不同临界距离法在曲轴疲劳特性预测中的对比研究

针对曲轴弯曲疲劳特性的预测研究,首先利用应力梯度法对曲轴的应力分布进行拟合研究,在此基础上利用拟合得到的应力分布函数结合不同定义形式的临界距离法,对材料属性一致、但是结构不同的曲轴的疲劳特性进行预测研究,并对预测结果进行试验验证。研究结果表明,当基于间接定义的临界距离法在预测结构不同的曲轴的疲劳特性时,临界点法和临界线法的预测结果几乎一致,同时误差也较大;而当利用直接定义的临界距离法在对该类曲轴的疲劳特性进行预测时,较临界点法误差较大,而临界线法具有更高的预测精确度,更适合在实际工程当中采用。     

基于临界距离法的含表面缺陷车轴试样疲劳强度预测

基于临界距离法进行含表面缺陷车轴试样疲劳强度预测研究。使用轴向疲劳试验测试光滑试样、环状V型缺口试样、孔洞缺口试样的疲劳极限,同时也测试了材料在应力比R=-1下的裂纹扩展门槛值。借助有限元计算,基于临界距离法预测含表面缺陷车轴试样的疲劳极限,并采用试验结果验证。研究结果表明,当基于临界距离法预测含表面缺陷车轴试样的疲劳极限时,临界距离法中的点法误差较大,而线法具有更高的预测精度,能够满足工程需求。该方法在对预测表面缺陷车轴疲劳强度上具有重要指导意义。     

局部法评定铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能

三种不同的局部法,临界距离法、应力平均法和等效应力强度因子法,用于评估Al6082-T6铝管搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳性能。结果表明,3种疲劳评定方法都能对铝合金搅拌摩擦焊接头做出合理的评定。运用临界距离法时采用Peterson修正公式计算临界距离参数L,结果表明该方法能够精确预测出Al6082-T6铝管搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳极限,预测误差仅4%,并能预测出接头疲劳薄弱区域;应力平均法的预测结果偏保守,预测结果较试验值低7.46%,其将焊趾视为尖锐缺口的做法具有工程应用价值。等效应力强度因子法通过将接头模拟成带标准裂纹的构件来计算焊接接头等效应力强度因子范围,并通过与接头裂纹扩展门槛值比较来判断焊接件是否发生疲劳失效,结果表明等效应力强度因子法能够对Al6082-T6搅拌摩擦焊接头做出合理的疲劳评定。     

一种考虑应力梯度的疲劳寿命预测方法

针对临界距离法及应力场强法在疲劳寿命预测过程中存在的问题,结合临界距离法计算量小、应力场强法能够反映构件所处应力状态的优点,提出了以缺口附近球形区域内的等效应力均值作为控制疲劳行为的当量应力的方法。参照一组疲劳试验对当量应力与球形区域半径的关系进行了研究,结果表明可用线性和指数函数的形式表示两者间的关系。通过定义应力梯度、相对应力梯度,构建了一种能够考虑应力梯度的疲劳寿命预测模型。对模型中参数的确定方法进行研究,提出了以光滑试件、缺口试件在各自相同载荷条件的疲劳极限作用下,两者当量应力相等时的球形区域半径作为损伤区域大小的方法,该方法不再需要通过试验获得半径参数,具有较强的实用性。疲劳试验结果表明,模型预测结果均在2倍分散带内,证明模型具有较好的预测精度,同时模型可准确预测疲劳破坏位置。     

基于缺口疲劳理论的曲轴结构疲劳特性研究

针对曲轴疲劳极限载荷难以在设计阶段快速准确获取的问题,利用有限元法和缺口疲劳的相关理论,将曲轴作缺口件处理,对其进行了弯矩载荷作用下的应力分析。基于曲轴的实际疲劳失效类型,建立了相应的缺口疲劳系数模型,并对曲轴应力集中系数计算方法和疲劳极限载荷预测方法进行了系统分析;应用上述方法对两款材料属性一致、结构不同的曲轴的疲劳特性分别进行了预测,并对预测结果的精确度和参数误差影响进行了分析。预测结果与试验结果对比表明:当基于Peterson缺口疲劳模型预测曲轴的疲劳极限载荷时,相关预测结果具有一定的精确度(误差低于10%),说明该方法能够较快地确定曲轴的疲劳极限载荷,具有一定的工程实用价值。     

