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基于瞬态动力学的气缸盖多轴疲劳寿命预测及研究

段牧染  
【摘要】:气缸盖作为柴油机的关键零件之一,在工作过程中承受着螺栓力、燃气压力和热负荷的周期性作用,其应力、应变和变形发生周期性的变化。随着强化程度的不断提高,多轴疲劳寿命问题逐渐成为研究热点。针对这一问题,本文以某V型柴油机为例,以气缸盖的一个整缸作为研究对象,在瞬态动力学问题及多轴疲劳寿命预测理论基础上,建立了气缸盖有限元模型、进行了气缸盖的瞬态动力学分析、开展了气缸盖的多轴疲劳寿命预测研究。在气缸盖的多轴疲劳寿命预测研究中对各种计算方法及影响因素进行了一定的探索,为更准确的预测气缸盖的多轴疲劳寿命提供了支撑。 运用建模软件建立气缸盖、机体、缸套、缸垫、螺栓等零件的三维几何实体模型,然后将其导入专业的网格划分软件中对各个零件进行材料、属性的设置,在保证计算结果准确度的前提下,针对各个零件的结构特点,对结构进行一定的简化,并选择合理的单元类型和单元尺寸进行网格划分。分别在气缸盖与缸垫、气缸盖与螺栓、机体与缸垫等零件之间定义5对接触关系,模拟气缸盖的工作条件,施加约束、螺栓力和燃气压力。完成气缸盖组合结构的有限元模型的建立,为瞬态动力学分析提供了有限元模型。 运用有限元分析软件,采用直接积分法中的完全积分法进行动态响应分析,得到各个节点位移和应力的时间历程,分析气缸盖上各个位置的位移和应力的时间历程,获得气缸盖不同位置的位移和应变时间历程的对比图线。为气缸盖的结构设计及改进提供理论依据,也为气缸盖的多轴疲劳寿命预测提供了数据。 将瞬态动力学分析的计算结果导入疲劳寿命计算软件中,定义材料的属性,编制LDF文件,选择临界平面法中的Brown-Miller法作为多轴疲劳寿命计算方法,预测气缸盖的多轴疲劳寿命,获得气缸盖多轴疲劳寿命分布情况及安全系数图,引入威布尔寿命可靠度计算模型,对气缸盖在给定设计期望寿命值前提下的多轴疲劳寿命值进行可靠度研究。 通过对气缸盖火力面、上部加工表面在不同粗糙度下的多轴疲劳寿命情况进行研究,发现提高气缸盖的表面加工质量是提高多轴疲劳寿命的一种有效措施,后续的分析模型中都考虑了粗糙度因素。研究气缸盖在三种多轴疲劳寿命计算模型下的疲劳寿命的区别,发现Brown-Miller法比正应变模型和剪应变模型更适合于气缸盖的多轴疲劳寿命计算。同时研究气缸盖在传统单轴计算模型下的疲劳寿命,与多轴疲劳寿命计算模型结果对比有待于进一步的试验验证。


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