4--基于有限元分析和動(dòng)力學(xué)仿真的曲軸疲勞壽命計(jì)算

1、基于有限元分析和動(dòng)力學(xué)仿真的曲軸疲勞壽命計(jì)算2012-3-3122：08：54來源：兼職編輯字號(hào)：T王勇1楊洋2(1.海軍駐武漢438廠軍代室，武漢430064;2.海軍駐武漢第七一二研究所軍代室，武漢430064)摘要：基于某型十二缸內(nèi)燃機(jī)曲軸的有限元模型，建立了包括曲軸、活塞組、連桿組及飛輪在內(nèi)的三維實(shí)體動(dòng)力學(xué)仿真模型，并考慮慣性力、氣缸壓力和相鄰拐的影響。通過曲軸剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)仿真，計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)工況下曲軸的載荷歷程曲線及最大應(yīng)力，并利用全壽命方法(S-N法)得出了該曲軸的疲勞壽命。在此基礎(chǔ)上，對(duì)內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷與曲軸疲勞壽命關(guān)系進(jìn)行了分析，表明內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷對(duì)曲軸疲勞壽命有顯著的影響。關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)

2、曲軸有限元?jiǎng)討B(tài)仿真疲勞壽命中圖分類號(hào)：TP391.90241.82文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1003-4862(2009)06-0028-041概述曲軸是內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵部件之一的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，并在曲柄銷軸頸與主軸頸等過渡圓角部位出現(xiàn)應(yīng)力集中。根據(jù)現(xiàn)行的船規(guī)1，內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度評(píng)定主要有兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是曲軸靜態(tài)疲勞強(qiáng)度分析;二是曲軸軸系扭振分析。這些方法簡(jiǎn)便實(shí)用，但沒有考慮實(shí)際動(dòng)載荷以及彎振、扭振對(duì)曲軸疲勞壽命所帶來的影響。隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)指標(biāo)的不斷提高，傳統(tǒng)的基于靜態(tài)最大應(yīng)力的研究方法已經(jīng)不再適用于內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)問題的研究。模態(tài)分析技術(shù)作為一種結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的分析手段，可以有效反映內(nèi)燃機(jī)曲軸扭振、

3、彎振的振動(dòng)特性，計(jì)算出由于這兩種振動(dòng)所引起的曲軸內(nèi)的疲勞應(yīng)力，進(jìn)行疲勞壽命的分析。曲軸整體有限元計(jì)算是目前最理想的計(jì)算疲勞分析的方法，很多學(xué)者都進(jìn)行了有益的嘗試，但未考慮慣性力，忽略了相鄰拐的影響，忽略了扭矩的影響2,3。本文考慮了慣性力，氣體壓力和相鄰拐的影響，利用有限元軟件MSC.Patran得出了曲軸在多點(diǎn)約束(MPC)下的自由模態(tài)，動(dòng)力學(xué)仿真軟件MSC.ADAMS對(duì)曲軸系進(jìn)行剛?cè)狍w混合動(dòng)態(tài)仿真得出了曲軸的載荷歷程曲線，并導(dǎo)入疲勞分析軟件MSC.fatigue進(jìn)行了曲軸疲勞壽命計(jì)算。曲軸有限元分析有限元模型曲軸系裝配模型在Pro/E中建立，分析用機(jī)為某型艦用12缸內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸。利用軟

4、件MSC.Patran對(duì)曲軸的完整模型進(jìn)行了四面體網(wǎng)格處理，共有136306個(gè)單元，28462個(gè)節(jié)點(diǎn)。并建立與Adams連接的節(jié)點(diǎn)，利用多點(diǎn)約束(MPC)的特性，用Reb2單元連接節(jié)點(diǎn)與曲軸銷表面的節(jié)點(diǎn)，生成蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有限元模型如圖1。模態(tài)分析曲軸材料為42CrMoA，彈性模量為2.1E+005MPa，泊松比為0.282，密度為7.83E-006kg/mm3，利用軟件MSC.Nastran對(duì)曲軸進(jìn)行有限元模態(tài)分析，產(chǎn)生一個(gè)包含曲軸材料、節(jié)點(diǎn)、單元和模態(tài)信息的模態(tài)中性文件，為下一步ADAMS中建立曲軸的柔性體模型做準(zhǔn)備。得出曲軸的前30階模態(tài)如下表1。前6階為剛體模態(tài)，所以頻率為0，在動(dòng)力學(xué)

