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曲轴（48Mnv材质）基于疲劳试验，动态模拟以及有限元的疲劳寿命预测摘要：S-N曲线和疲劳参数的获得是通过小型的样品测试和阶梯状或者循环往复的试验。从而为预测48MnV曲轴的疲劳寿命奠定了基础。六缸发动机曲轴的疲劳寿命计算是运用不同的损毁模式例如S-N方式，正常应变方法，SWT方法，剪应变方法和基于曲轴的动态模拟以及有限元法的Fatemi-Socie方法。结果表明，传统的计算过于保守，如果曲轴在生命后期通过改造，那么它的剩余疲劳寿命足够维持下一个生命循环周期。关键词：48MnV 多轴疲劳 曲轴 动态模拟 有限元0 简介 最近几年，48MnV非淬硬钢和软钢，由于其低成本和良好的工作性能，已经被越来越多的用于制造发动机曲轴。在曲轴的设计阶段疲劳寿命是一个需要考虑的至关重要的因素。当曲轴进入再制造阶段，评价其疲劳寿命也是必要的。同时，对于48MnV曲轴的机械性能和疲劳性能的研究，是预测其疲劳寿命的基础。 曲轴是汽车发动机的关键部件之一,其强度和刚度对发动机的工作性能和寿命是至关重要的。如今，整体曲轴的有限元分析是最理想和最受欢迎的强度分析方法。王，建立了汽车发动机整个曲轴的有限元模型并且计算了它的应力分布，然后利用结果简单的计算安全系数与不考虑曲轴转动的影响力。大多数包括曲轴有限元分析和安全系数计算的论文都没有考虑曲轴轴承位置的支撑力或者相邻曲柄的惯性力的影响。这些论文只是简单的处理复杂交变载荷组合而成的曲轴荷载。在这样的处于非线性几何离散位置或者方向随时间变化的三个主应力荷载作用下产生的曲轴疲劳，就是所谓的多轴疲劳。多轴疲劳寿命预测的理论精度，不仅取决于对应变关系的正确模拟，还取决于对损伤模型的合理使用。疲劳寿命预测,可以减少大量的测试样品,成本和产品开发周期,提高竞争力。这是一个用来衡量曲轴生命周期结束后能否再制造的标准。本文首先计算曲柄销的受力，还包括基于曲轴系统动态模拟的惯性力，然后将结果作为应力边界条件，利用有限元法计算静应力，最后采用单轴损坏模型S-N法和多轴损坏模型例如：正应变法，SWT,剪应变法，Fatemi-Socie法分别计算曲轴的疲劳寿命。1 测试技术1.1 48 MnV的化学组成见表11.2 样品 用于拉伸测试的3个光滑试样和用于疲劳测试的22个光滑试样，Fig.l用图表法说明了用于此项调查的拉伸和疲劳样品。1.3 拉伸试验 采用电子拉伸试验机(兹维克,德国)进行拉伸试验，三个样品的试验结果表征了48 MnV的机械性能，测试结果见表21.4 疲劳试验 疲劳试验是在轴向受拉的条件下进行的，采用高频疲劳试验机，测试结果如表3所示。疲劳极限是通过楼梯或者上下法确定的。1gN-LG Q值曲线如图2所示，和Q - 1gN曲线如图3所示。 疲劳极限是表四中超过107以及低于107的7对数据的平均值，在第一次对比之前必须对数据进行截断。 根据文献3-4，应力应变关系符合Manson-Coffin公式。因此，疲劳性能参数的确定如表4所示。2 曲轴有限元分析2.1曲轴的动态仿真 关于曲轴汽缸柴油汽车发动机的研究，其参数列于表5。 曲轴系统模型由Pro/ E2001建立，然后将模型导入到亚当斯的动态仿真模型。图表5是对动态仿真模型的说明。曲轴由位于主位置的发动机缸体支撑。在这项工作中的发动机缸体是仿照纵向和横向平面中承轴位置的集中刚度设计的。根据文献5这个平面的中间5个主轴承是80 MN/ M和两个端轴承是1 GN/ M。在这项研究中，每一个曲柄销旋转3.6（曲轴旋转两个周）在一个周内施加的所有荷载就代表了6种不同的转速下的荷载情况。当六缸分别爆炸，就产生六大系列负荷，并分别作为载荷进行曲轴的有限元分析。图6表示，在一个曲柄销施加载荷，包括旋转角度不同的圆周载荷和径向载荷。图7展示了六种轴向和径向载荷不同角度旋转复合力的负荷。2.2 曲轴有限元计算 曲轴的几何模型由Pro/E2001建立。然后模型导入到Hypermesh6.0进行网格划分。实心三角元素的创建取决于表面三角元素，这些三角元素是由啮合曲轴表面和精细网格油孔创建的。共创建了188666元素和40679个节点。图8说明了曲轴的有限元模型。该网状模型被导入到Patran2001。下一步，该模型在Patran2001预处理。最后，有限元模型就被Nastran2001解决了。