Journal o f Mechanical Strength2010, 32( 6) : 1018- 1021p 研究简报 p曲轴轴系的结构强度分析与疲劳寿命估算XANALYSIS OF STRUCTURAL STRENGTH AND PRED ICTION OF FATIGUE LIFEFOR CRANKSHAFT AND LINK MEC HANISM朱永梅X X 王明强 刘艳梨( 江苏科技大学 机械工程学院, 江苏 镇江 212003)ZHU YongMei WANG MingQiang LIU YanLi( School o f Mechanical Enginee ring , Jiangsu Unive rsity o f Scie nce and Tec hnology , Zhenjiang Jiangsu 212003, China )摘要 将多柔体动力学方法引入到曲轴计算中, 建立发动机曲轴轴系的动力学仿真模型, 对曲轴轴 系进行刚柔耦 合 多体运动学和动力学仿真, 为下一步疲劳寿命计 算提供可靠的载荷条 件; 然 后, 从曲 轴所受的 载荷中找 出三个 载荷比 较 大的 时刻, 计算得到其相应时刻的应力和应变分布规律, 找出曲轴受力的危险部位, 为曲轴的动态强度分析提 供数据; 最 后, 结合 Ansys 有限元分析软件和柯顿- 多兰( Certon - Dolan) 理论, 估算 连杆疲 劳寿命, 同 时分析多 级载荷 加载次 序对疲 劳 寿命的影响, 为零部件的主动寿命设计提供参考 数据和理论判据。
关键词 强度 疲劳寿命 动力学 曲轴轴系 中图分类号 TH123. 3 AbstractIntroducing mult-i flexib1e body dynamics to crankshaft computing, a dynamics simulation model of crank and linkmechanism of an engine is built. Based on the rigid and flex coupled model, ADAMS( automatic dynamic analysis of mechanical sys - tems) is used to do a kinematics and dynamic simulation to get dynamic loads. It also provides a reliable characteristic for the body v-i bration noise of next step. Then the bigger loads of three moments are identified from all loads. The distribution law of the stress and strain of correspondi n g moment are achieved and its dangerous parts are found to offer date of dynamic strength analysis. At las t, com - bining the Ansys and the theory of Certon -Dolan, the fatigue life of the link is calculated and the affection of loading order of multilevel loads to fatigue life is analyzed in detail, which have provided the referenced data and the theory of criterion for reliability desi g n.Key words Strength; Fatigue life; Dynamics; Crankshaft and link mechanismCor res pon ding autho r : Z H U Yong Mei , E -mail : zymtt @ 163. com , Tel : + 86- 511- 84401198, Fa x : + 86-511- 84402269 The project supported by the Shipbuilding Industry Defense Technology Pre - research Foundation of China ( No . 07J2. 3. 2) . Manuscript received 20090722, in revi s ed form 20090908.引言曲轴轴系是发动机的主要组件之一, 其动力学特 性对发动机的工作可靠性、振动、噪声等有较大影响。
其受周期性变化的气缸压力和惯性力的共同作用, 并 对外输出转矩, 工作负荷非常 大, 容易发 生断裂等破 坏, 因此有必要对曲轴进行强度、模态和疲劳寿命等校 核。
虽然目前很多疲劳可靠性估算模型己经很成熟, 并有效地应用于很多领域, 但对于柴油机关键零部件, 如曲轴、活塞、连杆以及活塞销等, 在随机疲劳行为模 型及可靠性估算模型的理论研究和应用方面还是有欠 缺的。
