基于多轴疲劳理论的曲轴结构等效疲劳研究-孙嵩松.pdf

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1、2016年(第38卷)第8期汽车工程Automotive En百neering2016157基于多轴疲劳理论的曲轴结构等效疲劳研究孙嵩松1，俞小莉1，李建锋2(1浙江大学动力机械及车辆工程研究所，杭州310027；2潍柴动力杭州分公司，杭州310012)摘要 采用有限元法，对曲轴进行弯矩载荷作用下的应力分析，并应用坐标变换法对应力集中区域内的应力状态进行分析，确定曲轴的临界平面位置和疲劳损伤的类型。在此基础上选择合适的多轴疲劳损伤模型对由同种材料、不同结构的曲轴的疲劳极限载荷进行预测。预测与试验结果对比表明：传统的名义应力法在预测同种材料、且圆角半径相同的曲轴疲劳极限载荷时具有较高的准确度，但

2、是在预测不同圆角的曲轴的疲劳极限载荷时，误差较大；而采用经典的KBM多轴疲劳损伤模型，能有效准确地预测不同圆角的曲轴的疲劳极限载荷。关键词：发动机曲轴；多轴疲劳损伤模型；临界平面；疲劳极限载荷A Study on the EquiValent Fatigue of Crankshaft StmctureBased on the Theory of Multiaxial FatigueSun Songson91，Yu XiaoHLi JiaIlfen921P伽er M”i聊ryh赴胁Enginee凡g胁疵u把，肌咖口ngi螂善iy，舶，嘲o 3 l0027；2踟，谱曲纰8r。n如，乳触Gi舰盯G

3、o，厶d，胁孵矗似 3lool2Abstract The stress analysis of a crankshaft under bending moment 10ading is conducted by using 6nite el-ement method，and the stress states in its stress concentration area are analyzed by applying coordinate tmnsfomation scheme to dete珊ine the position of critical plane and the fati

4、gue damage types of crankshaft On this basis，anappropriate multiaxial fatigue damage model is chosen to predict the fatigue limit load of crankshafts with the samematerial and difkrent structures The results of comparison between prediction and test show that the traditionalnominal stress method has

5、 higher accuracy in predicting the fatigue limit load of crankshafts with the same materialand same fillet radius，but has relatively apparent eITor in predicting the fatigue limit load of crankshafts with di色r-ent fillet radii，while the classical KBM multi-axial fatigue damage model can enbctively a

6、nd accurately pIdict thefatigue limit load of crankshafts with difkrent fiUet radiiKeywords：engine crankshaft；multi-a】|【iaI fatigIle damage model；critical plane；fatigIIe IiIIlit load日lJ吾曲轴等发动机零部件在实际工作过程中，一些关键部位如圆角、油孔等由于截面形状的突变，会产生应力集中现象，往往是导致疲劳失效的来源。针对该类问题，近年来国内外的一些学者做了大量的工作。其中Taylor提出了裂纹模拟技术，通过构造与构

7、件应力梯度一致的标准裂纹体，对同样材料属性、不同结构的构件的疲劳极限载荷进行预测，但是由于二者之间应力状态的本质差异，预测结果有时会导致较大的误差嵋。5 o；同时Taylor提出了临界距离理论，通过对一定范围内的应力状态进行分析，取得了更为准确的疲劳极限预测结果。81。国内方面，文献9中利用Isi曲t平台，定量分析了曲轴主要的结构参数对其疲劳强度的影响，并与试验结果进行了对比；针对传统裂纹模拟技术的不足，文献10中提出了利用等效缺口件预测曲轴的疲劳极限载荷，取得了更准确的预测结果；文献11和文献12中采用多体动力学计算了曲轴和原稿收到日期为2015年8月28日。万方数据汽车工程 2016年(第

