曲轴轴系的结构强度分析与疲劳寿命估算_朱永梅

Journal o f Mechanical Strength

2010, 32( 6) : 1018- 1021

p 研究简报 p

曲轴轴系的结构强度分析与疲劳寿命估算

X

ANALYSIS OF STRUCTURAL STRENGTH AND PRED ICTION OF FATIGUE LIFE

FOR CRANKSHAFT AND LINK MEC HANISM

朱永梅X X 王明强 刘艳梨

( 江苏科技大学 机械工程学院, 江苏 镇江 212003)

ZHU YongMei WANG MingQiang LIU YanLi

( School o f Mechanical Enginee ring , Jiangsu Unive rsity o f Scie nce and Tec hnology , Zhenjiang Jiangsu 212003, China )

摘要 将多柔体动力学方法引入到曲轴计算中, 建立发动机曲轴轴系的动力学仿真模型, 对曲轴轴 系进行刚柔耦 合 多体运动学和动力学仿真, 为下一步疲劳寿命计 算提供可靠的载荷条 件; 然 后, 从曲 轴所受的 载荷中找 出三个 载荷比 较 大的 时刻, 计算得到其相应时刻的应力和应变分布规律, 找出曲轴受力的危险部位, 为曲轴的动态强度分析提 供数据; 最 后, 结合 Ansys 有限元分析软件和柯顿- 多兰( Certon - Dolan) 理论, 估算 连杆疲 劳寿命, 同 时分析多 级载荷 加载次 序对疲 劳 寿命的影响, 为零部件的主动寿命设计提供参考 数据和理论判据。

关键词 强度 疲劳寿命 动力学 曲轴轴系 中图分类号 TH123. 3 Abstract

Introducing mult-i flexib1e body dynamics to crankshaft computing, a dynamics simulation model of crank and link

mechanism of an engine is built. Based on the rigid and flex coupled model, ADAMS( automatic dynamic analysis of mechanical sys - tems) is used to do a kinematics and dynamic simulation to get dynamic loads. It also provides a reliable characteristic for the body v-i bration noise of next step. Then the bigger loads of three moments are identified from all loads. The distribution law of the stress and strain of correspondi n g moment are achieved and its dangerous parts are found to offer date of dynamic strength analysis. At las t, com - bining the Ansys and the theory of Certon -Dolan, the fatigue life of the link is calculated and the affection of loading order of multilevel loads to fatigue life is analyzed in detail, which have provided the referenced data and the theory of criterion for reliability desi g n.

Key words Strength; Fatigue life; Dynamics; Crankshaft and link mechanism

Cor res pon ding autho r : Z H U Yong Mei , E -mail : zymtt @ 163. com , Tel : + 86- 511- 84401198, Fa x : + 86-511- 84402269 The project supported by the Shipbuilding Industry Defense Technology Pre - research Foundation of China ( No . 07J2. 3. 2) . Manuscript received 20090722, in revi s ed form 20090908.

引言

曲轴轴系是发动机的主要组件之一, 其动力学特 性对发动机的工作可靠性、振动、噪声等有较大影响。 其受周期性变化的气缸压力和惯性力的共同作用, 并 对外输出转矩, 工作负荷非常 大, 容易发 生断裂等破 坏, 因此有必要对曲轴进行强度、模态和疲劳寿命等校 核。

虽然目前很多疲劳可靠性估算模型己经很成熟, 并有效地应用于很多领域, 但对于柴油机关键零部件, 如曲轴、活塞、连杆以及活塞销等, 在随机疲劳行为模 型及可靠性估算模型的理论研究和应用方面还是有欠 缺的。例如文献[ 1] 在实测应力累积频数分布图时忽 略应力的先后次序对疲劳的影响。文献[ 2] 提出基于

联合仿真的疲劳寿命预测方法预测部件的疲劳寿命, 其研究对象为单缸, 而实际应用中多缸发动机较多, 实 际情况复杂, 这样确定危险工况存在一定的误差。文 献[ 3] 针对某单缸发动机曲轴断裂问题, 通过材料的改 变计算最大载荷工况下的变形和应力, 但是在进行强 度分析之前没有考虑动力学特性的影响。

本文以某台四冲 程 V 型八缸发动机曲轴轴系为 研究对象, 建立动力学仿真分析模型, 其中曲轴作为柔 性体处理, 应用有限元分析 软件 Ansys 对其进行模态 分析, 生成 M NF ( modal neutral file) , 利用 ADAMS( auto - matic dynamic analysis of mechanical systems )P Vie w 模块, 将柔性体模态变形融入到多体系统的动力学仿真中。 通过 Ansys 分析找出曲轴、连杆等工作时的危险部位, 将应力值取出分别用 Miner 方 法和 Certon -Dolan 方法

