发动机产品的疲劳耐久虚拟仿真技术PPT课件

发动机产品的疲劳耐久虚拟仿真技术,第四期发动机产品开发模拟仿真与疲劳耐久技术高级培训班,发动机可靠性(耐久性）仿真技术介绍（6.5h）,二,发动机可靠性（耐久性）开发工程实例（1h）,三,疲劳（耐久性）工程技术概论（0.5h）,一,在美国已经得到确认，由于产品的疲劳问题所引起的损失占国民生产总值的4左右(约1200亿美元).中国机械工程手册在第6章“结构疲劳强度设计”中指出：机械零构件80以上为疲劳破坏，因此对于承受循环载荷的零构件都应进行疲劳强度设计。,在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程。美国试验与材料协会ASTM（ASTME206-72）,疲劳的概念,疲劳学科奠基人,WohlersRailwayComponentTestRig,1850德国工程师WHLER首次对疲劳进行了深入系统的试验研究，设计出第一台疲劳试验机，提出S-N曲线和疲劳极限的概念，确定了应力幅是疲劳破坏的主要因素。公认的疲劳奠基人。,一些基本定义,HaighDiagram,1、疲劳强度的大小用疲劳极限来衡量：所谓疲劳极限就是指在一定循环特征R下，材料或构件可以承受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力Smax；2、疲劳寿命是疲劳失效时所经受应力或应变的循环次数N。3、任何一个疲劳寿命分析方法都包含三部分的内容：材料疲劳行为的描述，循环载荷下结构的响应，疲劳累计损伤法则。,疲劳强度与疲劳寿命,循环应力-应变曲线,疲劳失效常发生于零件表面。疲劳失效起始于微裂纹并对应力变化敏感。疲劳研究包括从滑移带微裂纹形成到弹塑性连续体裂纹扩展全过程。,疲劳损伤发展机理,形成微裂纹因素:材料金相杂质裂纹或疏松表面划痕或加工刀痕腐蚀坑或晶粒位错铸造疏松锻造或成形材料交叠表面层易脆裂,疲劳累积损伤理论,所谓损伤，是指在疲劳过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹的形成和扩展。当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料产生一定的损伤，每一个循环造成的平均损伤为1/N.这种损伤是可以累积的，n次恒幅载荷所造成的损伤等于其循环比Cn/N。1）、Miner线形疲劳累积损伤理论ni/Ni=12）、相对Miner理论ni/Ni=Q（Q与载荷谱型、作用次序及材料的分散性有关）,雨流记数法,按研究对象分为材料疲劳和结构疲劳材料疲劳：以标准试样为对象，研究材料失效机理、化学成分和微观组织影响。结构疲劳：以零部件及整机为对象，研究疲劳性能、疲劳设计、形状尺寸及工艺因素影响。按循环次数分为高周疲劳和低周疲劳高周疲劳：应力远低于材料屈服极限，Nf大于10E510E7次低周疲劳：应力接近或超过屈服极限，Nf少于10E410E5次按应力状态不同分为单轴疲劳和多轴疲劳单轴疲劳：只承受单向正应力或单向切应力。多轴疲劳：多向应力作用下的疲劳。按载荷幅度和频率分为恒幅疲劳、变幅疲劳和随机疲劳按载荷工况和工作环境分为：常规疲劳、高低温疲劳、机械疲劳、热疲劳、热机疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳。,疲劳分类,S-N(全寿命方法)以材料或零件的S-N曲线为基础，对照试件或结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力，结合疲劳累积损伤理论，校核疲劳强度或计算疲劳寿命E-N(局部应力应变法)结合材料的循环应力应变曲线，通过弹塑性有限元分析或其他计算方法，将构件上的名义应力谱转换成危险部位的局部应力应变谱，然后根据危险部位的局部应力应变历程估算寿命。,疲劳寿命计算方法,也称为名义应力法或全寿命法估算构件突然失效的全寿命基于材料S-N曲线计算疲劳寿命广泛应用于外加应力名义上在材料的弹性范围内，而且材料的失效循环次数很高。,SN,Thelifeofthis.isthesameasthelifeofthis.ifbotharesubjecttothesamenominalstress,EN,应变寿命分析法，裂纹萌生法应变-寿命法预测寿命最常用于汽车行业实际上，裂纹形成即意味着裂纹发展有1-2mm宽，通常占零件寿命很大成分许多汽车零件设计为在使用时处于塑性应变。由于S-N基本上忽略塑性，因此用E-N方法更为合适,Thecrackinitiationlifehere.isthesameasitishere.ifbothexperiencethesamelocalstrains,TotalLife=CrackInitiation+CrackGrowth,S-N与E-N的比较,疲劳耐久性管理技术集成,-测试与分析相关联提高了分析设计优化的精确度。-产品设计阶段的早期疲劳寿命评估可以更快地生产出更好的产品。