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多轴疲劳寿命模型及其在曲轴强度分析中的应用

孙楠楠  
【摘要】:尽管传统观念认为曲轴的疲劳破坏主要是弯曲疲劳形式,但是通过对近年来新型发动机出现的曲轴疲劳故障断口分析发现:大多数都表现为典型的弯扭复合疲劳。说明目前柴油机高爆压、轻量化对发动力零部件疲劳强度评价标准和方式都提出新的要求,传统的无限寿命设计理念不能完全满足现代化的设计和评价需求。本研究基于精确有限寿命设计理念,开展了以下几项工作:1.基于应变能的多轴疲劳模型虽然单轴疲劳寿命模型发展已经相对成熟,但是大多数的机械零部件都处于多轴应力状态下,而多轴疲劳寿命模型仍然有很多不完善之处。本研究对现有的疲劳寿命模型进行了对比分析研究,发现由于和临界面结合时,应力和应变模型都因缺乏严格的连续动力学基础而饱受质疑,因此针对目前常用疲劳模型的不足之处,提出了一种新的基于临界面和总应变能的多轴疲劳寿命模型。分别针对正应变能、剪应变能以及总应变能三个步骤进行了推导。首先,在正应变能推导过程中,鉴于SWT模型过分考虑最大应力而忽略了应力、应变幅对疲劳寿命的决定性作用,以及该模型没有考虑正应力在弹塑性阶段的不同影响等几点不足之处,结合Morrow模型对正应变能部分进行了优化。然后,基于Glinka模型和Chen模型对剪应变能部分进行了改进,考虑到Chen模型不但没有体现平均剪应力修正作用,更没有考虑到存在的正应力也会对纯剪状态下的裂纹的萌生产生影响,而Glinka模型没有给出具体的寿命表达式。在剪应变能部分的推导过程中不但考虑了平均剪应力修正、以及纯剪切状态下的正应力影响,还给出了基于剪应变能的具体寿命表达式。最后将正应变能和剪应变能部分进行了结合,针对FS模型和VF模型的多轴非比例修正系数的不足,提出了新的多轴非比例修正系数,并最终确定了多轴比例/非比例疲劳寿命预测模型。新模型还给出了具体的疲劳寿命Nf的表达式,并在Nf表达式中体现了平均应力在弹塑性阶段的不同修正。为验证新模型的普遍适用性,分别用SNCM630、LY12CZ、Pure Titanium、 Titanium Alloy BT、7075-T651 Aluminum Alloy、Titanium Alloy TC4等多种材料在单轴拉压、单轴扭转以及多轴状态等多种载荷形式下的试验数据对新模型进行了验证。试验数据与计算数据的对比结果表明:新模型无论是在单轴拉压、扭转状态下,还是在多轴比例/非比例状态下,除材料7075-T651 Aluminum Alloy因为试验数据本身的分散性以及材料Titanium Alloy TC4中的两个数据点之外,其它所有的预测寿命都落在了试验寿命两倍的公差带以内,总体优于目前常用的Manson-Coffin、SWT、KBM、Von.Mises、Chen、FS、VF等模型。2.曲轴的疲劳试验研究首先基于弯曲疲劳试验对几种不同的试验方法和数据统计方法进行了对比研究,结果表明:当试验样本充足时,尽量用升降法进行疲劳试验;当样本数量少且时间紧迫时,可用疲劳极限统计法获得稍微偏保守的结果;采用疲劳极限统计法时,103点法比QCI法能够较小的改变样本的分散性;三参数威布尔分布为处理疲劳试验数据的最佳选择。然后,通过曲轴的一维轴系计算,对曲轴扭转疲劳试验的基础载荷进行了确定,以计算所得的最大动扭矩作为扭转疲劳试验的基础扭矩,进行了曲轴的扭转疲劳试验,并将弯曲疲劳试验的结果和扭转疲劳试验的结果进行了对比。结果表明,在50%存活率下,研究用曲轴的弯曲疲劳载荷系数为2.0左右,扭转疲劳载荷系数仅为1.75,这说明只进行曲轴弯曲疲劳试验是有待商榷的。由于动扭矩产生的主要原因是扭振引起的,为了进一步验证动扭矩的影响,对曲轴进行了高爆压的一维轴系计算,计算与试验对比发现:在19MPa和22MPa的高爆压工况下,50%存活率下弯曲疲劳安全系数为1.9和1.64,扭转疲劳安全系数为1.6和1.37。仅从弯曲疲劳试验的结果来看,即使爆压由17.5MPa升高至22MPa曲轴仍基本满足安全性要求;但是在19MPa爆压下,曲轴的扭转疲劳已经不能满足要求。这进一步验证了扭转疲劳试验以及曲轴多轴疲劳研究的必要性。3.淬火工艺对曲轴疲劳强度影响的试验及计算研究表面感应淬火是目前钢曲轴最常用的强化方式,如何将淬火强化作用正确的体现在曲轴的疲劳寿命预测中是非常重要的。首先通过测试获得曲轴的表面残余压应力,并通过淬火和非淬火曲轴弯曲疲劳试验对比获得淬火强化系数。由于曲拐在试验条件下呈现为空间应力状态,因此对基于空间应力张量的临界面求解过程进行研究,并编制成可以直接基于有限元结果求解临界面的程序。然后基于试验载荷对曲拐进行了有限元仿真并对疲劳寿命进行预测,预测中分别用残余压应力修正平均应力和直接使用试验所得淬火强化系数两种方式来体现淬火效应。计算数据与试验数据的对比表明:用表面残余应力修正平均应力的方法得到的计算结果与试验结果的一致性更好。4.曲轴工作状态下的疲劳寿命预测为求解曲轴在实际工作过程中的疲劳寿命,首先对动态随机载荷的处理方法进行了研究,确定了三点雨流法作为随机载荷处理方法。由于曲轴在工作过程中不仅为空间应力状态,其应力张量还是随时间变化的,因此在空间应力临界面求解程序的基础上,又对空间动应力状态下的临界面的求解过程进行了改进,并编制成可以直接对曲轴动应力计算结果进行求解的程序。最后,提取曲轴动应力计算的结果,运用新的疲劳寿命模型、空间动应力临界面求解程序、随机载荷处理的雨流方法以及淬火效应修正方法对曲轴疲劳寿命进行预测。在求得曲轴50%存活率下疲劳寿命的基础上,还引入分散度的概念计算了曲轴在各存活率下的疲劳寿命。计算结果为:在99.99%存活率要求下,各转速下曲轴都能够满足107循环寿命要求;但是在99.997%的存活率要求下,转速为2100r/min时曲轴的疲劳寿命仅为8.9×106循环。与无限寿命预测所给出的安全系数相比,有限寿命设计能够更加精确的给出零部件的服役寿命,这符合精准设计的发展要求。


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