例如文献[ 1] 在实测应力累积频数分布图时忽 略应力的先后次序对疲劳的影响。
文献[ 2] 提出基于联合仿真的疲劳寿命预测方法预测部件的疲劳寿命, 其研究对象为单缸, 而实际应用中多缸发动机较多, 实 际情况复杂, 这样确定危险工况存在一定的误差。
文 献[ 3] 针对某单缸发动机曲轴断裂问题, 通过材料的改 变计算最大载荷工况下的变形和应力, 但是在进行强 度分析之前没有考虑动力学特性的影响。
本文以某台四冲 程 V 型八缸发动机曲轴轴系为 研究对象, 建立动力学仿真分析模型, 其中曲轴作为柔 性体处理, 应用有限元分析 软件 Ansys 对其进行模态 分析, 生成 M NF ( modal neutral file) , 利用 ADAMS( auto - matic dynamic analysis of mechanical systems )P Vie w 模块, 将柔性体模态变形融入到多体系统的动力学仿真中。
通过 Ansys 分析找出曲轴、连杆等工作时的危险部位, 将应力值取出分别用 Miner 方 法和 Certon -Dolan 方法X 20090722 收到初稿, 20090908 收到修改稿。
船舶工业国防科技预研基金( 07J2. 3. 2) 。
XX 朱永梅, 女, 1969 年 9 月生, 江苏镇江人, 汉族。
江苏科技大学机械工程学院副教授, 硕士, 从事机械设 计理论、机械强度、可靠性等研 究。
发表论文十余篇。
第 32 卷第 6 期 朱永梅等: 曲轴轴系的结构强度分析与疲劳寿命估算 1019估算疲劳寿命, 比较二者的优劣, 为零部件的主动寿命 设计和保证实际应用的安全性提供依据。
1 曲轴轴系动力学模型建立和结构强度分析1. 1 曲轴系的多体动力学建模 首先采用三维实体建模软件 UG( unigraphic s ) 完成 柴油机曲轴轴系各零件的实体建模。
该四冲程八缸 V 型柴油机曲轴轴系由曲轴、连杆、活塞、活塞销、飞轮、 轴瓦、衬套、机架、平衡块等组成。
由气缸内气体爆发 压力通过活塞、连杆驱动曲轴。
根据图纸尺寸和装配 要求, 建立的柴油机曲轴轴系总体装配体如图 1 所示。
图 1 曲轴轴系总体装配图 F i g. 1 Whole assembly of crankshaft将在 UG 中建好的曲轴三维实体模型导入到 An -sys 中, 进行几何模型的离散化、材料特性定义等有限 元模型处理和计算分析。
柔性体曲轴由 Ansys 通过模 态计算导出曲轴的模态中性文件 MNF, 曲轴的模态中 性文件MNF 包含 20 000 Hz 以内的 152 个自由模态, 在 ADAMS P Vie w 中读入生成的曲轴 模态中性 文件 MNF, 创建曲轴柔性体模型。
发动机曲轴轴系的基本作用力有三个, 一是气缸 内的气体爆发压力, 这是主动力; 二是由于曲轴轴系运 动产生的惯性力; 三是曲轴轴系运行时的约束力和摩 擦力。
模型中各构件的几何位置参数、质量参数通过 UG 实体模型直接传入到 ADAMS 中, 由 ADAMS 自动计 算出。
活塞( 1~ 8) 上作用的各缸气体爆发压力特性根 据已知参数计算数据, 并使用 ADAMS 建立气体压力样 条曲线。
在具体施加缸内气体爆发压力边界条件时, 应根据多缸发动机的发火顺序调整各活塞表面的气体 爆发压力相位。
调整爆发压力和控制曲轴转速后, 生 成曲轴轴系刚柔耦合多体动力学模型, 并以此为基础 分析曲轴在柔体动力学计算中的机械响应特性。
在生成曲轴轴系柔性多体动力学模型过程中, 需 要注意下面两个问题:( 1) 将 模 态 中性 文 件 输 入 ADAMS P V i ew 后, AD - AMS P Vie w 会将其原点放在整体惯性坐标系的原点上, 并且与模型中其他零件没有任何关系。
运用 ADAMS P Vie w 提供的运动副约束或 柔性连接可将它与其他零 件连接起来。
( 2) 在 ADAMS P Vie w 中输入柔性体后, 可以在其上施加作用力, 因为柔性曲轴是被动( 被加载) 物体, 可以 通过在柔性体上附加一个无质量连接物体, 将作用力 加在该无质量连接物体上。
1. 2 曲轴系的动力学分析和结构强度分析在此多体动力学仿真模型基础上, 通过 ADAMS 对 曲轴轴系进行转速 1 500 r P m in 时的动力学仿真预测 分析, 可以获得一系列的位移、速度、加速度和力、力矩 的数据曲线。
如图 2 为连杆大、小头的受力曲线, 从图 中可以发现, 气缸气体燃烧压力在一个周期内变化时, 连杆大头受力大于小头受力, 此可为后面进行连杆疲 劳寿命估算提供载荷。
图 2 连杆大小头受力 F i g. 2 Infliction force of link根据 A DAMS 对曲轴连杆机构的仿真结果, 找出曲 轴受力较大的时刻分别为 0. 025 6 s 、0. 032 s 和 0. 072 s 的时候, 利用由 ADAMS P Vie w 对曲轴轴系柔性多体动 力学模型进行动力学仿真获得的相应时刻动态载荷文 件( loads. lod) , 通过 ADAMS 与 Ansys 的双向数据接口, 导入 Ansys 中, 同时恢复曲轴柔体模型, 将相应时刻的 载荷文件导入 Ansys, 对柔性体进行应力应变分析。