8、38卷)第8期轴承座在循环工况内的复合载荷作用下的疲劳寿命，取得了更具指导意义的结论。与国外的研究相比，目前国内针对发动机零部件疲劳的研究，大部分还都是基于传统的名义应力法，即认为曲轴的疲劳寿命与应力集中处的应力幅值呈对数线性关系。该方法在一般工程应用中，能够比较方便地对零部件的安全性进行评估，但是通常将应力集中处的应力状态，默认为是单轴的拉伸应力状态。对于曲轴这样的三维实体构件，其在外载作用时，应力状态往往呈现出一定的多轴性，因此这种假设往往与实际的情况存在一定的偏差。据此，本文中首先根据曲轴应力集中处的应力状态分析，判断曲轴的损伤类型，在此基础上对同种材料、同种工艺的曲轴的疲劳极限载荷进行

9、预测。通过对比预测与试验结果证明，与传统名义应力法相比，基于多轴疲劳理论的方法能更准确地预测不同结构曲轴的疲劳极限载荷。1 曲轴损伤类型分析11基本损伤模型目前针对多轴疲劳的问题，还没有一个通用的损伤模型。研究表明。1315 o，临界平面法能够较为准确地预测多轴疲劳寿命。其主要流程分为两步：第一，基于某一准则确定临界平面；第二，基于确定的临界平面，采用相应的疲劳损伤模型进行疲劳寿命的研究。根据构件材料类型和应力集中处的应力应变状态，可将金属构件的破坏分为拉伸型和剪切型两种疲劳破坏形式。1 6I。对于拉伸型破坏，Smith认为应力集中处的裂纹扩展垂直于最大拉伸应变方向，因此临界平面就定义为最大正

10、应变幅平面1；而对于剪切型的破坏，Eatemi认为裂纹沿着最大剪切应变方向扩展8I。因此通过对曲轴应力集中处的应力应变状态进行分析，便可确定最大拉伸应变和最大剪切应变的方向。在此基础上再与实际试验中曲轴裂纹扩展的方向进行对比，即可确定破坏形式。12最大应力应变平面的确定方法对于曲轴这样的三维实力构件，其应力集中处的应力应变状态往往比较复杂，其最大应力应变平面的确定，可以采用应变张量矩阵结合坐标系变换法弘驯。该类方法的第一步，就是以空间任意一点0为原点建立坐标系Dx泫，如图1所示。图中，平面是空间中通过D点的任意平面，图1 空间通过计算点的任意平面薹i 甩制=圈 露制=嗣 6蚓博 m料暑篓耋吲乍

11、阱薹心 铲日雕蔓心 万方数据孙嵩松，等：基于多轴疲劳理论的曲轴结构等效疲劳研究 l003通过改变a，p和妒的值，分别计算出各个平面内的剪切应变、拉伸应变的最大值，就可以确定拉伸应变最大与剪切应变最大的平面。通过对比该平面与实际裂纹扩展面，即可确定疲劳破坏的形式。13 曲轴应力应变状态及其破坏形式分析根据曲轴的结构特点，选取其中某一曲拐作为应力应变的计算对象，图2为某款发动机曲轴某一曲拐的有限元模型，根据圣维南原理，曲轴的边界条件可等效为在曲轴的右主轴颈端面约束住所有的自由度，曲轴的弯矩载荷施加在左截面，载荷大小为任意载荷，弯矩载荷作用下曲拐应力分布的计算结果如图3所示图2 曲轴有限元模型 图3

12、 曲轴应力分布云图由图3可以看出，曲轴在受到弯矩载荷的作用时，最大应力值在曲柄销的圆角部位。为保证疲劳寿命的预测精度，对曲轴圆角部位应力状态计算结果的网格依赖性进行分析1i，其结果如表l所示。表1 曲轴圆角应力与网格尺寸的关系网格尺 Von Mise8 T即sca 最大主寸mm 应力MPa 应力MPa 应力MPa3O 3942 4387 46232O 4232 4729 476615 4283 4792 47791O 4303 4809 478805 4311 4813 4793由表1可以看出，当曲轴圆角处的网格尺寸由15减小至1Omm时，最大应力值相对增幅不足l，由10减小至05mm时，相对

