基于FEMFAT的曲轴疲劳分析

2 曲拐的有限元模型 2 疲劳模型 本文中曲轴的材料
3 缸压曲线
4 曲柄销及 曲柄销 轴颈处载荷
31CrMov9，其 S-N 曲线表达式如
log σ K C N + σ af,C − K C N cf,C , N cf,C > N > 0 = a σ ,N > N af,C cf,C
相交圆角处出 最大拉 力 在爆压力工况，如 在爆压力工况
臂相连处的圆角处出 相连处的圆角处出 最大的压 力 经过计算得出
2
柄臂相连的圆角处 力幅值最大
1 最大拉工况
2 最大压工况 5 力分析结果
3
力幅值
将有限元计算结果导入疲劳分析软件得到疲劳 力结果 区域，从 6 中看出 区域
中白颜色的区域就是 力幅值 化很小的
1
式中
σaf,C
疲劳强度极限，Kc
曲线斜率，Ncf,C Kc
极限循 次数
基于影响因子的疲劳安全系数分析 基于影响因子的疲劳安全系数分析，根据 FKM 标准，考虑到 力 度 平均 力 加工工艺 可靠 性等因素的影响， S/N 曲线的 个参数 σaf,C Ncf,C 进行修 力极限 表面处理 几何尺 时，考虑到 考虑到交 载荷 温度 统计 材料参数 首先， 于疲劳强度极限σaf,C 进行修 时，考虑到交 影响 力 度 平均 力等影响因子 其次， 力 度 表面粗糙度/锻造
3
2.617 ，均在 480 2.6171
节点
处，两者结果相差 6.6% 3 简化法和 同法计算曲轴疲劳所采用的疲劳分析原理相同，只是在工况选 虑到全载荷周期的工况，简化法采用关键工况模拟出全载荷周期 4 在设计初期使用简化法 疲劳性能进行研究 5 通过 曲轴疲劳分析方法的研究，能更好的通过有限元分析指导设计，缩短研发周期
曲柄销和 轴颈处分 耦合，有限元模型如
1.2 材料 论文中船用柴油机曲轴的材料牌
31CrMov9，在 FEMFAT 的材料 中 到相 的材料，修改极限 杨氏模量 2.11e5Pa，泊松比 0.3，
强度和屈服强度，软件自动将其他相 参数得出， 要参数如
1
极限强度 12
900MPa，屈服强度
690 690MPa 疲劳极限
根据曲轴一个周期内的实际 力结果，作 力结果 疲
7 中可以看出，最危险的区域也在 最危险的区域也在 轴颈 曲柄销
节点处出 最大 力幅值 144.4MPa，最小安全系数 最小安全系数 2.6171
3.3 结果 比分析 通过 6 和 7 可以清楚的看到 可以清楚的看到两种 同载荷提 方案 果云 可以看出，危险区域都在曲柄销 危险区域都在曲柄销
的疲劳安全系数的 疲劳安全系数的结果 比 由两者的结
轴颈和曲柄臂的连接圆角部分 其中最危险的区域 曲柄销和
曲柄臂的内侧连接圆角 从区域的范围来看，简化的方案得到的疲劳危险区域较小 从区域的范围来看 简化的方案得到的疲劳危险区域较小，而根据全载荷周期计 算疲劳结果的区域范围较大 计算出最小安全系数分 简化法和 同法计算出最小安全系数分 两个结果相差 6.6% 力幅值分 2.7957 和 2.6172，且都是 480 单元出 最小安全系数 156MPa 和 144.4MPa，简化法计算出 简化法计算出
力幅值 力幅值大于 同法 可见，
在设计初期使用简化法 曲轴进行疲劳安全系数的预测是可行的，在 曲轴进行疲劳安全系数的预测是可行的 在 细设计阶段可以使用 同法 疲劳 性能进行研究 4 结论 1 基于 FEMFAT 中 BASIC 模块和 CHANNEL MAX 模块，并根据 FKM 标准建立疲劳模型 曲拐进行 了疲劳分析 2 简化法计算出最小疲劳安全系数 2.7957， 同法计算出最小安全系数
基于 FEMFAT 的曲轴疲劳分析
王奎，刘利军，张琼宇 沪东重机有限公 摘 要 分 采用简化法 同法 某船用柴油机曲轴疲劳分析方法进行研究 根据 FKM 标准建立 疲劳分析模型， 在进行曲轴疲劳计算时， 均考虑了 力 度 平均 力 加工工艺 可靠性等因素的影响 计算出曲轴疲劳安全系数和 力幅值 结果表明简化法计算出的最小安全系数和 关键词 柴油机 曲轴 FEMFAT FKM 力幅值略大于 同法
于曲线斜率进行修
平均 力等影响因子 力 最后， 极限循 次数 Ncf,C 进行修 时，考虑到局 力极限等影
部 S/N 曲线 热机 参数 平均 力 局部 S/N 曲线极限疲劳强度 材料 拉力/压力的交 响因子 处理,影响数值 1.30 其余参数由软件 FEMFAT 根据 FKM 经验公式自动算出
根据 FKM 标准，选 选 的 要参数有 要参数 表面粗糙度 RZ=3.2µm，统计学影响 统计学影响 90%，表面采用渗氮
3 结果分析 讨论 3.1 简化计算结果 考虑了在活塞 简化载荷进行分析时，考虑了在 算结果如 6 所示 在惯性力工况， ，如 点时曲轴 最大拉力工况以及在爆压力时曲轴最大 爆压力时曲轴最大 压 计 5 1 所示，可以看出曲轴有向 可以看出曲轴有向 拉伸趋势，在曲柄销 拉伸趋势 曲柄臂 5 2 所示，曲轴有被向 曲轴有被向 压缩趋势，在曲柄销 压缩趋势 曲柄 力幅值，如 5 3 所示， ，可以看出在曲柄销 曲
