（动力机械及工程专业论文）发动机机体疲劳寿命预测方法研究.pdf

图书分类号图书分类号 tk422 密级密级 非密非密 udc _621.4_ 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 发动机机体疲劳寿命预测方法研究发动机机体疲劳寿命预测方法研究 指导教师指导教师 苏铁熊苏铁熊 教授教授 王王 军军 讲师讲师 申请学位级别申请学位级别 工学硕士工学硕士 专业名称专业名称 动力机械及工程动力机械及工程 论文提交日期论文提交日期 2013 年年 04 月月 20 日日 论文答辩日期论文答辩日期_ _年年_ _月月_ _日日 学位授予日期学位授予日期_年年_月月_日日 论文评阅论文评阅_ _ _ _ 答辩委员会主席答辩委员会主席_ _ 2013 年年 04 月月 20 日日 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学学校可允许学 位论文被查阅或借阅；位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定） 。后遵守此规定） 。 签签 名：名： 日期：日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 中北大学学位论文 发动机机体疲劳寿命预测方法研究 摘 要 机体是发动机最重要的部件之一。作为整个发动机的骨架和基础，机体在发动机工 作时承受极为复杂的载荷，这些载荷的大小和方向均随工况、曲轴转角不断变化，并且 有些载荷的作用部位也在时刻变化。机体在设计寿命周期之内一旦发生疲劳破坏，是很 难完全修复的。因此，机体的可靠性对整个发动机的性能有着重要的影响，它在一定程 度上决定着整个发动机的使用寿命，对机体的疲劳进行深入的研究是十分有必要的。本 文以 cy4102bzq 柴油机机体为研究对象，在有限元理论的基础上，通过动态应力分析 方法较为准确的获得了机体各部位应力情况，结合疲劳理论对机体的疲劳进行了深入的 研究。 本文首先总结了疲劳的基础理论，调研了国内外机体的研究现状，对疲劳的机理、 分类进行了较详细的归纳分析。 建立了 cy4102bzq 柴油机一个整缸（第三缸）和相邻两个半缸（第二缸和第四缸） 的组合结构的实体模型。 将建立的实体模型导入有限元前处理软件软件 ansa 中， 对各 零件材料、属性进行设置，在保证计算准确度的前提下，结合各零件的结构特点，进行 了一定的结构简化，选择合理的单元类型、单元尺寸对组合结构进行网格划分，分别在 气缸盖与螺栓、气缸盖与钢丝密封圈、钢丝密封圈与机体、机体与螺栓、机体与主轴承 盖等零件的接触面定义了八对接触关系，在机体前后支撑点和机体组合结构的截断面定 义了位移约束，完成了机体组合结构有限元模型的建立。 运用有限元软件 ansys，采用完全法，以第三缸的一个工作循环进行载荷步的设 置，对机体组合结构有限元模型进行了瞬态动力学分析，得出了各节点的应力和位移的 时间历程，并对几个危险部位进行了应力分布情况的分析，对机体的设计优化提供了理 论依据，并为机体的疲劳寿命预测提供了数据。 研究了疲劳寿命计算模型、载荷谱、疲劳累积损伤、平均应力修正等用于计算疲劳 寿命的理论。将瞬态动力学的分析结果导入疲劳分析软件 designlife，选择分析模型， 输入材料数据，建立载荷谱，确定累积损伤模型，最终得到特定工况下机体在机械载荷 中北大学学位论文 作用下疲劳寿命的预测结果。 分析了机体疲劳的几种影响因素。结合发动机的实际运行情况，总结出了机体易发 生疲劳破坏的危险部位。对疲劳危险部位影响因素敏感度分析方法进行了一定的研究。 关键词：机体，瞬态动力学，疲劳寿命，敏感度分析方法 中北大学学位论文 the research on fatigue life prediction method of diesel cylinder block abstract the cylinder block is one of the most important components of the engine. as the skeleton and infrastructure of the entire engine, the cylinder block bears extremely complex load during engines operation, and the magnitude and direction of these loads are constantly changing with the crank angles changing. the