.2 疲勞設(shè)計基本方法簡介22-25
• 1.2.1 基于應(yīng)力的抗疲勞設(shè)計方法22-24
• 1.2.2 基于應(yīng)變的抗疲勞設(shè)計方法24
• 1.2.3 損傷容限設(shè)計方法24-25
• 1.3 金屬材料多軸疲勞理論發(fā)展現(xiàn)狀25-32
• 1.3.1 基于應(yīng)力的多軸疲勞準(zhǔn)則26-27
• 1.3.2 基于應(yīng)變的多軸疲勞準(zhǔn)則27-29
• 1.3.3 基于應(yīng)變能的多軸疲勞準(zhǔn)則29-32
• 1.4 疲勞試驗方法及數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法32-38
• 1.4.1 升降法32-34
• 1.4.2 疲勞極限統(tǒng)計法34-37
• 1.4.3 疲勞可靠性統(tǒng)計模型37-38
• 1.5 論文的主要研究內(nèi)容38-39
• 第二章 多軸疲勞壽命預(yù)測模型研究39-62
• 2.1 引言39
• 2.2 標(biāo)準(zhǔn)薄壁圓管試樣的受力分析及臨界面的推導(dǎo)39-42
• 2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)薄壁圓管試樣的受力分析39-41
• 2.2.2 基于薄壁圓管的臨界面的確定及推導(dǎo)41-42
• 2.3 多軸疲勞壽命模型的推導(dǎo)42-46
• 2.3.1 正應(yīng)變能部分42-43
• 2.3.2 剪應(yīng)變能部分43-44
• 2.3.3 多軸模型44-46
• 2.4 預(yù)測壽命與試驗壽命的對比46-60
• 2.4.1 單軸拉壓載荷下的預(yù)測壽命與試驗數(shù)據(jù)對比46-50
• 2.4.2 單軸扭轉(zhuǎn)載荷下的預(yù)測壽命與試驗數(shù)據(jù)對比50-53
• 2.4.3 多軸載荷下的預(yù)測壽命與試驗數(shù)據(jù)對比53-60
• 2.5 本章小結(jié)60-62
• 第三章 曲軸的疲勞試驗研究62-78
• 3.1 引言62
• 3.2 曲軸疲勞試驗臺結(jié)構(gòu)及加載原理62-65
• 3.2.1 試驗臺簡介62-63
• 3.2.2 載荷施加63-64
• 3.2.3 載荷標(biāo)定64-65
• 3.3 曲軸彎曲疲勞試驗65-70
• 3.3.1 升降法曲軸彎曲疲勞試驗及數(shù)據(jù)處理66-67
• 3.3.2 疲勞極限統(tǒng)計法曲軸彎曲疲勞試驗及數(shù)據(jù)處理67-70
• 3.4 曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗70-74
• 3.4.1 曲軸一維軸系計算及基礎(chǔ)扭矩的確定70-73
• 3.4.2 曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗及結(jié)果處理73-74
• 3.5 曲軸彎曲與扭轉(zhuǎn)疲勞試驗結(jié)果分析74-77
• 3.5.1 曲軸彎曲與扭轉(zhuǎn)疲勞試驗結(jié)果對比分析74-75
• 3.5.2 曲軸提升爆壓一維動力學(xué)仿真及結(jié)果分析75-77
• 3.6 本章小結(jié)77-78
• 第四章 淬火工藝對曲軸疲勞強(qiáng)度影響的試驗及計算研究78-92
• 4.1 引言78
• 4.2 淬火殘余應(yīng)力測試78-82
• 4.2.1 曲軸的淬火狀況78-80
• 4.2.2 殘余應(yīng)力測試原理及結(jié)果80-82
• 4.3 非淬火曲軸的彎曲疲勞試驗82-83
• 4.4 基于曲軸疲勞試驗的仿真計算與對比分析83-91
• 4.4.1 基于空間應(yīng)力應(yīng)變張量的臨界面的求解83-85
• 4.4.2 曲軸疲勞試驗有限元仿真85-86
• 4.4.3 曲軸疲勞試驗?zāi)M壽命預(yù)測及對比分析86-91
• 4.5 本章小結(jié)91-92
• 第五章 基于曲軸動力學(xué)計算結(jié)果的疲勞壽命評價92-105
• 5.1 引言92
• 5.2 隨機(jī)載荷譜的處理92-95
• 5.3 空間動應(yīng)力狀態(tài)下臨界面和疲勞壽命的求解95-98
• 5.3.1 空間動應(yīng)力狀態(tài)下臨界面的求解95-96
• 5.3.2 空間動應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞壽命的求解96-98
• 5.4 曲軸疲勞壽命預(yù)測98-104
• 5.4.1 曲軸的網(wǎng)格劃分及模態(tài)縮減98-99
• 5.4.2 曲軸動力學(xué)計算99-100
• 5.4.3 基于動力學(xué)計算結(jié)果的動態(tài)應(yīng)力計算100-101
• 5.4.4 基于曲軸空間動態(tài)應(yīng)力的疲勞壽命預(yù)測101-104
• 5.5 本章小結(jié)104-105
• 第六章 結(jié)論及展望105-108
• 6.1 全文總結(jié)105-106
• 6.2 論文創(chuàng)新點106-107
• 6.3 論文不足及展望107-108
• 參考文獻(xiàn)108-114
• 致謝114-115
• 攻讀博士學(xué)位期間主要成果115-116
• 附件1116-138
• 附件2138

【引證文獻(xiàn)】

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 溫世杰;張曉靜;趙志強(qiáng);;曲軸中頻淬火處理后殘余應(yīng)力對疲勞壽命影響的仿真分析[A];第五屆中國CAE工程分析技術(shù)年會論文集[C];2009年

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本文編號：1022945