-基于服役环境的实际描述可以进行分析疲劳设计优化。,一体化耐久疲劳分析,发动机的可靠性始于故障研究，对于稳定生产的一批发动机，发生故障的时间具有统计规律性，即发动机发生故障的时间t是服从某一分布函数f(t)的随机变量。用物理方法和数理统计方法对发动机的故障、失效模式、影响因素及其规律进行分析，得出其故障分布规律，是发动机可靠性研究的主要内容之一。进行可靠性评估的依据是零件应力和材料抗力二者的概率分布情况。发动机是由许多零件、部件及总成组合而成的一个“系统”。系统的可靠性不但取决于组成该系统的零部件的可靠度，而且还取决于各零部件之间的相互关系。,可靠性,在规定的期限内，结构抵抗开裂的能力，称为结构的耐久性（Durability）。耐久性分析是随时间变化的结构损伤程度的定量分析。耐久性设计考虑结构中可能出现裂纹的所有细节群，可以定量评价结构的初始制造质量；比较真实合理地预测结构在使用过程中的损伤了；给出经济寿命，进而能综合控制结构的设计、制造、使用和维修，寻求更好的经济效益。,耐久性,常见发动机零部件的故障(或寿命)分布规律有指数分布、正态分布、对数正态分布和威布尔分布。在一个机械系统中，各组成零部件的可靠度大不相同，为提高各零部件可靠性所花费的成本也不相同，因此在可能的条件下最好的可靠性分配方法是列出可靠性分配的成本目标函数及约束条件，按最优化方法求解。目前，还是按零件的重要程度分配可靠度。若要使70%的发动机在大修期内不发生任何零部件损坏事故，为达到这个整机可靠性的目标，又按零部件重要程度提出以下三种要求：98%的发动机在大修期内不发生关键零件的损伤，或不发生关键性的故障；95%的发动机在大修期内不发生重要零件的损坏；75%的发动机不发生一般零部件的损坏或故障。,系统可靠性分配,可靠性设计原则,1、确保可靠性目标的原则2、一切通过试验的原则3、简单化、标准化、通用化原则4、技术上成熟、可靠性增长原则5、充分考虑维修性原则,失效形式分类,失效分析方法,1、失效模式影响分析（FMEA，FailureModeandEffectAnalysis)2、故障树分析（FTA，FaultTreeAnalysis)3、特征要因法（鱼刺图法）4、磨擦学系统分析法,四种常用强度理论,1、最大拉应力理论(第一强度理论）2、最大伸长线应变理论（第二强度理论）3、最大剪应力理论（第三强度理论）4、形状改变比能理论（第四强度理论）,(1)要求发动机运行达到标准中所规定的小时数才能进行评定(2)首次故障时间及平均故障时间(小时数)。(3)试验中的校正额定净功率、最大校正净功率、最大校正扭矩及燃油消耗率的变差不应超过4。(4)在全负荷额定转速下，机油燃油比不超过03(5)全负荷最大活塞漏气量Bmax(Lmin)不得超过限值。(6)发动机不得漏油、漏水、漏气。如油水混合、散热器气胀，且空气不得渗入负压系统。(7)零部件不应有断裂、裂纹和过大的变形影响可靠性或功能。对断口应进行分析。(8)摩擦副的磨损应在正常范围内。(9)摩擦副工作表面贴合部位应正常。(10)根据零部件表面上的沉积物、漆未(varnish)及油泥，分析零部件工作温度、机油品质等。,十条发动机可靠性评定原则,产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，也是管理出来的。产品可靠性设计与分析过程是产品实现可靠性过程的关键环节，它决定着产品是否能够满足“三个定”(规定时问、规定条件和规定能力)的要求，并为后续过程(维修性、保障性、可信性等)提供依据，同时也影响着提供给顾客的产品质量是否符合市场的要求并获得顾客满意。,加强发动机可靠性开发的必要性：1、可靠性水平是客户对产品最基本的要求2、发动机是汽车心脏、科技含量最高，能代表企业产品水平。3、提升发动机的质量、口碑；增强竞争力。4、增强相关核心技术的自主研发能力。5、发动机的可靠性也是制约公司产品自主研发的主要瓶颈之一。,必要性,意义,性能,可靠性,NVH,发动机开发技术基本可分为三个主要领域：性能开发、可靠性开发与NVH开发。可靠性（耐久性）是现代质量保证的核心可靠性性能仍然是最基本、最关键的问题，可靠性性能没有解决好，就谈不上高质量。,发动机可靠性(耐久性）仿真技术介绍（6.5h）,二,发动机可靠性（耐久性）开发工程实例（1h）,三,疲劳（耐久性）工程技术概论（0.5h）,一,2.1发动机五类螺栓的分析校核2.2主轴承轴瓦与连杆轴瓦2.3活塞组件2.4连杆2.5曲轴2.6主轴承座2.7缸体缸盖一体化2.8排气歧管及进气歧管2.9配气机构及凸轮轴2.10MT飞轮及AT驱动盘2.11前端轮系2.12悬置支架,发动机可靠性(耐久性）仿真技术介绍（6.5h）,二,2.1发动机五类螺栓的分析校核2.2主轴承轴瓦与连杆轴瓦2.3活塞组件2.4连杆2.5曲轴2.6主轴承座2.7缸体缸盖一体化2.8排气歧管及进气歧管2.9配气机构及凸轮轴2.10MT飞轮及AT驱动盘2.11前端轮系2.12