cylinder can not occur cycle fatigue failure within the design life, because it is different from other engine parts, we can not completely repair cylinder fatigue damage. therefore, the reliability of the cylinder has an important impact on overall engine performance, and it determines the entire life of the engine in some way. so it is very necessary to make an in-depth study on the cylinder block fatigue. this paper using the cy4102bzq diesel engine cylinder block as the research object, make an in-depth study on the dynamic stress analysis of fatigue cylinder block by using the theory of finite element. firstly, this paper summarizes the basic theory of fatigue. it described the current body of research at home and abroad, classifies a detailed inductive analysis of the mechanism of fatigue. one entire cylinder (cylinder) and the two adjacent half cylinders (second cylinder and 4-cylinder) of the cy4102bzq diesel engine are established as a combination of structure solid model. we import the solid model into the finite element pre-processing software ansa. then we defines parts, materials and properties. we simplifies the structure combined with the structural characteristics of the various parts with the prerequisite of the calculation accuracy. and we make a reasonable choice of the element type, element size for the meshing of the composite structure. eight contact relationship are defined, such as the contact of the cylinder head with bolts, the contact of the cylinder block and the bolts, and so on. displacement constraints are also defined at the support points and the cut surface of the composite structure of the cylinder block. finally, the creating of the finite element model of the cylinder block is complete. then this paper does a transient dynamics analysis on the finite element model by the finite element software ansys. the stress and displacement time histories of each node are 中北大学学位论文 obtained. and then do an analysis on the stress