基于改进多轴疲劳模型的曲轴疲劳研究

为研究曲轴弯曲疲劳特性,将McDiarmid多轴疲劳模型应用到曲轴弯矩疲劳极限载荷预测当中。首先开展了曲轴在弯矩载荷作用下的应力状态分析,确定了该类疲劳属于多轴疲劳;其次利用了坐标变换法,获得了临界平面内的坐标以及剪切应力与法向应力值;最后对一款曲轴在疲劳极限载荷作用下的应力应变状态进行了分析,获得了极限应力值,对同种材料、结构不同的另一款曲轴的疲劳极限载荷进行了预测,并对预测结果进行了试验验证。研究结果表明:传统的McDiarmid多轴疲劳模型在预测曲轴疲劳极限载荷时有时会导致较大误差,而经过应力比修正后的模型具有更高的预测精度,更适合在实际工程当中应用。     

某曲轴结构参数疲劳特性影响研究

针对给定的某款六缸柴油机曲轴,采用有限元法对其在弯矩载荷作用下的应力状态进行分析,在此基础上结合正交试验设计,分析一些主要的结构参数对曲轴弯曲疲劳强度的影响。研究结果表明,曲轴的主要结构参数中,过度圆角的半径值对曲轴的结构疲劳特性影响最大,其次为曲柄的厚度,最后则是重叠度。通过该研究,为曲轴的结构抗疲劳设计提供一定的理论依据与指导。     

柴油机曲轴应力敏感度分析

曲轴是柴油机的重要组成部分,为了确定曲轴的主轴颈半径、连杆轴颈半径、过渡圆角半径和曲柄臂厚度这几个尺寸参数中,哪一个对曲轴危险部位的应力影响最大,用ANSYS软件对简化的曲轴单拐进行参数化建模,再用ANSYS软件的PDS模块对其进行了基于Spearman秩相关系数的敏感度研究。分析结果表明:过渡圆角半径对曲轴危险部位的应力敏感度最大。     

曲轴不同平衡率对曲轴强度与振动特性的影响

曲轴不同平衡方案不仅直接影响整机振动与噪声,还影响曲轴的轻量化设计。研究不同平衡率方案曲轴对发动机振动与曲轴强度的影响,优化设计曲轴,对降低整机振动与提高可靠性具有重要意义。以非道路高压共轨四缸柴油机为研究对象,系统分析了不同平衡率与不同平衡块结构的4个曲轴方案的平衡性;通过曲轴模态试验与机体模态仿真,验证了曲轴和机体有限元模型的准确性;基于柔性多体动力学理论,建立了整机多体动力学仿真模型,研究了曲轴不同平衡率对额定转速工况下曲轴强度与振动特性的影响。研究结果表明:随着平衡率增加,曲轴各圆角处最大应力值增大,曲轴圆角疲劳安全系数降低;最大应力值为284.1 MPa,最小安全系数为1.7,均出现在四平衡块100%平衡率曲柄销圆角处。随着平衡率增加,油底壳关注点的不同谐次下振动加速度峰值减小,机体上各关注点的振动速度级降低,汽缸盖罩在低频段下振动速度级降低。随着平衡率增加,各倍频程下机体振动速度级降低,倍频程中心频率为500 Hz,汽缸盖罩和油底壳振动速度级增大。     

缺口-尺寸效应下疲劳寿命预测：考虑应力梯度的临界距离理论

疲劳断裂是金属材料最普遍的失效模式之一,而由缺口特征引发的应力梯度效应更是工程部件抗疲劳设计的关键瓶颈问题。因此,发展高精度的缺口疲劳强度分析方法是保障工程结构服役完整性的关键。据此,提出耦合临界距离理论与Weibull分布的缺口件疲劳寿命预测模型,并综合考虑尺寸效应及应力梯度效应对临界距离的影响。研究表明,在给定疲劳寿命下,临界距离随应力梯度增大而减小,故提出基于相对应力梯度修正的临界距离模型,以合理量化尺寸效应对临界距离的影响。最后,基于镍基合金GH4169与铝合金Al 2024-T351的缺口疲劳试验数据进行模型验证与对比,结果表明新模型相较于传统临界距离理论预测精度显著提高。     

