多軸疲勞壽命模型及其在曲軸強度分析中的應用.pdf

1、盡管傳統(tǒng)觀念認為曲軸的疲勞破壞主要是彎曲疲勞形式，但是通過對近年來新型發(fā)動機出現(xiàn)的曲軸疲勞故障斷口分析發(fā)現(xiàn):大多數(shù)都表現(xiàn)為典型的彎扭復合疲勞。說明目前柴油機高爆壓、輕量化對發(fā)動力零部件疲勞強度評價標準和方式都提出新的要求，傳統(tǒng)的無限壽命設計理念不能完全滿足現(xiàn)代化的設計和評價需求。本研究基于精確有限壽命設計理念，開展了以下幾項工作:
　　1.基于應變能的多軸疲勞模型
　　雖然單軸疲勞壽命模型發(fā)展已經(jīng)相對成熟，但是大多數(shù)的機械零

2、部件都處于多軸應力狀態(tài)下，而多軸疲勞壽命模型仍然有很多不完善之處。本研究對現(xiàn)有的疲勞壽命模型進行了對比分析研究，發(fā)現(xiàn)由于和臨界面結合時，應力和應變模型都因缺乏嚴格的連續(xù)動力學基礎而飽受質(zhì)疑，因此針對目前常用疲勞模型的不足之處，提出了一種新的基于臨界面和總應變能的多軸疲勞壽命模型。
　　分別針對正應變能、剪應變能以及總應變能三個步驟進行了推導。首先，在正應變能推導過程中，鑒于SWT模型過分考慮最大應力而忽略了應力、應變幅對疲勞壽命的

3、決定性作用，以及該模型沒有考慮正應力在彈塑性階段的不同影響等幾點不足之處，結合Morrow模型對正應變能部分進行了優(yōu)化。然后，基于Glinka模型和Chen模型對剪應變能部分進行了改進，考慮到Chen模型不但沒有體現(xiàn)平均剪應力修正作用，更沒有考慮到存在的正應力也會對純剪狀態(tài)下的裂紋的萌生產(chǎn)生影響，而Glinka模型沒有給出具體的壽命表達式。在剪應變能部分的推導過程中不但考慮了平均剪應力修正、以及純剪切狀態(tài)下的正應力影響，還給出了基于剪應

4、變能的具體壽命表達式。最后將正應變能和剪應變能部分進行了結合，針對FS模型和VF模型的多軸非比例修正系數(shù)的不足，提出了新的多軸非比例修正系數(shù)，并最終確定了多軸比例/非比例疲勞壽命預測模型。新模型還給出了具體的疲勞壽命Nf的表達式，并在Nf表達式中體現(xiàn)了平均應力在彈塑性階段的不同修正。
　　為驗證新模型的普遍適用性，分別用SNCM630、LY12CZ、Pure Titanium、Titanium Alloy BT9、7075-T65

5、1 Aluminum Alloy、Titanium Alloy TC4等多種材料在單軸拉壓、單軸扭轉(zhuǎn)以及多軸狀態(tài)等多種載荷形式下的試驗數(shù)據(jù)對新模型進行了驗證。試驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)的對比結果表明:新模型無論是在單軸拉壓、扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下，還是在多軸比例/非比例狀態(tài)下，除材料7075-T651 Aluminum Alloy因為試驗數(shù)據(jù)本身的分散性以及材料Titanium Alloy TC4中的兩個數(shù)據(jù)點之外，其它所有的預測壽命都落在了試驗壽命兩倍的

6、公差帶以內(nèi)，總體優(yōu)于目前常用的Manson-Coffin、SWT、KBM、Von.Mises、Chen、FS、VF等模型。
　　2.曲軸的疲勞試驗研究
　　首先基于彎曲疲勞試驗對幾種不同的試驗方法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法進行了對比研究，結果表明:當試驗樣本充足時，盡量用升降法進行疲勞試驗;當樣本數(shù)量少且時間緊迫時，可用疲勞極限統(tǒng)計法獲得稍微偏保守的結果;采用疲勞極限統(tǒng)計法時，103點法比QCI法能夠較小的改變樣本的分散性;三參數(shù)威布爾

7、分布為處理疲勞試驗數(shù)據(jù)的最佳選擇。
　　然后，通過曲軸的一維軸系計算，對曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的基礎載荷進行了確定，以計算所得的最大動扭矩作為扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的基礎扭矩，進行了曲軸的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗，并將彎曲疲勞試驗的結果和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的結果進行了對比。結果表明，在50％存活率下，研究用曲軸的彎曲疲勞載荷系數(shù)為2.0左右，扭轉(zhuǎn)疲勞載荷系數(shù)僅為1.75，這說明只進行曲軸彎曲疲勞試驗是有待商榷的。由于動扭矩產(chǎn)生的主要原因是扭振引起的，為了進一步驗證

8、動扭矩的影響，對曲軸進行了高爆壓的一維軸系計算，計算與試驗對比發(fā)現(xiàn):在19MPa和22MPa的高爆壓工況下，50％存活率下彎曲疲勞安全系數(shù)為1.9和1.64，扭轉(zhuǎn)疲勞安全系數(shù)為1.6和1.37。僅從彎曲疲勞試驗的結果來看，即使爆壓由17.5MPa升高至22MPa曲軸仍基本滿足安全性要求;但是在19MPa爆壓下，曲軸的扭轉(zhuǎn)疲勞已經(jīng)不能滿足要求。這進一步驗證了扭轉(zhuǎn)疲勞試驗以及曲軸多軸疲勞研究的必要性。
　　3.淬火工藝對曲軸疲勞強度影

9、響的試驗及計算研究
　　表面感應淬火是目前鋼曲軸最常用的強化方式，如何將淬火強化作用正確的體現(xiàn)在曲軸的疲勞壽命預測中是非常重要的。
　　首先通過測試獲得曲軸的表面殘余壓應力，并通過淬火和非淬火曲軸彎曲疲勞試驗對比獲得淬火強化系數(shù)。由于曲拐在試驗條件下呈現(xiàn)為空間應力狀態(tài)，因此對基于空間應力張量的臨界面求解過程進行研究，并編制成可以直接基于有限元結果求解臨界面的程序。然后基于試驗載荷對曲拐進行了有限元仿真并對疲勞壽命進行預測，預

10、測中分別用殘余壓應力修正平均應力和直接使用試驗所得淬火強化系數(shù)兩種方式來體現(xiàn)淬火效應。計算數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的對比表明:用表面殘余應力修正平均應力的方法得到的計算結果與試驗結果的一致性更好。
　　4.曲軸工作狀態(tài)下的疲勞壽命預測
　　為求解曲軸在實際工作過程中的疲勞壽命，首先對動態(tài)隨機載荷的處理方法進行了研究，確定了三點雨流法作為隨機載荷處理方法。由于曲軸在工作過程中不僅為空間應力狀態(tài)，其應力張量還是隨時間變化的，因此在空間應力

11、臨界面求解程序的基礎上，又對空間動應力狀態(tài)下的臨界面的求解過程進行了改進，并編制成可以直接對曲軸動應力計算結果進行求解的程序。最后，提取曲軸動應力計算的結果，運用新的疲勞壽命模型、空間動應力臨界面求解程序、隨機載荷處理的雨流方法以及淬火效應修正方法對曲軸疲勞壽命進行預測。在求得曲軸50％存活率下疲勞壽命的基礎上，還引入分散度的概念計算了曲軸在各存活率下的疲勞壽命。計算結果為:在99.99％存活率要求下，各轉(zhuǎn)速下曲軸都能夠滿足107循環(huán)壽