13、增幅不足05，说明此网格尺寸下的应力值已经趋收敛于确定值。综合考虑计算精度和成本，最终网格尺寸确定为10mm。利用坐标变换法对曲轴应力集中处的应力状态进行分析，最终得出最大剪切应变所在的平面内的n，日和妒值分别为136。，90。和91。，而最大拉伸应变平面内的a，p和9值分别为0。，90。和0。在曲轴弯曲疲劳试验中，裂纹扩展的路径是由曲柄销的圆角部位指向主轴颈的圆角部位。裂纹扩展所在的平面，与曲轴轴线约成135。的夹角。对比分析计算所得的结果，可以确定曲轴的疲劳属于剪切型疲劳。2 曲轴算例21 疲劳模型与预测方法对于多轴疲劳问题，目前还没有一个真正意义上通用的寿命预测模型。早期开展的多轴疲劳研

14、究大多是针对低周疲劳进行的，其加载控制方式主要采用应变控制。而曲轴的疲劳属于典型的高周疲劳问题，与仅仅采用应变状态来描述疲劳破坏与损伤的物理机理有差别。Brown和Miller根据疲劳损伤力学相关理论，认为临界平面内的剪切应变是裂纹萌生和形成的主要因素，同时法向应变控制着裂纹的扩展与增长速率。在此基础上Kandil提出了著名的KBM模型，用于分析剪切疲劳问题旧2。该模型综合考虑了应力应变状态对多轴疲劳的影响，其表达式为芋+(+字卜ax等c2f)f(2f)。(8)式中y。和占。、分别为临界平面内的剪切应变与法向拉伸应变。本文中所研究的曲轴材料为42CrMo，该材料的屈服极限为930MPa。而在试

15、验过程中，曲轴圆角应力集中处应力值最大为680MPa，因此假设只包括弹性应变，则式(8)可简化为等+扣暑卜=等c26 式中：y和s。分别为l临界平面内的最大剪切应变和法向拉伸应变幅；盯。和盯。分别为构件的屈服应力和临界平面内的法向拉伸应力；f为构件的疲劳寿命；d，6和盯7，都是与材料属性相关的常数。令：孚+f1+生1s。，对等式两边取对 二 二o s，数，则有log(占。)=6log(2f)+A (10)其中A=log(a盯fE)在实际工程应用中，对于同种材料、同种工艺的万方数据汽车工程 2016年(第38卷)第8期曲轴，其材料属性均可作一致性处理，因此A和6可以认为是定值。因而对于相同材料、

16、相同工艺制造的曲轴，其疲劳寿命可认为仅取决于占。因此，依据某已知疲劳极限载荷值的曲轴的基础数据，则可预测其他与之有着相同材料、相同工艺曲轴的疲劳极限载荷，具体流程为：(1)对已知极限载荷的曲轴进行有限元分析，并对圆角应力集中处的应力状态进行分析，获取其极限等效应变；(2)对同种材料、同种工艺的曲轴在一定弯矩载荷下的有限元分析，计算其等效应变；(3)通过对比等效应变结果，预测曲轴的疲劳极限载荷。22 曲轴预测案例及其分析选取已有试验数据的某一型号cO曲轴为例，对其进行等效应变的计算。该曲轴的材料为42CrMo，表面氮化。通过对试验数据进行统计分析，可得到该型号的曲轴的疲劳极限载荷为4 882Nm

17、。通过有限元分析，在该弯矩载荷作用下，曲轴圆角应力集中处的Mises应力最大值为557MPa，临界平面内的应力应变分量如表2所示，载荷比为一1，代人式(11)计算，可得其在极限等效应变为0002 922 7。选取其他两款与上述曲轴具有相同的材料和工艺的曲轴C1和c2，对其施加l 000Nm的弯矩，其应力集中处的最大应力分别为133和2105MPa，应力应变状态的分析结果如表2所示。表2曲轴应力应变状态曲轴编号 Co Cl C2最大剪切应变 O003 854 O000 925 O001 475法向应变幅 0Ooo 752 O000 360 0000 573法向应力MPa 30100 7350 1