于简化法，利用理论公式计算出关键工况 的载荷
VIRTUAL ENGINE 动力学分析软件提 一个周期内的载荷历程 根据 FKM 标准建立疲劳分析模型进行曲 轴疲劳计算时，简化法和 同法均考虑了 力 度 平均 力 加工工艺 可靠性等因素的影响，经过计 算分 得出两种方案的疲劳结果
1 曲轴疲劳分析流程 1 有限元模型 1.1 网格模型 本模型包 并 61494 个单元， 其中四面体 44364 个， 楔形单元 17130 个， 单元类型分 2 所示 C3D10I 和 C3D15，
力幅值
2
疲劳安全系数
7 根据全载荷周期计算疲劳分析结果
同仿真分析计算 先计算出七个通道
的单
载荷 力，做 力 疲劳计算的输入条件 同时将七个通道 七个通道
的载荷谱进
行输入 根据线性叠加，可以得到曲拐的实际 可以得到曲拐的实际 力结果 劳分析的 力曲线，计算出曲轴疲劳安全系数 计算出曲轴疲劳安全系数 从 曲柄臂的连接圆角处 相 的在 480
参考文献 [1]FEMFAT THEORY [2]王 良,胡德波.386Q 型发动机曲轴疲劳强度有限元分析[J].内燃机学报,2000,18 (3):270~274.
有些差异， 同法考
曲轴进行疲劳安全系数的预测是可行的，在 细设计阶段可以使用 同法
[3]Heath A R,McNamara P M. Crankshaft Stress Analysis-Combination of Finite Element and Classical Analysis Techniques [J].ASME J Eng for Gas Turbines and Power,1990,112(7):268~271. [4]徐卫 [5]骆清 ,黄荣 ,赵淼森等.曲轴强度计算新方法的研究[J].内燃机工程,2004,25(5):51～55. 术的曲轴疲劳强度分析[J].车辆 动力 术,2012,02:51～54.
437108. 437108.4N 在加载时，将耦合点 CP2 固定，分 分 在耦合点 CP1 处施加压力
和拉力 耦合点 CP1 和 CP2 见 同仿真分析载荷
AL ENGINE 中以 在动力学软件 VIRTUAL 4 所示
3 缸压曲线作 输入条件，并确定点火顺序 确定点火顺序， 曲轴系统进
行动力学仿真 然后，根据多体动力计算 多体动力计算结果，提 曲柄销及 轴颈处的载荷历程 历程，提 的各通道载荷如
The fatigue analysis for a marine diesel crankshaft based on FEMFAT
WANG Kui, LIU Lijun,ZHANG Qiongyu
Abstract: The fatigue analysis methods for a marine diesel crankshaft were studied by respectively using the simplified method and collaborative method. According to FKM standard, the fatigue analysis models were established, during the crankshaft fatigue calculation, stress gradients, mean stress, processing technology, reliability, and other influence factors were considered in both simplified method and collaborative method. The safety factor and stress amplitudes were calculated. The results show that the safety factor and stress amplitudes calculated by the simplified method is slightly greater than the collaborative method. Key words: marine diesel engine; crankshaft; FEMFAT; FKM 0 概述 FEMFAT 是一套面向工程开发的疲劳强度分析和优化的软件，在各行业的 用相当广泛 本文基于 FEMFAT 的基础 BASIC 模块以及 CHANNEL MAX 模块分 模块分 简化法和 同法 某船用柴油机曲轴进行了疲劳分析， 这两个 于 同法，采用
405MPa，疲劳循 疲劳循 极限
2e6 次，S/N 曲线斜率