一種活塞發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸疲勞強(qiáng)度仿真分析研究

王婷婷 宋軍 王德鑫

[摘? ? 要]簡化活塞發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸模型，基于ANSYS軟件，計(jì)算了該活塞發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸靜強(qiáng)度。結(jié)合結(jié)構(gòu)的S-N曲線和ANSYS軟件FE-Ssfe疲勞計(jì)算模塊，開展了曲軸的疲勞壽命仿真分析，分析結(jié)果表明，該曲軸的疲勞壽命滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

[關(guān)鍵詞]發(fā)動(dòng)機(jī);曲軸;疲勞

[中圖分類號(hào)]U469.72 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）12–00–02

[Abstract]Simplified piston engine crankshaft model， based on ANSYS software， calculates the static strength of the piston engine crankshaft. Combining the structure's S-N curve and ANSYS software FE-Ssfe fatigue calculation module， the fatigue life simulation analysis of the crankshaft was carried out. The analysis results showed that the fatigue life of the crankshaft met the product design requirements.

[Keywords]engine; crankshaft; fatigue

曲軸是活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件，其疲勞性能的好壞直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)壽命。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)的載荷按點(diǎn)火頻率而積累，這些載荷周起因于氣體壓力、慣性效應(yīng)等，并且很快達(dá)到數(shù)百萬周，因此有必要對發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度分析及疲勞壽命計(jì)算。曲軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1 有限元建模

1.1 單元選擇

對曲軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的零件均選擇實(shí)體單元（solid）進(jìn)行模擬，基于通用有限元軟件進(jìn)曲軸系統(tǒng)的幾何簡化和有限元網(wǎng)格劃分等工作。

1.2 有限元模型及單元屬性

根據(jù)建模簡化方案建立有限元模型，曲軸系統(tǒng)的有限元網(wǎng)格模型如圖2中所示。

1.3 材料屬性

轉(zhuǎn)接盤及曲軸結(jié)構(gòu)材料為18Cr2Ni4WA，連桿材料為20CrMo，材料參數(shù)如表1所示。

1.4 載荷和約束處理

由曲軸工作載荷譜可知;當(dāng)曲軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)0°時(shí)，系統(tǒng)承受活塞壓力最大（5 980 N），當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)360°時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)承受往復(fù)慣性力最大（1 235 N）。計(jì)算連桿結(jié)構(gòu)，連桿結(jié)構(gòu)約束同轉(zhuǎn)接盤裝配部分，在活塞連接銷部分按照投影施加載荷。見圖3。

1.5 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

靜強(qiáng)度結(jié)果云圖如圖4、圖5所示，計(jì)算結(jié)果列表如表2所示。

綜合計(jì)算結(jié)果分析可知，曲軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)0°時(shí)連桿安全系數(shù)為3.22，滿足強(qiáng)度使用要求;在旋轉(zhuǎn)至360°時(shí)連桿安全系數(shù)大于15。

2 疲勞壽命計(jì)算

2.1 疲勞計(jì)算條件

大量的分析和研究表明，只按靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)并不能保障結(jié)構(gòu)的安全，很多時(shí)候結(jié)構(gòu)在承受較低的循環(huán)載荷時(shí)也會(huì)發(fā)生破壞，稱之為疲勞破壞。由于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)的載荷按點(diǎn)火頻率而積累，因此曲軸系統(tǒng)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中必然承受交變應(yīng)力作用。因此其滿足產(chǎn)生疲勞的條件。

2.2 疲勞計(jì)算任務(wù)剖面

該曲軸系統(tǒng)的任務(wù)剖面，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為8000轉(zhuǎn)/分，每轉(zhuǎn)一圈進(jìn)行一次載荷循環(huán)。

2.3 S-N曲線

進(jìn)行結(jié)構(gòu)壽命計(jì)算時(shí)，主要依據(jù)材料的中值疲勞極限以及該結(jié)構(gòu)的特征數(shù)據(jù)，最終獲得結(jié)構(gòu)的平均疲勞極限，對于結(jié)構(gòu)鋼材料綜合考慮應(yīng)力集中系數(shù)kf、結(jié)構(gòu)尺寸系數(shù)ε、表面粗糙度影響系數(shù)β1、表面強(qiáng)化系數(shù)β2微動(dòng)磨損系數(shù)γ以及載荷類型系數(shù)δ以及可靠性系數(shù)CR等影響因素，選取相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行疲勞極限σ-1的修正。

本次結(jié)構(gòu)的S-N曲線采用三參數(shù)雙對數(shù)坐標(biāo)公式進(jìn)行擬合。

當(dāng)循環(huán)次數(shù)N≥N0時(shí)，疲勞載荷σ-1N=σ-1，其中N0為無限循環(huán)次數(shù);σ-1為疲勞極限。

當(dāng)N∈（1E3，N0）時(shí)，由N=1E3、σ-1N=0.75σb和N=N0、σ-1N=σ-1兩點(diǎn)在雙對數(shù)坐標(biāo)上直線相連，此直線即為N∈（1E3，N0的S-N曲線，其表達(dá)式為：

對于部件的S-N曲線以上述曲線為基準(zhǔn)進(jìn)行修正，修正系數(shù)如下：①尺寸系數(shù)ε，對于承受軸向載荷的零件，不存在宏觀的應(yīng)力梯度，并且在整個(gè)材料橫截面上臨界軸向應(yīng)力是相同的，因此此處修正系數(shù)取1;②拉壓疲勞載荷系數(shù)，對于無彎曲的純軸向加載條件，修正系數(shù)取0.9;③表面加工系數(shù)，根據(jù)材料牌號(hào)及鍛造加工方式等確定表面加工系數(shù)為0.52（滲氮等處理導(dǎo)致疲勞壽命增加，該處不進(jìn)行考慮，取該系數(shù)計(jì)算計(jì)算結(jié)果偏安全）。

修正后的零件S-N曲線公式為：

式中：為參數(shù)修正后的零件疲勞極限。

2.4 疲勞壽命分析

基于ANSYS有限元通用軟件Fatigue模塊對扭片部件各個(gè)工況進(jìn)行疲勞壽命分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)連桿受循環(huán)載荷為5 980 ～1 235 N時(shí)，最終計(jì)算連桿為理論上的無限疲勞壽命，壽命大于初始設(shè)定的500h。

3 結(jié)論

本文根據(jù)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸模型，基于ANSYS軟件，建立了有限元仿真分析模型，并計(jì)算了該活塞發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸靜強(qiáng)度。結(jié)合結(jié)構(gòu)的S-N曲線和ANSYS軟件FE-Safe疲勞計(jì)算模塊，開展了曲軸的疲勞壽命仿真分析，分析結(jié)果表明，該曲軸的疲勞壽命滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

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