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)動機(jī)中重要的旋轉(zhuǎn)零件，在運行時受復(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，對發(fā)動機(jī)運行的穩(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耦合連接，施加平面彎矩對稱載荷+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，識別出曲拐的最大主應(yīng)力(Max.Principal Stress)為193 MPa，軟件將自動將其轉(zhuǎn)化為幅值和平均應(yīng)力，以此為計算基礎(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為疲勞分析報告和安全系數(shù)云圖。曲拐受力循環(huán)次數(shù)107時，曲拐最小安全系數(shù)1.79，根據(jù)經(jīng)驗標(biāo)準(zhǔn)，安全系數(shù)應(yīng)大于1，結(jié)構(gòu)安全。

圖4 曲拐疲勞分析報告

圖5 曲拐安全系數(shù)云圖

3 結(jié)論

通過計算得出以下結(jié)論：

(1)疲勞分析考慮了多種疲勞強(qiáng)度影響因素，最大程度真實反應(yīng)零件實際受力狀態(tài)，提供可信的分析預(yù)測結(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：對于有疲勞試驗的曲軸，可參照試驗結(jié)果進(jìn)行修正，用于方案對比；設(shè)計階段的零部件，可進(jìn)行損傷計算，評估壽命；對故障零件，可進(jìn)行疲勞安全系數(shù)校核。