distribution of the high-stress position. it provides a theoretical basis for design optimization of the cylinder block, and data for the fatigue life analysis of the cylinder block. detailed discussion of some theories to calculate the fatigue life such as the fatigue life calculation mode, the load spectrum, and the fatigue cumulative damage theory are made in this paper. it import the result of the transient dynamics analysis into fatigue analysis software designlife, and calculate out the fatigue life of the cylinder block. and finally we make an analysis of the calculation results. finally, we make a research on the influencing factors of the fatigue of the cylinder block. we summarize the dangerous areas of the cylinder block prone to fatigue failure combined with the actual operation of the engine. and then we make a study on the analysis methods of the impact factors sensitivity on the fatigue dangerous areas. keywords: cylinder block, transient dynamics, fatigue life, sensitivity analysis method 中北大学学位论文 i 目 录 1 1 绪论绪论 1.1 本文的研究背景及意义本文的研究背景及意义 . 1 1.2 疲劳基本概念及分类疲劳基本概念及分类 . 2 1.2.1 疲劳及其机理疲劳及其机理 . 2 1.2.2 疲劳的分类疲劳的分类 . 2 1.3 国内外相关内容研究综述国内外相关内容研究综述 . 3 1.3.1 疲劳研究发疲劳研究发展历程展历程 . 3 1.3.2 发动机机体研究现状发动机机体研究现状. 6 1.4 本文主要研究内容及实施方案本文主要研究内容及实施方案 . 8 2 2 机体应力应变数据获取方法研究机体应力应变数据获取方法研究 2.1 有限元理论有限元理论. 11 2.2 瞬态动力学分析瞬态动力学分析 . 11 2.3 机体组有限元模型的建立机体组有限元模型的建立 . 13 2.3.1 实体模型的建立实体模型的建立 . 13 2.3.2 结构离散结构离散 . 15 2.4 初始条件的建立初始条件的建立 . 16 2.5 建立边界条件建立边界条件 . 16 中北大学学位论文 ii 2.5.1 位移边界条件位移边界条件 . 17 2.5.2 接触边界条件接触边界条件 . 17 2.5.3 载荷边界条件载荷边界条件 . 18 2.6 载荷步设置及求解控制载荷步设置及求解控制 . 25 2.7 机体瞬态动力学结果分析机体瞬态动力学结果分析 . 27 3 3 机体疲劳寿命预测方法研究机体疲劳寿命预测方法研究 3.1 疲劳寿命预测方法疲劳寿命预测方法 . 31 3.1.1 常用的疲劳寿命预测方法常用的疲劳寿命预测方法 . 31 3.1.2 机体疲劳寿命预测方法的确定机体疲劳寿命预测方法的确定 . 34 3.2 疲劳载荷谱疲劳载荷谱. 34 3.3 材料特性的获取材料特性的获取 . 36 3.4 疲劳累积损伤理论疲劳累积损伤理论 . 37 3.4.1 线性线性累积损伤理论累积损伤理论 . 37 3.4.2 非线性累积损伤理论非线性累积损伤理论. 38 3.5 平均应力修正平均应力修正 . 39 3.6 机体疲劳寿命预测及结果分析机体疲劳寿命预测及结果分析 . 40 4 4 疲劳危险部位影响因素敏感度分析方法研究疲劳危险部位影响因素敏感度分析方法研究 4.1 机体疲劳的影响因素机体疲劳的影响因素 . 