往复泵曲轴疲劳可靠性分析

为提高往复泵的设计水平,基于三柱塞单作用往复泵曲轴实例,通过将曲轴所受各力按相应坐标系分解,并将周期性作用力在时间相离散以及划分为若干计算断面,建立了曲轴疲劳可靠性分析模型。利用已开发的往复泵曲轴强度计算与校核软件计算并导出数据,应用半径矢量法分别求出曲轴各断面应力与疲劳极限的均值及标准偏差,使用联接方程求出各断面的联结系数,详细分析了曲轴模型的疲劳可靠性。通过对一系列实际使用效果良好和失效曲轴的疲劳可靠度进行计算与分析,得出了三柱塞单作用往复泵曲轴疲劳可靠度的合理取值;对于原可靠度过高的曲轴,反求出该曲轴实际能安全可靠承受的最大柱塞力,充分利用原机组的富余能力。往复泵曲轴疲劳可靠性分析具有重要的理论和实际应用价值。     

内燃机曲轴扭转疲劳强度试验研究与分析

通过对内燃机曲轴进行扭转疲劳试验研究,分析了影响曲轴扭转疲劳强度的因素以及导致曲轴扭转失效的原因,并提出了相应的改进措施。分析指出,随内燃机爆发压力的提高,曲轴所承受的扭矩会相应增大,由此导致的曲轴扭转疲劳失效不断增加。曲轴扭转失效位置主要在连杆颈油孔、曲柄臂和连杆颈下止点,失效原因涉及结构设计、原材料、机加工、热处理等多个因素。连杆颈油孔是扭转疲劳失效最常见部位,裂纹源一般在油孔内壁距轴颈表面约8～10 mm位置,轴颈表面感应淬火对扭转疲劳强度影响较大,表面感应淬火使曲轴的扭转疲劳强度降低约30%,油孔内壁抛磨可使轴颈表面淬火曲轴的扭转疲劳强度提高25%以上。     

激光冲击处理对曲轴疲劳强度的影响

利用激光冲击波对曲轴连杆轴颈圆角进行了强化处理,通过液压伺服疲劳试验研究激光冲击处理工艺对曲轴扭转疲劳强度的影响,利用X射线衍射法分析激光冲击处理后轴颈圆角处残余应力的分布规律,利用扫描电镜观察激光冲击处理表面微结构,分析激光冲击处理提高曲轴疲劳强度的微观机理。结果表明,激光冲击处理在曲轴圆角表面产生了残余压应力场,曲轴疲劳寿命显著提高,疲劳裂纹扩展速率大大降低;残余压应力场提高是激光冲击处理改善曲轴疲劳性能的主要机制。     

稳态疲劳载荷下曲轴剩余强度模型的试验研究

剩余强度模型是一种能比较直观的反映构件疲劳断裂行为的唯象学描述方法,但对于曲轴这类体积大且结构复杂的构件,往往难以直接对其进行剩余强度试验。针对此,在应用谐振式疲劳试验机对曲轴进行疲劳试验的过程中,通过建立试验台振动模态和试件在裂纹扩展中的力学特性之间的关系,应用动态信息跟踪方法对曲轴的剩余强度模型进行了间接的试验研究。介绍了这种方法的基本原理,分析了其可行性,并结合试验结果讨论了曲轴的剩余强度退化规律的基本特征。     

对L3汽油机曲轴强度的参数化校核

根据发动机设计参数及曲轴参数,利用内燃机原理及结构力学,简易计算曲轴疲劳强度比。计算结果显示L3汽油机曲轴疲劳强度比优于现已批量生产机型曲轴疲劳强度比,原曲轴设计满足改进使用,可以用于样机开发及开展试验数据收集。     