5、分析中不需考慮這6階模態(tài)。表1曲軸各階模態(tài)顫率表1757.8913273.7419536.7725774.562QS64.9414342.672D53216u966.6530914S.9S15366.2021616.2027990.92斗10163.9916410.4022A64.653S103S.905Q11205.3D17434.582367S.9129W54.SQ6012217.E118535.53246SS.3Q301090.0D曲軸系動(dòng)態(tài)仿真3.1剛體動(dòng)態(tài)仿真模型曲軸剛體動(dòng)力學(xué)分析模型包括剛性曲軸連桿組活塞組和飛輪。各部件約束及邊界條件如下：采用60發(fā)火間隔角，發(fā)火順序?yàn)锳1-B2-

6、A2-B4-A4-B6-A6-B5-A5-B3-A3-B1-A1。根據(jù)零件間的實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系即可簡(jiǎn)化成MSC.Adams中的運(yùn)動(dòng)副理想約束。設(shè)定曲軸通過軟件AVL計(jì)算得出內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)壓力曲線數(shù)據(jù)，并輸入MSC.Adams形成樣條函數(shù)SPLINE，以測(cè)量曲軸與基礎(chǔ)之間的轉(zhuǎn)角為自變量設(shè)定活塞頂氣體力邊界條件。根據(jù)Me=9550Ne/n,Ne為額定功率，n為轉(zhuǎn)速。計(jì)算內(nèi)燃機(jī)輸出扭矩，并將此扭矩作為阻力矩施加在曲軸輸出端，使得曲軸在分析中保持轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。剛?cè)狍w混合仿真模型由于曲軸作為內(nèi)燃機(jī)的中樞，其柔性作用對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性有非常重要的影響，所以曲軸在工作時(shí)產(chǎn)生的彈性變形必須在計(jì)算分析中予以考慮。本文

7、采用MSC.Adams軟件提取有限元分析所得的曲軸模態(tài)信息文件生成柔性體，在剛體軸系模型中將曲軸進(jìn)行柔性體替換，約束及邊界條件不變，進(jìn)行多柔體動(dòng)力學(xué)仿真，得到曲軸各節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)組合應(yīng)力的時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，作為MSC.Fatigue的計(jì)算輸入數(shù)據(jù)。在此過程中反映扭振應(yīng)力作用因素。本計(jì)算中采用vonMises應(yīng)力。計(jì)算公式為：圖弓IIR細(xì)系剛?cè)醾ヂ┰娙载憳啃?TJK.qurtiM.iJdflJar十-ruEK.wfcOwiaiiT.t心g上申門IE?.wcu?JniQ3圖4域次應(yīng)力總點(diǎn)戟荷詵31Di嚴(yán)蝌弋&，結(jié)果表明：油孔和曲柄與J3仿真計(jì)算io：En_100對(duì)曲軸在60設(shè)計(jì)發(fā)火角和100%負(fù)荷運(yùn)行工況

8、進(jìn)行了計(jì)連鳳及主軸頸的拐角處有應(yīng)力集中。最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及其分布如彈曲帚糕注為加12階模態(tài)由于曲軸的扭振和彎振是造成曲軸疲勞損壞的主要因素，本文提取了彎曲、扭轉(zhuǎn)、彎扭耦合三種典型的振型。圖8為712階模態(tài)影響比較圖，79階為純彎曲模態(tài)，10,11階為彎扭耦合模態(tài)，12階為低頻純扭轉(zhuǎn)模態(tài)，從圖中的實(shí)線12階模態(tài)影響圖可以看出，扭轉(zhuǎn)模態(tài)對(duì)曲軸的變形影響最大，也說明扭振因數(shù)比彎振因數(shù)對(duì)曲軸壽命的影響要顯著得多。曲軸壽命計(jì)算4.1基本疲勞曲線及修正由于曲軸疲勞屬于高周疲勞，一般選取Basquin疲勞關(guān)系式4上式中，勒J(rèn)撫團(tuán)也尸力幅Nf是發(fā)生疲勞破壞的循環(huán)數(shù)，Of是疲勞強(qiáng)度系數(shù)，b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)或Bas