43 4.2 机体疲劳危险部位及影响因素的确定机体疲劳危险部位及影响因素的确定 . 44 中北大学学位论文 iii 4.3 疲劳影响因素敏感度分析方法研究疲劳影响因素敏感度分析方法研究 . 45 5 5 总结与展望总结与展望 5.1 全文总结全文总结 . 57 5.2 展望展望 . 57 参考文献参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果 致谢致谢 中北大学学位论文 1 1 绪论 1.1 本文的研究背景及意义 从发明至今，发动机已有 100 余年历史。作为整车的“心脏” ，发动机是各 种机动车辆、农林牧渔、工程建筑、船舶、地质钻机等机械设备的必备动力。 研究发现，百分之九十以上的汽车零部件破坏属于“疲劳破坏” 。所以，对 于汽车尤其是发动机行业， “疲劳”是可靠性研究面临的关键问题之一。随着科 技的发展，未来的发动机将向体积越来越小、重量越来越轻、功率越来越高的方 向发展，这一问题也会日益严峻。 作为发动机中最大的零件，机体是固定、支承发动机其他零部件以保持其相 互位置准确，为各种运动件及摩擦副提供必要的冷却与润滑，从而保证发动机正 常工作的关键部件1。机体在设计寿命周期之内一旦发生疲劳破坏，是很难完全 修复的。因此，对发动机机体的疲劳问题进行深入的研究十分有必要的。 研究机体的疲劳是保证发动机工作可靠性的需要。 耐久性设计是所有产品研 发所必须面对的课题，对于发动机也不例外。解决好这一课题，既可以在一定程 度上降低用户在使用过程中的投入，又能使发动机在性能上得到提升。增压技术 在将来一定时期内会越来越多的出现在发动机上， 这也在一定程度上增加了机体 的机械负荷，疲劳破坏发生的概率也会增大。 研究机体的疲劳是实现发动机轻量化设计的需要。 保证疲劳寿命前提下的轻 量化既可降低车辆的能耗，又为优化整车重量的分配提供了便利。而对于发动机 制造商来说，则可以节省材料，降低成本。 研究机体的疲劳有一定的工程应用价值。 结合现有的疲劳理论可估算出机体 的疲劳寿命，便于在疲劳破坏发生前有一定的准备；另外，通过对机体在实际使 用过程中暴露出来的疲劳破坏现象的研究， 可为发动机的改进设计提供数据积累 和理论依据，通过实际工程问题对疲劳理论深入研究，有一定的实际意义。 中北大学负责的“柴油机关重件疲劳仿真分析规范”研究，是中国北方发动 机研究所牵头的“柴油机数字化设计平台（dedp）建设”项目之一。本文为建 立“柴油机机体疲劳仿真分析规范”进行了机体疲劳仿真分析方法的研究。 中北大学学位论文 2 1.2 疲劳基本概念及分类 1.2.1 疲劳及其机理 当受到多次重复变化的载荷作用之后， 材料或者结构的应力值虽然始终没有 超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低，该情况下出现了断裂破坏现象，这 种在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏现象，叫做疲劳破坏2-4。 疲劳破坏的过程一般分为裂纹萌生、裂纹扩展、失稳断裂三个阶段5。对金 属疲劳一般解释为，在足够大的交变应力作用下，金属中位置最不利（或较弱） 的晶粒， 沿最大切应力的作用面形成滑移线或滑移带， 并最终开裂成为微观裂纹。 相对于金属内部，金属表面由于应力值较大且不同晶粒间相互牵连作用较小，晶 粒更容易发生滑移， 因而更容易产生微观裂纹。 在构件结构突变 （如圆角、 沟槽、 孔、切口等） 、表面刻痕、材料内部缺陷等部位，都可能会因较大的应力集中产 生微观裂纹。多个分散的微观裂纹连接到一起，便形成了宏观裂纹，宏观裂纹在 交变应力作用下逐渐扩展，该阶段即为裂纹的扩展阶段。裂纹的扩展阶段是不连 续的，随着应力水平的变化而持续或停滞。伴随着裂纹的扩展，构件的截面逐渐 削弱，裂纹扩展达到临界尺寸之后，构件便会发生突然断裂。 1.2.2 疲劳的分类 可从不同的角度来对疲劳进行分类。由研究对象的不同，可把疲劳分为结构 疲劳和材料疲劳。结构疲劳以零部件甚至整机为对象，研究结构的疲劳试验、抗 疲劳设计、疲劳寿命预测方法，以及尺寸、形状、应力集中、表面粗糙度等对结 构疲劳强度的影响等。材料疲劳则是以标准试样为对象，结合疲劳试验确定材料 的疲劳性能。 由零件工作过程中应力水平的高低和寿命（循环次数）的不同，可分为高周 疲劳（又称应力疲劳）和低周疲劳（又称应变疲劳） 。高周疲劳主要受应力幅控 制，其应力水平较低，一般远未达到材料屈服极限，工作过程中不形成较为明显 的塑性变形，疲劳寿命较高，循环次数一般大于 57 1 101 10。而后者主要受应 变幅控制，交变应力水平较高，应力峰值可接近或进入塑性变形区域，疲劳寿命 中北大学学位论文 3 较低，循环次数一般小于 5 1 10。 