發動機曲軸曲拐疲勞分析

張 影

(黑龍江交通職業技術學院，哈爾濱 150000)

曲軸是發動機中重要的旋轉零件，在運行時受復雜的、往復周期性變化的載荷，在結構各種失效形式中，疲勞是結構失效的最主要原因之一，對發動機運行的穩定性和可靠性產生不利影響。引起疲勞失效的循環載荷往往小于根據靜強度分析的安全載荷，傳統的強度分析方法不能解決疲勞問題，因此應用疲勞軟件進行結構疲勞分析具有重要意義。

1 強度計算

1.1 模型

取曲軸第一曲拐幾何模型，兩端截至主軸頸中面，應用Simlab前處理軟件進行網格劃分，采用3 mm為基本單元尺寸劃分二階四面體單元，圓角處進行加密處理，如圖1，材料參數見表1。

圖1 曲拐幾何模型和有限元模型

表1 材料常數

1.2 力及邊界條件

一側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，另一側主軸面固定。

1.3 應力結果

圖2為曲拐Mises應力云圖。主軸頸圓角和連桿軸頸圓角處均出現應力較大值，最大Mises應力為±146.2 MPa。曲軸材料42 CrMo抗拉極限850 MPa，靜態安全系數分別為5.81。

圖2 曲拐應力云圖

2 疲勞分析

2.1 疲勞分析過程

2.1.1 應力數據

將網格模型(.inp)、應力結果文件(.odb)作為Femfat疲勞軟件的分析輸入，識別出曲拐的最大主應力(Max.Principal Stress)為193 MPa，軟件將自動將其轉化為幅值和平均應力，以此為計算基礎進行疲勞分析。

2.1.2 材料數據

曲軸材料參數輸入后，由材料生成器自動估算出應力-壽命(S-N)曲線，如圖3。

圖3 材料S-N曲線

2.1.3 影響參數設置

應力梯度：激活，分析中考慮凹槽附近應力梯度的支撐效應。

平均應力：不激活，分析只考慮應力幅值的影響。

表面粗糙度：選擇Smoothed-60 μm。

溫度：設置為室溫20℃。

存活率：設置99%。

2.2 疲勞分析結果

圖4- 5為疲勞分析報告和安全系數云圖。曲拐受力循環次數107時，曲拐最小安全系數1.79，根據經驗標準，安全系數應大于1，結構安全。

圖4 曲拐疲勞分析報告

圖5 曲拐安全系數云圖

3 結論

通過計算得出以下結論：

(1)疲勞分析考慮了多種疲勞強度影響因素，最大程度真實反應零件實際受力狀態，提供可信的分析預測結果，從而加速產品的開發過程，縮短周期；

(2)通過應力和疲勞仿真分析，計算出曲軸曲拐最小靜態安全系數和疲勞安全系數，判斷結構是否安全；

(3)應用：對于有疲勞試驗的曲軸，可參照試驗結果進行修正，用于方案對比；設計階段的零部件，可進行損傷計算，評估壽命；對故障零件，可進行疲勞安全系數校核。