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        發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸曲拐疲勞分析

        2022-03-22 13:58:24
        黑龍江科學(xué) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:圓角曲軸云圖

        張 影

        (黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,哈爾濱 150000)

        曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的旋轉(zhuǎn)零件,在運(yùn)行時(shí)受復(fù)雜的、往復(fù)周期性變化的載荷,在結(jié)構(gòu)各種失效形式中,疲勞是結(jié)構(gòu)失效的最主要原因之一,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生不利影響。引起疲勞失效的循環(huán)載荷往往小于根據(jù)靜強(qiáng)度分析的安全載荷,傳統(tǒng)的強(qiáng)度分析方法不能解決疲勞問題,因此應(yīng)用疲勞軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞分析具有重要意義。

        1 強(qiáng)度計(jì)算

        1.1 模型

        取曲軸第一曲拐幾何模型,兩端截至主軸頸中面,應(yīng)用Simlab前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用3 mm為基本單元尺寸劃分二階四面體單元,圓角處進(jìn)行加密處理,如圖1,材料參數(shù)見表1。

        圖1 曲拐幾何模型和有限元模型

        表1 材料常數(shù)

        1.2 力及邊界條件

        一側(cè)主軸頸表面與中心點(diǎn)耦合連接,施加平面彎矩對(duì)稱載荷+360.5 N·m(方向豎直向上)、-360.5 N·m(方向豎直向下),模擬彎曲載荷,分別計(jì)算,另一側(cè)主軸面固定。

        1.3 應(yīng)力結(jié)果

        圖2為曲拐Mises應(yīng)力云圖。主軸頸圓角和連桿軸頸圓角處均出現(xiàn)應(yīng)力較大值,最大Mises應(yīng)力為±146.2 MPa。曲軸材料42 CrMo抗拉極限850 MPa,靜態(tài)安全系數(shù)分別為5.81。

        圖2 曲拐應(yīng)力云圖

        2 疲勞分析

        2.1 疲勞分析過程

        2.1.1 應(yīng)力數(shù)據(jù)

        將網(wǎng)格模型(.inp)、應(yīng)力結(jié)果文件(.odb)作為Femfat疲勞軟件的分析輸入,識(shí)別出曲拐的最大主應(yīng)力(Max.Principal Stress)為193 MPa,軟件將自動(dòng)將其轉(zhuǎn)化為幅值和平均應(yīng)力,以此為計(jì)算基礎(chǔ)進(jìn)行疲勞分析。

        2.1.2 材料數(shù)據(jù)

        曲軸材料參數(shù)輸入后,由材料生成器自動(dòng)估算出應(yīng)力-壽命(S-N)曲線,如圖3。

        圖3 材料S-N曲線

        2.1.3 影響參數(shù)設(shè)置

        應(yīng)力梯度:激活,分析中考慮凹槽附近應(yīng)力梯度的支撐效應(yīng)。

        平均應(yīng)力:不激活,分析只考慮應(yīng)力幅值的影響。

        表面粗糙度:選擇Smoothed-60 μm。

        溫度:設(shè)置為室溫20℃。

        存活率:設(shè)置99%。

        2.2 疲勞分析結(jié)果

        圖4- 5為疲勞分析報(bào)告和安全系數(shù)云圖。曲拐受力循環(huán)次數(shù)107時(shí),曲拐最小安全系數(shù)1.79,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),安全系數(shù)應(yīng)大于1,結(jié)構(gòu)安全。

        圖4 曲拐疲勞分析報(bào)告

        圖5 曲拐安全系數(shù)云圖

        3 結(jié)論

        通過計(jì)算得出以下結(jié)論:

        (1)疲勞分析考慮了多種疲勞強(qiáng)度影響因素,最大程度真實(shí)反應(yīng)零件實(shí)際受力狀態(tài),提供可信的分析預(yù)測(cè)結(jié)果,從而加速產(chǎn)品的開發(fā)過程,縮短周期;

        (2)通過應(yīng)力和疲勞仿真分析,計(jì)算出曲軸曲拐最小靜態(tài)安全系數(shù)和疲勞安全系數(shù),判斷結(jié)構(gòu)是否安全;

        (3)應(yīng)用:對(duì)于有疲勞試驗(yàn)的曲軸,可參照試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正,用于方案對(duì)比;設(shè)計(jì)階段的零部件,可進(jìn)行損傷計(jì)算,評(píng)估壽命;對(duì)故障零件,可進(jìn)行疲勞安全系數(shù)校核。

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