發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸疲勞分析

梁靜強(qiáng)， 趙文星， 呂俊成

（1.上汽通用五菱技術(shù)中心CAE 科，廣西 柳州545007；2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司 柳州分公司，廣西 柳州545007）

1 引 言

曲軸是內(nèi)燃機(jī)中最主要的機(jī)件之一，內(nèi)燃機(jī)的可靠性和壽命也在很大程度上取決于曲軸的強(qiáng)度［1］。曲軸在工作中承受的載荷是交變載荷，曲軸的損壞常常表現(xiàn)為疲勞斷裂，因此對(duì)曲軸的研究一直受到設(shè)計(jì)者的重視。對(duì)曲軸的設(shè)計(jì)和校核，傳統(tǒng)的方法是通過實(shí)驗(yàn)來完成，需要投入極大的人力和財(cái)力。目前借助于多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件系統(tǒng)和疲勞分析軟件對(duì)曲軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能分析已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用［2］。

本文所采用的方法就是使用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS對(duì)曲軸建模，得出發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷下1000r/min 到6000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動(dòng)力學(xué)特性，并以此為結(jié)果，應(yīng)用疲勞分析軟件msc.fatigue 對(duì)曲軸進(jìn)行疲勞壽命的評(píng)估。

2 疲勞分析概念

2.1 疲勞的定義

當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力值雖然沒有超過材料的強(qiáng)度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，這種在交變載荷重復(fù)作用下材料或結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象，被稱為疲勞破壞。

2.2 疲勞的分析方法

疲勞分析方法在工程應(yīng)用技術(shù)中或大或小都存在誤差，它是一門近似正確的技術(shù)，得出的結(jié)果還要經(jīng)過試驗(yàn)的驗(yàn)證［3］。

迄今為止，在疲勞設(shè)計(jì)方面已經(jīng)提出了4 種疲勞設(shè)計(jì)方法：名義應(yīng)力疲勞設(shè)計(jì)法；局部應(yīng)變分析法；損傷容限設(shè)計(jì)；疲勞可靠性設(shè)計(jì)［4］。

本文應(yīng)用名義應(yīng)力法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行疲勞壽命分析。名義應(yīng)力疲勞設(shè)計(jì)法是以名義應(yīng)力為基本設(shè)計(jì)參數(shù)，以S-N 曲線為主要設(shè)計(jì)依據(jù)的疲勞設(shè)計(jì)方法。名義應(yīng)力法估算機(jī)件壽命，是建立在下述假設(shè)的基礎(chǔ)之上，即材料和機(jī)件是理想的連續(xù)體，且承受的載荷不大，斷面應(yīng)力小于材料的屈服極限，應(yīng)力應(yīng)變成線性關(guān)系，應(yīng)力循環(huán)作用下的壽命很長(zhǎng)，屬高周疲勞。

2.3 疲勞壽命的規(guī)定

從理論上講，要設(shè)計(jì)一款無限壽命的曲軸，必須要求零部件的設(shè)計(jì)應(yīng)力低于其疲勞極限，并且要求在經(jīng)歷無限次（107次）的循環(huán)力加載后不發(fā)生斷裂。

3 有限元模型前處理

3.1 模型簡(jiǎn)化

本文所分析的曲軸為四缸直列發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則，幾何小特征非常多，而有限元分析軟件在幾何建模方面的功能又非常薄弱，因此在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分之前，本文采用UG軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和坐標(biāo)系的調(diào)整，使X 軸垂直向上，Y 軸水平，Z 軸沿著曲軸的方向指向飛輪端。在進(jìn)行幾何模型的簡(jiǎn)化時(shí)，對(duì)于容易發(fā)生疲勞斷裂的部位，如油孔的倒角、軸頸和曲柄臂的倒圓,是本文的重點(diǎn)研究對(duì)象，是不能進(jìn)行任何簡(jiǎn)化的。簡(jiǎn)化后的模型如圖1 所示。

圖1 簡(jiǎn)化模型

3.2 網(wǎng)格劃分

將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)成parasolid 格式，在Hypermesh環(huán)境下，將曲軸劃分成二階四面體單元。注意在油孔的倒角、軸頸和曲柄臂的倒圓處網(wǎng)格要比較密，其他地方網(wǎng)格可放大，單元的詳細(xì)情況如表1中所示。劃好的網(wǎng)格如圖2 所示。