根据载荷和环境的不同，疲劳可分为机械疲劳、腐烛疲劳、热疲劳、微动疲 劳、接触疲劳等6。机械疲劳是指构件在交变的机械载荷作用下产生的疲劳，机 械载荷包括拉压、弯曲、扭转等，机械疲劳是最多见的疲劳形式，本文也是对处 在机械载荷作用下的机体进行疲劳分析。腐蚀疲劳是由于构件处在腐蚀的环境 中，在交变载荷作用下某些部位的应力水平很高，从而产生的疲劳现象；腐蚀与 交变应力两种作用互相促进，即交变应力的存在加强了腐蚀作用，而腐蚀的存在 则加重了交变应力的疲劳破坏。 热疲劳是指构件在加热或冷却时产生的热应力所 造成的疲劳破坏现象，一般在周期性变化的温度条件下，交变的热应力才可能会 产生热疲劳破坏现象。微动疲劳是指构件在循环载荷的作用下，由于表面某一部 位与其它接触表面产生小振幅相对滑动（即微动）而导致构件产生的微动疲劳损 伤。 接触疲劳是指球或滚子在滚动过程中，同时承受法向载荷和切向载荷的重复 作用，在滚动接触表面容易产生的一种疲劳破坏现象，滚动轴承、齿轮、凸轮等 工件表面容易发生接触疲劳。 1.3 国内外相关内容研究综述 1.3.1 疲劳研究发展历程 人们对疲劳的研究始于十九世纪初。工业革命进行过程中，各类工业机械设 备得到了快速发展，人们开始由浅入深的认识疲劳破坏现象，人们注意到，疲劳 破坏现象多发生在零构件截面的突变处6。 19 世纪 50 年代开始，德国人wohler以火车车轴为研究对象，对金属的疲劳 现象开始进行系统的研究。他研制出最初的疲劳试验机，实现了对车轴的疲劳试 验。wohler在 19 世纪 70 年代前后发表了一系列著作，对循环应力与疲劳寿命 的相关性进行了较为系统的论述，指出了应力幅值是引起疲劳破坏的主要因素， 他还提出了应力-寿命曲线等疲劳基础理论。 1860 年至 1880 年前后，gerber和goodman分析了等寿命条件下平均应力 和应力幅值的关系，gerber提出了gerber曲线，而g o o d m a n则提出了goodman 曲线。他们的研究成果基于更复杂的载荷形式，对疲劳问题认识更为深入，疲劳 中北大学学位论文 4 寿命计算准确度得到了大幅提升。 19 世纪后期，包辛格发现了弹性极限降低的“循环软化”现象，该种现象 后来被命名为“包辛格效应” 。从此，对疲劳现象的研究不仅考虑研究对象和试 验载荷，也开始考虑材料本身性能的影响。 进入 20 世纪，研究学者开始借助先进的显微设备分析疲劳破坏的过程，研 究了疲劳裂纹的萌生和扩展。进入 40 年代后期，电子仪器的发展，为研究学者 深入研究疲劳现象提供了工具。 20 世纪 40 年代中期，针对疲劳累积损伤问题，美国科学家 miner7进行了 大量的试验研究，提出了 miner 线性累积损伤法则，这种方法直到现在仍被广 泛应用。 20 世纪 50 年代，随着各种试验机技术的成熟，各种复杂的疲劳试验均可实 现， 尤其是在复杂的工作载荷下模拟试验的成功性大大增加。 在此期间， manson、 coffin 提出了应变与寿命之间的关系表达式，称为 manson-coffin 方程，由此奠 定了低周疲劳的基础。 1961 年，neuber h8开始结合局部应力应变法计算疲劳寿命。他以有对称切 口的棱柱体为研究对象，在切应力的作用下进行了分析，最终得出了反映缺口应 力-应变特性的 neuber 定律。paris 等人采用断裂力学理论， 发表了通过裂纹扩展 分析疲劳寿命的公式，称为 paris 公式。同时期，还形成了以损伤力学为基础的 计算疲劳寿命的方法9。疲劳寿命计算的方法得到了丰富。 从 20 世纪末以来，疲劳问题的研究重点多为多轴疲劳、微动疲劳、热疲劳、 热机复合疲劳等方面10。 1999 年，andrea carpinteri 11-12等人研究了高周多轴疲劳条件下，裂纹方向 与主应力方向的关系。通过一系列的试验，发现断裂平面位置和主应力方向有很 大的关系，并由此提出了一种由主应力方向来确定临界平面的方法。 1999 年，j.j.f. bonnen 13等人对 sae 1045 steel 进行了变幅拉扭试验，研究 了过载对多轴疲劳寿命的影响，发现弯曲应力达到屈服应力水平时，扭转疲劳极 限得到了降低，疲劳寿命也缩短了。 2004 年，katsuhiko sasaki14等人研究了某发动机缸盖材料的热疲劳现象。 在发动机工作过程中，缸盖承受周期性变化的热载荷和机械载荷，进行热疲劳和 中北大学学位论文 5 热机复合疲劳的研究具有一定的实际意义。 2004 年，. .aj mcevily等人15以存在缺陷并在同相双轴载荷作用下的构件为 研究对象，通过分析疲劳计算中若干参数间的相互关系，提出了一种疲劳强度的 计算方法，分析结果和实验得到的结果吻合得较好。 