MSCfatigue柴油发动机曲轴疲劳分析示例.ppt

MSC柴油发动机曲轴 疲劳分析示例 MSC北京办事处 内容 1.MSC疲劳分析简介 2.应力/应变分析 3.载荷历程计算 4.疲劳分析 5.结论 1. MSC疲劳分析简介 柴油发动机曲轴在旋转时，承受周期载荷，因 此设计时必须考虑疲劳破坏因素； 柴油发动机曲轴疲劳属于高周疲劳问题，适合 使用s-n方法预测寿命； 疲劳分析必须首先确定模型的载荷分布与载荷 历程。 柴油发动机疲劳分析特点 疲劳分析步骤： a.利用有限元分析软件(本例采用MSC.Nastran)，得 到模型的应力/应变分布； b.利用MSC.Adams ，得到作用在模型上的载荷历程 ； c.利用MSC.Fatigue ，进行模型的疲劳分析。 MSC公司提供完善的疲劳分析解决方案 MSC疲劳分析流程 MSC.NASTRAN 有限元分析 MSC.FATIGUE 疲劳寿命分析 MSC.ADAMS 载荷历程计算 2. 应力/应变分析 模型上的应力/应变分布 疲劳分析前，模型的应力/应变分布情况 利用有限元分析得到； 本题使用MSC.Patran、MSC.Nastran进 行模型的应力/应变分析。 应力/应变分析 MSC.Patran读入原始的三维CAD模型， 进行有限元分析的前处理； 模型共划分136,713个四面体单元（如下 图所示）。 发动机曲轴有限元网格图 载荷工况与边界条件 模型在不同位置处分别承受垂直载荷与 水平载荷，对应不同的的工况，在各工 况下施加约束条件与单位载荷； 共定义12个工况； 下图所示为其中一个工况下的约束和载 荷情况。 一个载荷工况的边界条件 为轴承处约束 为联结处载荷 有限元分析结果 模型应力在各工况下分别计算； 共得到12个结果工况，应力云图见下图。 各垂直载荷工况下应力结果云图 各水平载荷工况下应力结果云图 3. 载荷历程计算 载荷历程计算 利用MSC.ADAMS 2005/Engine对模型进行仿 真分析； 从分析结果，得出疲劳分析所需的载荷历程。 初始计算条件 1.发动机夹角：发火夹角120度 2.点火顺序：1-5-3-6-2-4 3.活塞行程：135mm 4.缸间距：135mm 5.缸径：113mm 6.有效连杆长度：217mm 7.轴承数目：7 8.曲柄轴承直径：75mm 9.曲柄轴承长度：42mm 10.主轴承直径：100mm 11.主轴承长度：37mm 12.止推轴承位置：第七主轴承档 13.活塞销直径：45mm 14.活塞销长度：92mm 15.发动机爆发压力曲线见两个EXCEL文件，分别为1400转/分和2300转/分的工况。 16.曲轴材料：42CrMoA 17.弹性模量：2.06E5MPa， 18.泊松比：0.3， 19.强度极限：1080MPa， 20.屈服极限：930MPa MSC.ADAMS/Engine模型 计算模型 计算模型组成 n44 Moving Parts (not including ground) n12 Point_masss n1 Cylindrical Joints n5 Revolute Joints n12 Spherical Joints n19 Fixed Joints n5 Hooke Joints n1 Atpoint Primitive_Joints n25 Inline Primitive_Joints n8 Inplane Primitive_Joints n1 Orientation Primitive_Joints n12 Parallel_axes Primitive_Joints n8 Perpendicular Primitive_Joints n5 Motions 计算工况 发动机转速：1400rpm 发动机转速：2300rpm 发动机转速1400rpm工况载荷计算结果 各缸爆发压力计算结果（ 1400rpm ） 各缸主轴承载荷计算结果（ 1400rpm ） 止推主轴承载荷计算结果（ 1400rpm ） 各曲柄轴承载荷计算结果（ 1400rpm ） 各活塞销轴承载荷计算结果（ 1400rpm ） 发动机转速2300rpm工况载荷计算结果 各缸爆发压力计算结果（ 2300rpm ） 各缸主轴承载荷计算结果（ 2300rpm ） 止推主轴承载荷计算结果（ 2300rpm ） 各曲柄轴承载荷计算结果（ 2300rpm ） 各活塞销轴承载荷计算结果（ 2300rpm ） 4. 疲劳分析 疲劳分析说明 在前面有限元分析和Adams载荷分析基础上， 进行疲劳分析； 采用s-n寿命预测法计算疲劳寿命； 由于模型的材料信息不完全，这里采用近似s- n曲线。 模型上的载荷历程 施加在模型上的载荷已由MSC.Adams计算 得出； MSC.Fatigue 可将此计算结果文件导入， 作为疲劳分析时的载荷历程。 施加在各曲柄连杆连接处垂直方向的载荷历程 （六个位置处 一个周期 ） 施加在各曲柄连杆连接处水平方向的载荷历程 （六个位置处 一个周期 ） 曲轴材料疲劳数据 材料的疲劳特性曲线可通过查阅手册获 得； 由于所提供的材料信息不完全，计算中 采用近似的s-n曲线（如下图）。 曲轴材料疲劳曲线 疲劳分析结果：旋转次数分布云图 疲劳分析结果：最危险点处位置 （绿色标志处） 疲劳分析结果：危险点处寿命及损伤数据 5. 结论 MSC.Fatigue 能在设计早期有效地预估零部件的寿命，实 现优化设计； 结合台架试验及样机试验，可对计算模型进行验证及修正 ； MSC.ADAMS/Engine方便易用，可以快速建立发动机三