X 20090722 收到初稿, 20090908 收到修改稿。船舶工业国防科技预研基金( 07J2. 3. 2) 。

XX 朱永梅, 女, 1969 年 9 月生, 江苏镇江人, 汉族。江苏科技大学机械工程学院副教授, 硕士, 从事机械设 计理论、机械强度、可靠性等研 究。 发

表论文十余篇。

第 32 卷第 6 期 朱永梅等: 曲轴轴系的结构强度分析与疲劳寿命估算 1019

估算疲劳寿命, 比较二者的优劣, 为零部件的主动寿命 设计和保证实际应用的安全性提供依据。

1 曲轴轴系动力学模型建立和结构强度分析

1. 1 曲轴系的多体动力学建模 首先采用三维实体建模软件 UG( unigraphic s ) 完成 柴油机曲轴轴系各零件的实体建模。该四冲程八缸 V 型柴油机曲轴轴系由曲轴、连杆、活塞、活塞销、飞轮、 轴瓦、衬套、机架、平衡块等组成。由气缸内气体爆发 压力通过活塞、连杆驱动曲轴。根据图纸尺寸和装配 要求, 建立的柴油机曲轴轴系总体装配体如图 1 所示。

图 1 曲轴轴系总体装配图 F i g. 1 Whole assembly of crankshaft

将在 UG 中建好的曲轴三维实体模型导入到 An -

sys 中, 进行几何模型的离散化、材料特性定义等有限 元模型处理和计算分析。柔性体曲轴由 Ansys 通过模 态计算导出曲轴的模态中性文件 MNF, 曲轴的模态中 性文件MNF 包含 20 000 Hz 以内的 152 个自由模态, 在 ADAMS P Vie w 中读入生成的曲轴 模态中性 文件 MNF, 创建曲轴柔性体模型。

发动机曲轴轴系的基本作用力有三个, 一是气缸 内的气体爆发压力, 这是主动力; 二是由于曲轴轴系运 动产生的惯性力; 三是曲轴轴系运行时的约束力和摩 擦力。模型中各构件的几何位置参数、质量参数通过 UG 实体模型直接传入到 ADAMS 中, 由 ADAMS 自动计 算出。活塞( 1~ 8) 上作用的各缸气体爆发压力特性根 据已知参数计算数据, 并使用 ADAMS 建立气体压力样 条曲线。在具体施加缸内气体爆发压力边界条件时, 应根据多缸发动机的发火顺序调整各活塞表面的气体 爆发压力相位。调整爆发压力和控制曲轴转速后, 生 成曲轴轴系刚柔耦合多体动力学模型, 并以此为基础 分析曲轴在柔体动力学计算中的机械响应特性。

在生成曲轴轴系柔性多体动力学模型过程中, 需 要注意下面两个问题:

( 1) 将 模 态 中性 文 件 输 入 ADAMS P V i ew 后, AD - AMS P Vie w 会将其原点放在整体惯性坐标系的原点上, 并且与模型中其他零件没有任何关系。运用 ADAMS P Vie w 提供的运动副约束或 柔性连接可将它与其他零 件连接起来。

( 2) 在 ADAMS P Vie w 中输入柔性体后, 可以在其上

施加作用力, 因为柔性曲轴是被动( 被加载) 物体, 可以 通过在柔性体上附加一个无质量连接物体, 将作用力 加在该无质量连接物体上。

1. 2 曲轴系的动力学分析和结构强度分析

在此多体动力学仿真模型基础上, 通过 ADAMS 对 曲轴轴系进行转速 1 500 r P m in 时的动力学仿真预测 分析, 可以获得一系列的位移、速度、加速度和力、力矩 的数据曲线。如图 2 为连杆大、小头的受力曲线, 从图 中可以发现, 气缸气体燃烧压力在一个周期内变化时, 连杆大头受力大于小头受力, 此可为后面进行连杆疲 劳寿命估算提供载荷。

图 2 连杆大小头受力 F i g. 2 Infliction force of link

根据 A DAMS 对曲轴连杆机构的仿真结果, 找出曲 轴受力较大的时刻分别为 0. 025 6 s 、0. 032 s 和 0. 072 s 的时候, 利用由 ADAMS P Vie w 对曲轴轴系柔性多体动 力学模型进行动力学仿真获得的相应时刻动态载荷文 件( loads. lod) , 通过 ADAMS 与 Ansys 的双向数据接口, 导入 Ansys 中, 同时恢复曲轴柔体模型, 将相应时刻的 载荷文件导入 Ansys, 对柔性体进行应力应变分析。在 分析完成后, 比较分析结果, 即可得到曲轴柔性体的应 力应变分布, 同时获得曲轴的最大应力和最大应变, 图 3 为 0. 025 6 s 时的应力应变, 其他两个图略。