18、1856设C1和C2曲轴的疲劳极限载荷分别为x，和x：，基于KBM模型求解其疲劳极限载荷，则有X1 1 1X11000735 X1而wmx-了+了I 1+1rJ而s。l=00029227X2 1 11 X2100011856 X2而砷ma了+了I 1。面一J而s|12=00029227解方程得：xl=4284Nm；x2=3323Nm。采用基于传统的名义应力法求解上述这两款曲轴的疲劳极限载荷，则有：x：墅1000：4180Nm1 133x，：里1000：2641Nm 21053疲劳试验验证采用机械谐振式曲轴弯曲疲劳试验装置，对曲轴进行弯曲疲劳试验。试验过程中载荷的控制和失效判定可参照文献23和文

19、献24。表3和表4为这两种曲轴的疲劳试验数据。表3 C1曲轴疲劳试验数据试验弯矩(Nm) 失效序号 平均序号 中位秩3 42330 l 1 O094 63 71600 2 2 0229 74 22815 3 3 O364 94 33737 4 4 O500 04 53554 5 5 O635 14 76938 6 6 0770 35 04994 7 7 O915 4表4 C2曲轴疲劳试验数据试验弯矩(Nm) 失效序号 平均序号 中位秩2 985330 l l 0048 62 9921lO 2 2 0118 03 034224 3 3 0187 53 213900 4 4 0256 93 216

20、296 5 5 0326 43 220372 6 6 0395 83 452954 7 7 0465 33 551547 8 8 0534 73 621320 试验通过3 688618 9 92 0618 13 692972 lO 104 0701 43 716358 ll 116 O784 73 741209 12 128 O868 13 768202 13 14 O951 4文献25中研究了构件疲劳极限载荷的分布规律，提出可以利用正态分布函数统计曲轴的疲劳极限载荷。采用该方法，对c1和c2曲轴的疲劳极限载荷进行分析，可得这两款曲轴的疲劳极限载荷分别为4 290和3 426Nm。万方数据20

21、16(V0138)No8 孙嵩松，等：基于多轴疲劳理论的曲轴结构等效疲劳研究 1005通过对比试验数据与预测结果可以发现，基于KBM多轴疲劳模型预测C1和C2曲轴的疲劳极限载荷，都具有很高的精度，完全满足工程应用的要求；而基于名义应力法预测c1曲轴的疲劳极限载荷时比较准确，但是在预测c2曲轴时的误差较大。根据文献9的分析，在曲轴的主要结构参数中，主轴颈的圆角半径对曲轴的疲劳强度的影响最大。本文中c1曲轴的圆角半径与C0曲轴相等，同为5mm，而C2曲轴的半径为3mm，结构的差异导致预测误差较大。因此对于结构不同的喵轴疲劳极限载荷的预测，采用临界平面法更为精确。4结论(1)曲轴的弯曲疲劳属于多轴疲

22、劳问题，通过对曲轴在弯矩载荷作用下，应力集中处的应力状态进行分析研究，确定曲轴弯曲疲劳的临界平面和疲劳损伤类型。(2)分别采用KBM多轴疲劳模型和名义应力法对同种材料、不同结构的曲轴疲劳极限载荷进行预测，通过对比试验数据发现，传统的名义应力法在预测不同圆角半径的曲轴的疲劳极限载荷时误差较大，而基于KBM的多轴疲劳模型能够准确地预测不同圆角半径的曲轴疲劳极限载荷，具有更为广泛的工程适用性。234567参考文献周迅曲轴疲劳行为及可靠性的理论与试验研究D杭州：浙江大学，2006TAYLOR D，CARR A JThe cmckmodeUing technique：optimization of th

23、e pammetersJ FatigueFracture of En百neeringMaterialsstmctues，1999，22(1)：4l一50wANG G，TAYLOR D，B0uQUIN B，et a1Prediction of fatiguefailure in a caIIIsh血using the cmck modelling methodJEn百一neering Failure Analysis，2000，7(8)：189197TAYLOR D，CIEPALOWICZ A J，ROGERS P，et a1Predictionof fatigIle failure in a