表1 曲軸網(wǎng)格概況

圖2 有限元模型

3.3 柔性體預(yù)處理

為了使建立好的曲軸有限元模型能作為柔性體，并在ADAMS/Engine 軟件中使用，必須對(duì)曲軸有限元模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

首先調(diào)整坐標(biāo)系，使曲軸有限元模型坐標(biāo)系與ADAMS/Engine 模型坐標(biāo)系一致。

調(diào)整好坐標(biāo)系后，進(jìn)行以下處理：（1）在每一個(gè)主軸頸處布置一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的x、y 坐標(biāo)分量為零；（2）在每一個(gè)曲柄銷處布置一個(gè)節(jié)點(diǎn)；（3）在減振輪處和飛輪處的軸段各布置一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其x、y 坐標(biāo)分量為零；（4）對(duì)于主軸頸處的節(jié)點(diǎn)和曲柄銷處的節(jié)點(diǎn)，設(shè)定其x、y 方向移動(dòng)主自由度，對(duì)于止推軸承處，還需要z 方向移動(dòng)主自由度；（5）對(duì)于減振輪處的節(jié)點(diǎn)，設(shè)定x、y 方向移動(dòng)主自由度和z 方向轉(zhuǎn)動(dòng)主自由度；（6）對(duì)于飛輪處的節(jié)點(diǎn)，設(shè)定x、y 方向移動(dòng)主自由度和x、y、z 方向轉(zhuǎn)動(dòng)主自由度。

處理好后的模型如圖3 所示。

圖3 曲軸柔性體模型

圖4 有限元計(jì)算結(jié)果

4 有限元運(yùn)算

設(shè)置求解器計(jì)算參數(shù)，要求求解前十階模態(tài)，輸出結(jié)果單位與ADAMS/Engine 模型一致，導(dǎo)出前處理模型并用Msc.Nastran 軟件進(jìn)行運(yùn)算，生成模態(tài)中性文件（.mnf）和包含模態(tài)應(yīng)力的輸出文件（.out），mnf 文件用于ADAMS 軟件進(jìn)行柔性體動(dòng)力學(xué)分析，動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果連同out 文件用于Msc.Fatigue 軟件進(jìn)行疲勞分析。

5 多體動(dòng)力學(xué)模型及其分析

5.1 動(dòng)力學(xué)模型

多體動(dòng)力學(xué)是研究柔體和剛體組成的系統(tǒng)在空間運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)力學(xué)行為的一門學(xué)科，它與有限元方法的完美結(jié)合使分析結(jié)果更接近實(shí)際。運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)可以直接計(jì)算出各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)及相互間的作用力，進(jìn)而進(jìn)行變形、應(yīng)力以及振動(dòng)響應(yīng)分析等。

本文利用ADAMS 軟件將整個(gè)系統(tǒng)分為彈性件（曲軸）和連接件（軸承），通過連接件向彈性件施加約束，從而建立曲軸系統(tǒng)模型，如圖5 所示。

圖5 ADAMS 模型

圖6 缸壓曲線

建好模型后，將實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得缸壓數(shù)據(jù)作為載荷邊界條件，缸壓曲線如圖6 所示。

5.2 動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析

在ADAMS 中進(jìn)行1000r/min 到6000r/min 的動(dòng)力學(xué)分析，得出曲軸的動(dòng)態(tài)載荷。本文所分析工況是從 1000r/min到6000r/min，增量為500r/min，共11 個(gè)工況。如圖7 所示為其中一個(gè)工況的動(dòng)態(tài)載荷分布圖。

圖7 4000r/min工況的動(dòng)態(tài)載荷分布圖

由圖可見，應(yīng)力大部分集中在油孔的倒角處和軸頸與曲柄臂的倒圓處，由此可推斷，如果發(fā)生疲勞斷裂，必定首先在這些部位處發(fā)生。

6 疲勞分析及改進(jìn)

曲軸的材料性能和表面處理等參數(shù)是進(jìn)行疲勞計(jì)算的基本參數(shù)，為了能較準(zhǔn)確地確定這些參數(shù)，本文采用實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)強(qiáng)度極限、楊氏模量以及疲勞強(qiáng)度推算其SN 曲線。然后將由動(dòng)力學(xué)分析得到的曲軸動(dòng)態(tài)載荷邊界條件輸入到Msc.Fatigue 中，計(jì)算出其安全疲勞系數(shù)。

6.1 安全系數(shù)

