曲轴疲劳寿命三维有限元分析

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第1 6卷第 1期20 07年 3月

计算机辅助工程C OMP T DED ENG N RI G U ER AI I EE N

Vo. 6 No 1 11 .Ma .2 o r 07

文章编号：0 60 7 (0 7 0 -0 5 5 10 -8 1 2 0 ) 1 0 - 0 0

曲轴疲劳寿命三维有限元分析何兵，郑长江，艾 钢(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 2 0 9 ) 00 0

摘要：针对影响曲轴疲劳寿命的众多复杂因素以及准确估计曲轴疲劳寿命难度大的问题， 以某

型柴油机组成的动力装置为原始模型，用三维有限元模态分析计算柴油机曲轴的动态应力， 运应用动应力载荷谱疲劳计算方法分析曲轴疲劳寿命.实验比较不同情况的曲轴疲劳寿命，比较后的相对值非常可靠.

关键词：柴油机；曲轴；劳寿命；疲三维有限元；态分析；模动态应力； S a a; CFtu M CPt n MS age r i中图分类号： 2 1 8 T 4 3 3 0 4 .2; K 2 . 1文献标志码： A

3 fn t lm e ta a y i n c a k h f a i ue l e s a D ie e e n n l ss o r n s a tf tg i -p n i f

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sr s;MS a rn;MS ai u t s e CPt a CFt e g

O引言 曲轴是柴油机的关键部件之一，它受周期性变化的气缸压力与活塞连杆组件等惯性力的共同作用对外输出扭矩，同时还受到轴系扭振力的影响 .复杂

没有考虑实际动载荷以及弯振、振对曲轴疲劳寿扭命所带来的影响 . 近年来，随着计算分析技术的发展以及计算机

软、硬件水平的不断提高，在分析领域引入较为先进的模态分析计算方法 .应用该方法可研究分析曲轴的动态应力，再应用动应力载荷谱疲劳计算方法对曲轴的疲劳寿命进行计算分析.

的作用力在曲轴内产生交变的弯曲应力和扭转应力，并在曲柄销轴颈与主轴颈等过渡圆角部位出现应力集中的情况 .

根据现行船舶规范，柴油机曲轴强度评定方法主要涉及两方面的内容：一是曲轴静态疲劳强度分析；二是曲轴轴系扭振分析.这些方法简便实用，但收稿日期：0 6- 2- 5修回日期：0 6- 2- 5 20 1 0 2 0 1 1

1曲轴静态疲劳强度分析方法 曲轴静态疲劳强度分析主要依据最大应变能量强度理论，计算分析交变弯曲应力和交变扭转应力，

基金项目：中国船舶重工集团公司第七一一研究所高新项目科研基金 ( 2o一 X C 1 .0 zo 5G -0 2 O )

作者简介：何

兵 (9 3.,湖南新宁人，究员，究方向为柴油机设计，E

m i h b g s -1 .o 16 )男，研研 ( a )e i@c c 1cr l n i7 n

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20 07生

并按此理论合成当量交变应力进行疲劳强度校核. 计算时，将曲轴作为连续梁，并认为在活塞上止点由 于爆发压力的作用使曲轴内部弯曲应力最大，下止点时应力最小，同时认为连杆轴颈或主轴颈与曲臂连接的过渡圆角处是曲轴应力最为集中的部位. 目前常将连续梁和三维有限元法相结合应用在静态分

分析的目的是找出那些主要模态，以了解构件振动特性的本质 .

目前模态分析法在试验研究中采用得较多，在

发动机及其部件的振动及噪声研究分析等方面都取得很好的效果 .

析中，计算曲轴主轴颈倒圆角等薄弱处的最大应力，图 1例示明静态分析时曲轴连杆轴颈上人为确定举

3基于模态分析的曲轴系统柔体 动力学计算对于曲轴系统在载荷 (气缸内气体作用力、惯性力和摩擦力等)作用下的动力学方程表示为[] () { f}+[{ () C] f}+[] U() { t}={ t} P() () 2

的等效载荷情况.为便于分析，假定作用力沿连杆轴颈方向按二次抛物线规律分布，连杆轴颈圆周沿 10。 10。 2一 8角范围内按余弦规律分布.

式( )[] 2中： 为质量矩阵；为刚度矩阵；[] [] c为阻尼矩阵； U t}{ ()为位移向量；P t}{ ()为载荷向量.图 1静态分析时的连杆轴颈上载荷

根据船舶规范，轴尺度用曲轴疲劳强度值曲一

曲轴具有各阶不同频率的模态，每一阶模态都有其相对应的模态参数，固有频率和振型.如曲轴在外载荷下真实的变形量 (位移{ () ) U t}可以看作是各阶模态所产生位移的叠加效果.{ t}=[] q t} U() { () () 3式 ( ): U()是一个列向量，征曲轴内 3中{ t}表

与当量交变应力的比值即合格系数 Q确定.】 _ JQ: ≥ 1 1 .5 () 1

式 ( ),一为对称循环载荷下的疲劳极限， 1中 为当量交变应力 .

传统静态疲劳分析方法在曲轴疲劳强度分析方面应用广泛，有 3个主要缺点：1但 ( )运用的近似理论较多，为因素影响较大；2人 (

)只考虑最大应力对疲劳的影响因素，略其他应力对疲劳的累积影响忽

质量点的位移；是振型矩阵，[]由与 n自振频率个相对应的 n个标准化振型向量组成，]阶数与[的提取曲轴的模态数相同； g t}列向量，曲轴{ ()是是内各质量点对应的模态坐标，q t}{ ()的数值基本反

映对应固有频率下各种振型 (如弯曲和扭转等 )对曲轴变形影响大小的程度. 将式() 3展开得{ t}={}g()+{}g()+…+ U() 11t 22t

效应；3 ( )由于属于静态计算方法，所以不能考虑系统因振动所产生的扭振、弯振及耦合振动对疲劳的影响.

2模态分析技术随着柴油机技术指标的不断提高，油机曲轴柴的振动问题更加突出，中弯振和扭振已经成为柴其

g f=∑ ) ( g f () ) 4 ( 可见，对于曲轴的位移{ t} U()而言，先求出曲 轴的各阶频率，,,, … 可得出曲轴振型矩阵[以及各阶振型向量{},},{}将式 ] { …, .() 4代人式 ( )求解动力学方程中未知量{ t} 2, U()就转化为求解模态坐标{ () . q t}求解出模态坐标之

油机疲劳寿命研究方面不可避免的课题，传统的基于静态最大应力的研究方法已不再适用于柴油机振

动问题的研究.模态分析技术作为一种结构动态特性分析手段，可以有效反映柴油机曲轴扭振和弯振的振动特性，计算出由这两种振动所引起的曲轴内的疲劳应力，行疲劳寿命分析 .进

后再求得位移{ (), U t}然后再将{ t} U()转化为曲轴内部的应力，提取到应力随时间变化的数据，后最提取应力值进行疲劳分析 .

模态分析是将构件的复杂振动 …… 此处隐藏：5207字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……