（1）负荷 曲轴主要是通过运行发动机燃烧进行负荷加载。该荷载是透过活塞和曲柄销曲轴的连杆。活塞和连杆作为刚体，对其惯性载荷进行计算并与燃烧负荷结合起来。载荷联合应用在旋转坐标系上的曲柄销并用动态仿真模型进行计算。曲轴的曲柄销上施加的联合载荷分布沿圆周余弦方向和抛物线轴向方向。这些都在图9中表示出来了。对于有限元模型，荷载的确定元素的分布由荷载分布规律决定，然后分配给某些元素的每一个节点，这就是等效荷载。（2）其他边界条件 弹性主支承使用地弹簧元素进行模拟，曲轴的电源输出是固定不变的。（3）结果 在这项研究中，曲轴的静应力在六中不同速度的工作条件下使nastran2001进行计算。表6列出了应力的每一个角度，曲轴油孔的五个不同的速度。3 曲轴疲劳寿命 疲劳寿命预测需要加载变量的历史，几何结构参数，以及相关的材料性能或曲线。用有限元分析疲劳寿命预测中包括2个步骤。首先，应力应变变量的历史和应力应变反应的预测是根据荷载变量的历史和结构，它的主要任务是有限元分析。第二步，一旦获得应力应变的反应结果，疲劳寿命就可以通过不同的破坏模式进行预测。3.1 确定应力响应 第一部分荷载已经被界定，其中包括曲轴曲柄销径向和周向载荷（12个）。然后，应力应变弹性响应通过荷载加载历史，运用下面的公式进行计算. 其中k为负载数量，Fk为NO.k静负荷，e.k为弹性应力相应的no.k负荷，Fk(t)为量子效率（吨）的加载历史，e（t）为弹性应力历史。 在这项工作中，加载时间的历史是假设它是恒定振幅波形。表6显示的压力是最大速度2000转/分。因此，加载历史在2000转/分是用来预测疲劳寿命。根据图10和图11，加载历史的径向负荷应用在曲柄销上，这缸燃烧，利用三角波形模拟为图12显示，以及环的使用正弦波形模拟显示如图13。 最大和最小数据值的负荷是相同载荷计算的动态仿真模型，其转速2000转/分钟。其他使用相同的波形模拟加载历史但相位对比夹角曲柄销程度是1200，其相应的汽缸燃烧序列相邻。3.2 损伤模型和预测结果3.2.1 多轴疲劳损伤模型 多轴疲劳损伤模型分为三类:（1）复杂应力状态下的扩展静态屈服理论；（2）基于能量的方法；（3）临界平面法。Finedly提出的临界平面法。他认为，临界剪切平面的交变应力是疲劳破坏的主要原因和平面的正常应力同样会产生影响。迈克迪米德和布朗米勒进一步发展这一概念和说明这方面的疲劳裂纹形成机制。他们发现在交变多轴中存两种典型的疲劳裂纹，他们将浅显的和经常沿着表面延伸的裂纹定义为A型，将存在于内部的深裂纹定义为B型，如图14。 根据不同损伤参数和如图所示典型的类型可以获得临界平面不同的破坏模式。 （1）正应变其中：n最大振幅的应力范围疲劳强度系数N半周期的数量疲劳延性系数b疲劳强度指数C疲劳延性指数E弹性模量这是一个简单的“临界平面法”。该损伤参量是正常应力n该应力与coffin-manson-Sasquin方程相结合。该模型实际上是coffin-manson-Sasquin方程的延伸。 （2） SWT-Bannantine这是多轴形式的波方程。这种方法非常类似于正常型方法。除了正常的应变，损伤参数包括最大正应力，其最大正应力发生在每一个雨流循环。差异与正常的方法是，最大正应力并不总是发生在同一时间，最大正应变。 （3） 剪切应变最大剪应变范围c弹性泊松比p塑性泊松比 该模型假设关键的平面是最大振幅剪切应变平面。剪切应变方法类似于正常的应变方法，除了它使用剪切应变，参数f，和因子Nf进行相应的修改。 （4） Fatemi-Socien材料常数 fatemi-socie表明，损伤参数是一个组合剪切应变振幅和最大正应变。 使用上述模型计算疲劳损伤的步骤：分解应力和应变的一个可能的关键平面；雨流计数并计算正常或损坏剪切应变史；。重复计算了上面提到的步骤和选择最大损害的最终结果。3.2.2 结果 在这项工作中，曲轴疲劳寿命分别使用不同的计算模型，如疲劳，应变，剪应变和 Fatemi-Socie。结果列于表7。可以看出，计算出的损伤模型的疲劳寿命很长。主要由于三个主要因素。第一个是，曲轴是专为无限的寿命而设计的。原因之二是，计算结果在本研究相对小于计算仅考虑单一或没有考虑到影响相邻的。第三个是氮化和冷轧的角之间的曲柄臂与曲柄销是抛光的。4 结论 （1）计算疲劳寿命运用了S - N曲线和疲劳参数，动力学仿真和有限元