通常，要設(shè)計(jì)一款無限壽命的曲軸，其疲勞壽命必須在107以上。由Msc.Fatigue 軟件計(jì)算其壽命，若壽命大于107，則該曲軸為無限壽命的。計(jì)算壽命與107之比稱之為基于疲勞壽命的安全系數(shù)。從理論上講，安全系數(shù)必須大于1 曲軸的設(shè)計(jì)才是可接受的，這是理論要求，但實(shí)際工程中，考慮到其他因素的影響，安全系數(shù)要求可適當(dāng)放大，對(duì)于不同的企業(yè)，有著不同的目標(biāo)值，本文僅以理論值為標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 中，藍(lán)色曲線為各個(gè)轉(zhuǎn)速下的最小安全系數(shù)曲線，紅色線其安全系數(shù)為1，由圖可見，曲軸的安全系數(shù)已明顯小于1，它們分別是3000r/min 的0.89，3500r/min 的0.925，5000r/min 的0.962，6000r/min 的0.962。

圖8 中還顯示了在這些工況下曲軸最薄弱部位的位置。

圖8 各轉(zhuǎn)速下的最小安全系數(shù)

由此可見，曲軸的薄弱部位均在軸頸與曲柄臂的倒圓處，與前文所述相符。

6.2 結(jié)果分析及改進(jìn)

由以上結(jié)果可知，該曲軸在四種工況下，其安全系數(shù)均小于1，3000r/min 和3500r/min 工況是最大扭矩工況，而5000r/min 和6000r/min 是最大轉(zhuǎn)速工況，在這四種工況中，其汽缸壓力都為最大值8MPa，相對(duì)于其他工況而言是最惡劣的。最小安全系數(shù)發(fā)生在第四工況，應(yīng)該是屬于正常現(xiàn)象。但安全系數(shù)已經(jīng)小于1，要使該曲軸能通過發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久試驗(yàn)，使之成為一款無限壽命的曲軸，必須對(duì)曲軸進(jìn)行改進(jìn)。

要使曲軸的疲勞安全系數(shù)大于1，有以下幾種方案：

（1）降低汽缸壓力，使曲軸內(nèi)部應(yīng)力下降；

（2）改變曲軸材料，提高曲軸的疲勞強(qiáng)度；

（3）更改曲軸結(jié)構(gòu)，如減小重疊度，增大倒圓半徑，都可以改善曲軸的受力情況，降低在倒圓處的應(yīng)力。

由于在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能，汽缸壓力是已經(jīng)固定了，是無法改變的，因此方案1 不能采用；另外，由于更改設(shè)計(jì)涉及方方面面，工作量非常大，所有與曲軸有關(guān)的零部件都會(huì)隨之更改，由此又會(huì)導(dǎo)致其他的問題出現(xiàn)，在一般情況下，暫不予以考慮；而最簡(jiǎn)便的方法就是改變曲軸材料了。

本文曲軸原采用的是FCD600 的材料，為了提高其疲勞強(qiáng)度，擬采用FCD800。

6.3 改進(jìn)效果

改進(jìn)曲軸材料后，對(duì)曲軸再次進(jìn)行疲勞分析，得到結(jié)果如圖9 所示。由圖9 可見，改變曲軸材料，提高了其疲勞強(qiáng)度后，其安全系數(shù)明顯改善。

圖10 所示為在最惡劣工況6000r/min 下，最小安全系數(shù)所在位置，在進(jìn)行耐久試驗(yàn)時(shí)對(duì)該位置應(yīng)給予關(guān)注。

圖9 改進(jìn)后各轉(zhuǎn)速下的最小疲勞安全系數(shù)曲線

圖10 曲軸在6000r/min時(shí)的疲勞安全系數(shù)

7 結(jié) 語

本文首先用Hypermesh 對(duì)曲軸模型進(jìn)行前處理，然后在ADAMS 平臺(tái)上對(duì)曲軸的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了仿真，并結(jié)合疲勞分析軟件msc.fatigue，給出了曲軸在1000r/min到6000r/min 工況下的疲勞分析結(jié)果，這樣可以在樣機(jī)試制以前通過仿真識(shí)別出結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不足之處，有助于減少設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)的依賴，提高設(shè)計(jì)效率。

［1］ 吳兆漢，汪長(zhǎng)民，等.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1990.

［2］ 李增剛.ADAMS 入門詳解與實(shí)例［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［3］ 王國(guó)軍.MSC.Fatigue 疲勞分析實(shí)例指導(dǎo)教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］ 王長(zhǎng)武.機(jī)載設(shè)備疲勞壽命分析［C］//2004 年MSC.Software 中國(guó)用戶論文集，2004.