地铁车辆轮缘润滑装置吊架断裂机理和试验研究

针对地铁车辆服役过程中出现的轮缘润滑装置吊架断裂问题,采用材料和动应力试验与有限元仿真相结合的方法开展断裂机理研究,提出了一种新型结构设计方案。通过对吊架断口微/宏观的全面分析与表征,从材料角度确定疲劳断裂的机理成因;结合动应力试验和累计损伤理论,计算吊架断口关键位置的疲劳损伤值,从线路试验角度确定吊架断裂的结构成因;建立吊架的有限元模型,基于EN13749标准对其进行静强度和疲劳强度仿真,从理论角度判别结构设计的合理性,并与材料和线路试验分析结果进行对比分析;最后,提出吊架结构的改进方案,并进行仿真和动应力测试验证。结果表明：吊架断裂成因为低应力高周疲劳,疲劳源位于加强筋角焊缝内部,且加强筋角焊缝的累计损伤值和材料利用率均大于1;吊架断裂的主要原因为,结构不合理导致加强筋角焊缝承受较为频繁的交变载荷且焊缝存在未熔合缺陷;通过改变吊架结构和材质,提高了焊接质量,达到了轮缘润滑装置在线运行的标准要求。     

曲轴电磁感应淬火残余应力模拟及对圆角应力影响的分析

过渡圆角处应力集中现象是曲轴疲劳断裂的主要原因之一,利用局部表面强化工艺产生残余应力的方法可有效提高曲轴疲劳强度。针对上述问题,本文使用有限元方法模拟了曲轴感应加热、快速冷却、产生残余应力的整个淬火过程。通过对某曲轴单拐淬火前后圆角处的应力状态进行模拟,定量比较了残余应力对过渡圆角处应力的影响,为曲轴的抗疲劳设计提供参考。     

柴油机曲轴的工作可靠性研究

在柴油机曲轴疲劳强度试验及工况载荷测试的基础上 ,运用概率统计方法 ,得出曲轴疲劳强度与工作载荷的概率分布密度函数 ,进而运用应力 -强度干涉理论对其工作可靠性进行分析 ,结果表明 ,这种方法是可行的     

Effect of notch geometry on the fatigue strength and critical distance of TC4 titanium alloy

Studying the effect of different geometric features of machined notch on the fatigue strength and critical distance has an important guiding role to understand the critical distance size effect and to predict the HCF strength of turbine engine fan blades after FOD. Systematically experimental investigations of geometrical characteristic effects on the 10⁶ cycle fatigue strength and critical distance for TC4 machined notched plates at stress ratios of R = 0.1 have been conducted. 123 specimens, including unnotched plates and three different types of notched plates (V-notches, U-notches and C-notches) with various notch root radii, depths and angles have been considered. The results indicate that the notch with small radius can significantly lead to high stress concentration and greatly reduce the HCF strength, while the notch angle and notch depth can affect the HCF strength to a certain extent. The K _t related model does not apply to describe the critical distance size effect perfectly. The critical distance has linear relationship with the notch root radius but no significant correction with the notch depth or notch angle. The findings of this study are beneficial for the size effect modeling and later fatigue strength evaluating of TC4 notched components.     

基于刚柔耦合多体系统的发动机曲轴疲劳分析

在LMS(Leuven Measurement&System)中建立某型V8发动机曲轴系统的多体动力学模型,通过刚柔耦合动力学计算,得到部件的模态参与因子,将模态参与因子与模态进行线性叠加,得到部件的载荷历程,并将其作为疲劳分析的输入数据;利用LMS.Virtual.Lab的Durability模块对曲轴进行有限元疲劳分析,获得精确的曲轴疲劳寿命值和损伤分布.结论是:通过系统多柔体动力学仿真可以得到各阶模态参与因子的时间历程曲线和部件的载荷历程,同时保证了模态参与因子与有限元模型匹配;曲轴集中应力最大且寿命最短处为轴颈与曲柄的过渡圆角处.