24、crarIksh砬using the technique of crack modeuingJFatigueFracture of En舀neering Materialsstmc-tures，1997，20(1)：1321CHEN Xiaoping，YU XiaoIi，HU Rufu，et a1Prediction of c砌ksh血fatigue limit load by crackmodeling techniqueJJoumal ofAdvanced Manufacturing Systems，20l 1，lO(1)：127一134TAYLOR DApplications of tl

25、le theory of critical distances in failure analysisJEn西neeng Failure Analysis 20l l，18：543549CLEGG R E，DUAN K，MCLEAD A JThe theory of critical distances and fatigue from notched in aluminium 606lJFatigueFraeture of En孚neering Mateals&Struetues，2012，35(1)：13218 cIcER0 s，MADRAz0 V，cARRAscAL IAssessmen

26、t of notched stmctural comPonents usi“g assessment diagrams and the theory of ctical小stancesJ En矛neeri“g Fracture Mechanics，20ll，78(16)：280928259 c州)(ia叩ing，Yuaoli，JI Bi“gweistudy of cranksh出stren舢based on IsigIlt pla曲rI and DOE methodsJ20lO IntemationalConference on Measuring Technology and Mechatm

27、nics Automation，20lO，3：54855110 陈晓平，俞小莉，胡如夫，等采用缺口件等效与渐进插值法预测构件疲劳极限J浙江大学学报(工学版)，2012，46(3)11郑康，郝志勇，张焕宇柴油机机体强度分析与主轴承座疲劳寿命预测J汽车工程，2013，35(4)12陈渊博，郝志勇，张焕字基于弯曲疲劳试验的柴油机曲轴疲劳寿命分析及改进J内燃机工程，2011，32(1)13 FACHERIS G，JANSSENS K G F，FOLE7兀I SMultiaxial fatigIle behavior of AISI 316L subiected to straincontroIIed

28、andratcheting pathsJ Intemational Joumal of Fatigue，2014，68：19520814 wALAT K，KuREK M，0GON0wsKI P，et a1The multiaxial瑚dom fatigue criteria based on strain and ene。gy damage parameters on the critical plane for the IowcycIe ra“geJIntemationalJoumal of FatigIle，2011，37(4)：10011115 MAcHA E，NIEsLONY Acri

29、Iical plane fatigue 1ife models ofmaterials and structures under multiaxial stationary random loading：The stateof_the-art in 0pole Research Centre CESTI and di-rections of future activitiesJ IntemationaI Joumal of Fatjgue，2叭2，39(3)：9510216张莉，程靳，李新刚基于临界平面法的缺口件疲劳寿命预测方法J宇航学报，2007，28(4)17 SMITH R N，WATS

30、ON P，TOPPER T HA stressstlainhnction for the fatiglle of metaIsjJoumal of Materials，1970，5(4)：76777818 FATEMI A，socIE D FA ctical plane approach to multiaxialfjtigue daIIlage including outofPhase loadi“gJFatigue andFracture of Engineering Mateials and stmctures，1988，1 1：149一16519 张鹏伟发动机机体疲劳可靠性模拟试验基础

31、问题研究D杭州：浙江大学，201220 孙楠楠，李国祥，白书战基于应变一寿命理论的曲轴疲劳分析研究J内燃机工程，2014，35(6)21李文，廖丑东，左正兴高强化柴油机曲轴过渡圆角应力计算的研究J汽车工程，2013，35(6)22 BR0wN M w，MILLER K JA theory for fatigue failure undermultia)【“stress strain conditionsJPmceedings 0f the Institution of Mechanical Engineers，1973，187：74575523周迅，俞小莉曲轴疲劳裂纹扩展模式的时序方法预测J农业机械学报，2007，38(9)：16316724 周迅，俞小莉谐振式曲轴弯曲疲劳试验恒载荷控制方法J农业机械学报，2006，37(12)：168一171，18125 周迅，俞小莉曲轴疲劳试验及其数据统计分析方法的研究J内燃机工程，2007，28(2)：5l一55万方数据