从 von Mises 应力分布云图可见, 曲轴主轴颈圆角 和连杆轴颈圆角处是曲轴应力集中的部位。应力较大 的位置在主轴颈圆角和连杆轴颈圆角及中央处。如应 力应变分布图 3 显示, 得到曲轴在工作过程中最大的 应变为 0. 003 02 m, 发生在曲轴左端靠近自由端的平 衡块部分; 曲轴在工作过程中的最大应力为 490 MPa, 发生在第一曲柄销圆角处, 用此处的应力极限值计算 出应力幅, 进行疲劳寿命的计算及校核。这种计算方 法经济高效, 可用于初步设计; 缺点在于只考虑曲轴在 一个发火周期内应力最大值对其疲劳寿命的影响。而 曲轴上任一点应力 ) 时间历程直接决定该点的疲劳寿 命。低于峰值的应力同样会对曲轴造成疲劳损伤, 而 且这种疲劳损伤是可以累积的。下面本文将采用 Cer - ton - Dolan 疲劳累积损伤法则, 分析曲轴的疲劳寿命。

机械强度2010 年1020

E

d

N

i

R1

N

曲线, 对比等幅加载下循环造成的损伤, 推导出变幅载

荷下的循环造成的损伤, 将损伤与疲劳寿命结合起来,

计算循环加载下的等效应力和强度判据。

按Certon-Dolan 理论, 由二级推广到多级载荷情况

下的估算寿命的公式[ 4] 78-80

1

N L = k R d

A i

i= 1

( 1)

( a) 0. 025 6 s 时刻的应力

( a) St ress at 0. 025 6 s

等效应力R q 的计算公式为

l1P d

R q = 1E R n( 2)

强度判据为

i i

0 i= 1

R- 1 R-1

Q = R

q

=l

1 R d1P d ( 3)

N 0i

E

= 1

i n i

( b) 0. 025 6 s 时刻的应变

( b) Strain at 0. 025 6 s

图3 0. 025 6 s 时的应力应变

F i g. 3 Stress and strain at 0. 025 6 s

2 C erton- Dolan 理论方法的分析研究

目前工程界为了避开载荷) 应力的转换, 直接用

实际载荷作为参数进行寿命的估计预测。通过对结构

件的整体有限元分析, 分析危险失效部位的损伤, 进行

疲劳寿命的分析估算。

线性Miner 累积损伤理论尽管是一种极为简便的

估算寿命的理论, 得到广泛的应用, 但是存在着若干缺

式中, l 为应力水平级数; k 为计入疲劳损伤的应力水

平级数; R1 为最高应力水平的应力幅值, MPa; R- 1 为

零件疲劳极限, MPa; R i 为第i 级应力水平的应力幅

值, MPa; n i 为第i 级应力水平下的应力循环; N 1 为最

高应力下的疲劳寿命; N 0 为疲劳极限循环基数; A i 为

第i 级应力R i 作用下的工作循环数与各级应力下总的

循环数之比; d 为Cort en- Dolan 公式的指数, 应由第一

级应力与相同的两级程序疲劳实验得出, 当缺乏实验

数据时, 可近似取d = 0. 85 m; m 为零件S ) N 曲线的

指数[ 5] 。

由于该理论是以最大交变应力下所产生的损伤核

数目与疲劳裂纹的扩展速率为依据的, 因此, 对于低应

力损伤分量占较大比重的场合, 应用该理论比较符合

实际, 同时增加了应力的级数, 从而降低应力先后次序

对疲劳的影响[ 6- 7] 。但是, 可以看出, 它必须知道应力谱

统计数据, 也就是说将载荷的数据转换成应力数据, 或点[ 4]76- 77 , 1线性Miner 累积损伤准则没有考虑在一个通过试验测得。本文借助Ansys 软件将不同载荷下构较复杂的载荷谱中各级载荷的互相影响。o不能计及