9、quin指數(shù)，對(duì)于大多數(shù)金屬，其值在-0.05到-0.12范圍內(nèi)變動(dòng)。Basquin疲勞關(guān)系式適用于疲勞循環(huán)平均應(yīng)力Om為零的對(duì)稱循環(huán)疲勞載荷。然而，實(shí)際情況不能用平均應(yīng)力為零的對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)來反映，疲勞循環(huán)的平均應(yīng)力水平對(duì)工程材料的疲勞行為有很大影響，可以用恒壽命圖來表示平均應(yīng)力在疲勞中的作用。常用的恒壽命圖模型Goodman(1899)模型如圖6所示：力盼6Goodman帕壽命圖j：.報(bào)據(jù)Basquin勞關(guān)霖武，竝曲曲oA洞痿勞竺=豈=1初(2恥嚴(yán)中2i-t義皿甘曲詞詢？H即疲勞強(qiáng)度系數(shù)Of=1369MPa，疲勞強(qiáng)度指數(shù)b=-0.0739，這一關(guān)系式在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中呈線性關(guān)系，雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中

10、的疲勞壽命曲線圖5如圖2。h-stfuhyu-x疲勞分析將由MSC.Patran得出的曲軸模態(tài)應(yīng)力信息（.op2文件）和MSC.ADAMS動(dòng)態(tài)仿真得到的曲軸載荷歷程曲線（.dac文件）輸入Msc.Fatigue,對(duì)其在60設(shè)計(jì)發(fā)火角、100%負(fù)荷工況進(jìn)行疲勞計(jì)算，并用Goodman法進(jìn)行了平均應(yīng)力修正，可得曲軸壽命，如圖8。由以上計(jì)算可得：曲軸的最危險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在第3個(gè)單拐的圓角處,保留曲軸第3個(gè)單拐的所有特征（包括油孔、圓角等），忽略其它單拐的油孔、圓角等特征，對(duì)第3個(gè)單拐進(jìn)行網(wǎng)格加密處理以增加計(jì)算精度。計(jì)算工況同前，則曲軸壽命如圖9。IIffls曲軸蛾勞遛營(yíng)總母Mil.TMJItVIdlETR

11、：內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷與曲軸疲勞壽命關(guān)系由于內(nèi)燃機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行及扭振應(yīng)力超標(biāo)對(duì)曲軸疲勞壽命有很大的影響。利用有限元法通過改變?cè)贛SC.Adams中仿真的轉(zhuǎn)速，可以方便的仿真曲軸在不同負(fù)荷下的載荷歷程，再提交Msc.Fatigue得出曲軸在不同工況下的壽命。本文對(duì)曲軸在60設(shè)計(jì)發(fā)火角和75%，100%，110%，120%負(fù)荷四種運(yùn)行工況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真和疲勞計(jì)算。北蝕0UM1EI:況ktal.AMtMfHlriSb*ilJ41DU1E圖9曲出11城苛&命骨布圖5密網(wǎng)格)表？不同工況曲軸義勞壽命表負(fù)荷100%荷110%Gif；/120%荷2.2Dxl0S.273.43x101.23xl0：u7.03X1D結(jié)論由計(jì)算結(jié)果可以看出在油孔和曲柄與連桿頸及主軸頸的拐角處有應(yīng)力集中，這與實(shí)際情況完全相符。內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷對(duì)曲軸疲勞壽命有顯著的影響，一定要盡量避免內(nèi)燃機(jī)超負(fù)荷現(xiàn)象發(fā)生。模態(tài)分析法是對(duì)曲軸進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析的可行方法，與通常的靜力分析相比計(jì)算精度提高。由于無法模擬潤(rùn)滑油膜的支撐剛度，此次分析簡(jiǎn)化了主軸承的支撐。以后可在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上模擬主軸承及潤(rùn)滑油膜的支撐剛度,提高計(jì)算精度。參考文獻(xiàn):GJB4000-2000.艦船通用規(guī)范S.中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，2000.陳大榮.船舶內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)M.上海：上海交通大學(xué)出版社，1991.丁培杰，吳昌華.柴油機(jī)曲軸計(jì)算方法發(fā)展的回顧現(xiàn)狀與展望J.內(nèi)燃機(jī)