多轴疲劳是当前疲劳研究中较为突出的难点。 2001 年， edgar nobuo mamiya 和 jose alexander araujo16以多轴非比例载荷下的金属为研究对象，通过对其疲 劳强度的研究，提出了一种疲劳破坏准则。双轴、多轴疲劳断裂由于其复杂性及 各国的重视，形成了专门的学术讨论性质的国际性会议，每三年召开一次17。 2012 年， karolina walat 和 maria kurek18提出了一种可应用于多轴应力状态 下低周疲劳的疲劳损伤模型。该疲劳损伤模型包含能量参数和应变参数，这两个 参数由临界面的确定方式所决定， 其他的参数还有载荷频率变化因子和非比例载 荷影响因子。 我国对于疲劳的研究工作起步较晚，但也取得了很多成果，对疲劳理论的深 入研究做出了一定贡献。 北京工业大学的孙国芹、尚德广19提出了一种基于临界面法的多轴低周疲 劳损伤模型。通过分析裂纹扩展特点、最大剪应变和相应法向应变的变化特点， 提出了一种多轴低周疲劳损伤模型， 该损伤模型以最大剪应变平面作为损伤临界 面，以最大剪应变和相应法向应变作为基本参数，结合对 gh4169 合金和 45#钢 两种材料的寿命预测结果，得出该损伤模型的误差可控制在 2 个因子之内。 李静20提出了一种新的多轴疲劳寿命预测方法，通过分析临界面上应变变 化特性，结合多轴疲劳损伤理论，提出了一种可适用于比例与非比例加载的多轴 疲劳损伤参量， 该参量既考虑到了临界面上最大剪应变和正应变的范围对疲劳损 伤的不同贡献，又考虑了非比例加载产生的附加强化对材料寿命的影响，最后进 行了平均应力修正。结合不同材料进行的试验验证，发现预测结果与试验结果吻 合的程度较好。 在裂纹扩展的仿真方面，贾建军21研究出裂纹扩展的一种新的仿真分析技 术，对单元之间信息的传递过程进行了研究。贾超、张树壮22提出了支持裂纹 扩展的三维区域的有限元网格生成算法， 该方法适用于单裂纹和多裂纹条件下的 有限元计算。 中北大学学位论文 6 目前，国内也进行了很多车辆相关的疲劳研究工作，多数是结合仿真分析和 试验进行的。吴跃成等23开发了适用于车辆驱动桥的疲劳试验系统，并研究分 析了试验方法。冯遵委等24对动车转向架焊接结构进行了静强度和疲劳强度试 验，对当前国内外的试验技术进行了介绍和对比。胡玉梅等25利用仿真软件， 对高应力部位进行了寿命计算，为台架疲劳试验中应变片位置的确定提供了指 导。卢曦、郑松林26对轿车变速箱主减速齿轮进行了疲劳试验。王宏伟等27对 汽车的前轴进行了多次试验，得出了psn关系式，结合载荷谱，在不同工 况下分别进行了疲劳寿命的估算。杨友28结合对汽车前轴的弯曲试验，对影响 疲劳寿命的因素进行了分别研究。曹有善等29利用疲劳试验机对某发动机的喷 油嘴进行了试验，对喷油嘴的改进设计提供了一定的依据。闫胜昝等30结合仿 真软件分析了车轮的应力分布情况，将仿真分析与试验两种方法作了比较。朱涛 等31对试验中转向拉杆的实测载荷谱进行了研究，对提高实验效率和结果精度 有很大的帮助。 中北大学近年来开展了柴油机缸盖、活塞等高应力梯度结构多轴疲劳机制， 机体-主轴承盖支撑面微动疲劳等研究工作。 1.3.2 发动机机体研究现状 发动机机体结构复杂，在交变载荷的作用下各部位呈现复杂应力状态，应力 的准确测量与计算是进行包括疲劳研究在内的结构强度研究的基础。 可靠的有限 元模型是准确计算机体各部位应力的前提， 为了能得到较准确的有限元模型和边 界条件， emil oanta 和 dinu taraza32进行了研究， 最终得到了某柴油机机体外表 面的关键区域较为准确的应变、温度变化。王伟林33应用模态分析和有限元理 论，对 3100 柴油机机体进行了自由模态和第三缸最大爆发压力工况下的应力应 变分析，对机体的应力和应变分布情况进行了研究。邢正双34对某新型柴油机 机体在预紧工况、第一缸和第二缸的爆发工况进行了强度计算，得到了整个机体 的应力、应变云图，并得出了机体的危险部位，结合试验，对机体结构进行了改 进优化。薛良君等35对经减重设计的机体选取应力测点和确定试验工况进行了 研究，对研究对象进行了十五个不同工况下的应力测量，测量值符合设计要求。 曹磊等36为了分析机体仿真计算结果的精确程度，对机体相关部位进行了多次 中北大学学位论文 7 应力测算。杨万里37计算了多种机械载荷与热负荷共同作用下主轴承座的应力、 应变，并结合主轴承座的强度及变形等，指出了优化改进的方向。高文志等38 对某型柴油机机体的动态特性进行了试验分析，得出了该机体变形的动态结果， 进而得出了机体的疲劳危险薄弱部位。 