悬置支架,AVL-EXCITE-DESIGNER,配合分组数据,轴瓦参数,轴颈参数,轴孔参数,测量座参数,工作温度,轴瓦计算流程,冷热态轴承间隙计算校核轴瓦预紧设计参数,轴承间隙计算结果文件，如：SHELL_CB01L.RPT,Results-Temperature(degree):20.80.100.Min.clearance(mm):0.0280.0460.052最小间隙Max.clearance(mm):0.0450.0620.068最大间隙Min.relativeclearance:6.453E-041.048E-031.183E-03最小相对间隙Max.relativeclearance:1.012E-031.415E-031.549E-03最大相对间隙Relativeclearancemeanvalue:8.286E-041.232E-031.366E-03相对平均间隙Min.diameter-oversize(mm):0.0850.0580.049Max.diameter-oversize(mm):0.0990.0720.063Measuring-stresses(N/mm2):135.8Min.tangential-stresses(N/mm2):262.4177.9149.8瓦hoop内应力Max.tangential-stresses(N/mm2):304.6220.1191.9Min.shell-force(N):9661.6555.5521.Max.shell-force(N):11216.8108.7074.Min.shell-back-press.(N/mm2):19.35513.11611.043瓦座间径向压力Max.shell-back-press.(N/mm2):22.47116.22514.149Min.housing-stresses(N/mm2):41.1327.9323.53座内应力Max.housing-stresses(N/mm2):47.7534.5530.15,2.3.1活塞动力学(AVL_GLIDE)2.3.2活塞环动力学(AVL_GLIDE)2.3.3活塞销强度计算（AVL_Designer)2.3.4活塞热机强度分析(ABAQUS),AVL_GLIDE软件界面,应用分析目标,2.3.1活塞动力学(AVL_GLIDE)2.3.2活塞环动力学(AVL_GLIDE)2.3.3活塞销强度计算（AVL_Designer)2.3.4活塞热机强度分析(ABAQUS),2.3.1活塞动力学(AVL_GLIDE)2.3.2活塞环动力学(AVL_GLIDE)2.3.3活塞销强度计算（AVL_Designer)2.3.4活塞热机强度分析(ABAQUS),切去1/4，以便观察。,活塞销几何尺寸,2.3.1活塞动力学(AVL_GLIDE)2.3.2活塞环动力学(AVL_GLIDE)2.3.3活塞销强度计算（AVL_Designer)2.3.4活塞热机强度分析(ABAQUS),对于活塞的对称结构，一般取1/2模型分析,活塞的温度场计算,热机强度计算FE模型,计算工况及计算结果,STEP1、热载荷；STEP2、热载荷+最大燃气爆发压力+侧向力+惯性加速度；,2.4.1连杆装配分析2.4.2连杆强度计算（等效静载荷）2.3.3连杆动力学计算2.3.4连杆动应力计算,2.4.1连杆装配分析2.4.2连杆强度计算（等效静载荷）2.3.3连杆动力学计算2.3.4连杆动应力计算,ABAQUS软件,FE模型-1,疲劳分析,EXCITE软件,2.4.1连杆装配分析2.4.2连杆强度计算（等效静载荷）2.3.3连杆动力学计算2.3.4连杆动应力计算,2.4.1连杆装配分析2.4.2连杆强度计算（等效静载荷）2.3.3连杆动力学计算2.3.4连杆动应力计算,通过动力学分析结果，得到一个循环下的参考节点的位移、速度、加速度曲线，结合强迫位移法进行连杆动应力恢复连杆动应力恢复使用MSC.Nastran软件,连杆参考点瞬态位移,材料参数,弹簧约束,2.5.1曲轴1D的ShaftModeler_StructureMode分析2.5.2曲轴1D的ShaftModeler_DesignerMode分析2.5.3曲轴的3D动力学分析2.5.4曲轴FEA强度分析,几何模型,STL模型,TVD参数,飞轮参数,AutoShaft,检查几何尺寸文件,Modalanalysis,曲轴FEA模态,比较,曲轴自由度、质量、刚度文件,EXCITE动力学计算,2.5.1曲轴1D的ShaftModeler_StructureMode分析2.5.2曲轴1D的ShaftModeler_DesignerMode分析2.5.3曲轴的3D动力学分析（AVL_EXCITE)2.5.4曲轴FEA强度分析,曲轴FE模型模态压缩设置,2.5.1曲轴1D的ShaftModeler_StructureMode分析2.5.2曲轴1D的ShaftModeler_DesignerMo