低于疲劳极限的低应力所造成的损伤。?不能计及高

应力引起的残余应力以及应变硬化( 或软化) 等因素造

成的有利或有害的影响。因此, 提出修正的线性Miner

累积损伤理论即非线性的疲劳累积损伤理论, 其中最

具有代表性的是Certon-Dolan 理论。

该方法从疲劳的内在物理意义出发, 建立疲劳损

伤和形成裂纹数目之间的关系, 回答构成一个疲劳累

积损伤理论的三个问题, 1一个循环载荷造成的损伤。

o多个载荷循环下损伤的累积规律。?失效时临界损

伤如何规定。考虑到损伤发展速率正比于应力水平,

以及多级变幅载荷下材料的瞬时疲劳损伤与加载的顺

序有关, 同时考虑这种瞬时疲劳损伤是受随机变量的

影响, 本文采用Certon- Dolan 理论, 结合应力疲劳寿命

件所受的载荷直接转换成应力值, 提取应力云图中危

险部位的应力值, 用式( 1) 、式( 2) 、式( 3) 分别计算疲

劳寿命、等效应力、强度判据。这样可以省去很多工作,

从而获得同样的寿命预测效果。

3 曲轴疲劳寿命估算

在有限元模型基础上, 结合机构运动可靠性分析

仿真, 通过与CAE( computer aided engineering) 软件实

行数据交互, 完成曲轴轴系疲劳寿命的估算。本文以曲

轴为例, 进行疲劳寿命的估算。

在以上曲轴的仿真分析中, 输出包含各节点在一

发火周期内的von Mises 应力) 时间历程曲线, 应用雨

流计数法将这些连续载荷时间历程离散化, 得出各级

载荷出现的频次; 然后建立载荷累积频次图, 在至少包

第 32 卷第 6 期 朱永梅等: 曲轴轴系的结构强度分析与疲劳寿命估算 1021

级数 l Stress Grade l

R i P MPa

Frequency

n i Relative T h e rat io R i d A i

of stress R 1

frequency A i R i P R 1 1

385 1 0. 000 4 1. 000 0. 000 40

2 342 4 0. 001 6 0. 888 0. 000 87

3 298 15 0. 006 0 0. 77

4 0. 001 62 4 25

5 50 0. 020 0 0. 662 0. 002 44 5 211 130 0. 052 0 0. 548 0. 002 42

6 168 260 0. 104 0 0. 436 0. 001 51

7 125 490 0. 196 0 0. 325 0. 000 64

8 81 750 0. 300 0 0. 210 0. 000 10 9

38

800 0. 320 0 0. 099

0. 000 00 E

2 500

1. 000 0

0. 010 00

E 5 i N i

括曲轴一个工作循环的谱时间内, 对载荷时间历程进 行顺序调整, 以模拟不同工况的工作载荷谱。

本文提取危险部位数据见表 1, 其中所划分的应 力水平中最大的一级 R 1 = 385 MPa, 相应的疲劳曲线 6

的比较, 其提供的相对值非常可靠并值得信赖。以上算 法计算可由计算机编程实现。

4 结论

上达到破坏的循环次数 N 1 = 6. 08 @ 10 次, 已知该材 本文在多柔体动力学理论基础上, 利用 A DAMS 对 料的疲劳 曲线的指数 m = 6. 0, 疲劳极限 R r = 200 MPa 。由式( 2) 、式( 3) 可算出 R q = 162. 25 MPa, Q = 1. 23。

表 1

数据分析值

Tab. 1 Nu m eri cal anal ysi s

应力比 R i P R 1

某台四冲程V 型八缸的发动机曲轴轴系进行动力学仿 真预测分析; 利用 Ansys 对其进行一个发火周期内的 应力应变分析, 得出最大应力应变及对应的时刻, 以便 为曲轴的进一步优化设计提供理论依据。同时, 通过 Ansys 软件分析处理, 得到曲轴上任一点应力 ) 时间 历程, 取出危险部位的应力值进行疲劳寿命估算。由于 应力水平 频数

相对频率 A i 计及了主要构件弹性特性的影响, 所以该分析结果较 之传统的质点力系分析方法具有更高的分析精度和可 靠性。

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( 1) 用 Miner 法估计零件的疲劳寿命 由于第六级

应力水平以下的损伤分量低于疲劳极 限, 均不计入, 则疲劳寿命估计值为

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1

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R 1 7. 85 @ 108

次循环

由上 可 见, Certon - Dolan 法 计 算 的 疲 劳 寿 命 比 Miner 法的值要低, 通过与疲劳试验的情况相对比表 明, 这种方法可以有效预测曲轴的疲劳寿命, 但是其计 算精度与建模的精确程度有关。同时由于曲轴材料疲 劳曲线的分散性, 所以曲轴疲劳寿命估算的精度还有 待进一步提高, 但是对不同工作情况下曲轴疲劳寿命

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