从上文可以看出，国内对机体的动静态响应的仿真和试验均已做了大量工 作。仿真的优点主要体现在其灵活性，在仿真过程中，改变计算对象的各个参数 很方便，成本也比试验低很多，但由于不能完全准确的体现出实际中实验对象的 工作状态，因而往往存在一定的误差。而试验虽能得到相对准确的结果，但也有 较为明显的缺点，比如应力的获取受测量点位置的限制，真正高应力部位的应力 值往往不能或不易获得； 实验过程往往耗费大量的人力物力，并且试验周期较长 等。 仿真和试验两种方法各有优缺点， 将二者进行结合的方法已被多数学者接受， 随着计算机技术和试验技术手段的发展进步， 通过这种方法得出的应力应变等基 本数据也会越来越准确。 在试验方面，国外早已研制出机体疲劳的试验装置。日本某研究单位研制出 了相关的试验装置，该装置能对包括机体在内的发动机多种零部件进行疲劳试 验。奥地利avl公司研发出的试验装置能够进行较为合理的加载，然而，该设 备仍不够成熟，检测裂纹时需要定期停机检测，有一定的局限性。schenck 公司 也生产出与上文类似的机体疲劳试验机。ricardo 公司也研制出可模拟多缸加载 的机体疲劳试验设备。 国内，李玉柱39釆用上文 schenck 公司的实验设备，对某柴油机机体进行了 疲劳试验和应力测量。结合特定工况，按一定的顺序施加载荷，经历一定的循环 后观察机体是否产生裂纹。 张帆40结合特定发动机，开展了机体试验方法的分析。通过向气缸内注入 液压油实现载荷的模拟施加，检查是否产生裂纹。由于数据的不足，未能得到试 验相关的sn曲线，最终釆用了与之性能相近的材料并进行了修正。 陈学罡等41应用中国一汽技术中心引进的气缸体疲劳试验机，向缸内充满 液压油，检查各危险部位裂纹的产生。该实验可给出包括气缸体断裂、主轴承盖 断裂和主轴承螺栓断裂等在内的试验结果。 在机体的疲劳寿命仿真方面，rahman 等42以某二冲程发动机机体为研究对 中北大学学位论文 8 象，结合频率响应法，进行了振动载荷下机体的疲劳仿真。浙江大学的孙耀国43 以某发动机为研究对象，结合某工况对机体进行了疲劳寿命仿真计算，获得了该 机体的疲劳危险部位，并结合试验进行了验证。 从上述文献可看出，国内外对机体强度的研究主要有以下特点： （1）目前关于机体强度的仿真研究，主要停留在静态应力分析阶段，也有 一些单位进行了动态应力的分析，但应力结果多未经试验验证。机体的动态应力 分析的难点在于如何施加与实际情况相符的边界条件。 （2）机体强度的试验研究主要是测量机体的静态应力或动态应力。测量点 一般选在平滑易布置的机体表面，因而应力的获取受测量点位置的限制，真正高 应力部位的应力值往往不易或不能获得，因此，实验结果主要用来验证仿真分析 的准确性。 （3）针对机体疲劳的研究方法及理论相对较少，疲劳仿真和试验方法也很 不完善。只有少数单位通过动态应力的方法对机体进行疲劳仿真分析；在试验方 面， 目前国内外对机体进行疲劳试验的公开报道也很少，相关的研究方法及理论 也较少。对机体疲劳的研究不足，也就导致了机体疲劳部位确定和改进设计方法 等方面成果的缺乏。 1.4 本文主要研究内容及实施方案 对机体的疲劳寿命预测方法进行了研究，主要开展了三个方面的工作：机体 在机械载荷作用下的动态应力应变数据获取方法研究、 机体的疲劳寿命预测分析 方法研究、疲劳危险部位影响因素敏感度分析方法研究。 疲劳分析是一个较为复杂的过程。以 cy4102bzq 柴油机的机体为研究对 象，按照上文所述疲劳分析步骤，结合 ansys、designlife 软件对机体的疲劳 寿命预测方法进行研究。其具体的实施方案如下： （1）载荷数据的获取。载荷数据的正确与否可直接影响到疲劳分析结果的 准确性，对于发动机零部件而言，如果能获得较为真实的载荷数据，疲劳分析结 果的准确性便可得到保证，但是真实的载荷数据往往很难得到，可利用相关动力 学软件进行模拟，以获得相对真实的载荷历程。 （2）应力应变数据的获取。可利用有限元软件，针对具体模型，在前文获 中北大学学位论文 9 取的载荷作用下，计算出模型的应力应变结果。 （3）疲劳寿命计算方法的确定。常用的疲劳寿命计算方法主要有应力-寿命 曲线（sn曲线） 、应变-寿命曲线（n曲线）和裂纹扩展寿命计算等。不同 的分析模型需要输入不同的数据和材料参数。 （4）编制疲劳载荷谱。确定了疲劳分析模型之后，便可利用相对应的有限 元计算结果进行疲劳分析。例如，sn曲线方法以应力结果为基础，而n曲 线方法则以应变结果为基础。 （5）确定材料数据。材料疲劳性能数据的准确程度也会很大影响到疲劳分 析的准确性。 与疲劳寿命相关的材料参数主要有屈服极限、 抗拉强度、 弹性模量、 泊松比等，通过材料的抗拉强度可近似估算出sn曲线或n曲线。