含裂纹的曲轴—轴承系统动力学和断裂力学耦合研究

论文摘要

大功率、高速化的发展趋势,对内燃机的性能要求越来越高,曲轴的工作条件愈加苛刻,因此对曲轴的研究也变得十分重要。由于受到周期性的振动载荷和冲击载荷的作用,在曲轴最大应力处易产生疲劳裂纹。裂纹一经产生,曲轴的强度及承载能力将受到严重的影响,甚至出现断裂,导致内燃机失效,经典的疲劳强度理论认为曲轴出现裂纹就要报废了。事实上曲轴裂纹从启裂到失稳断裂仍有一定的剩余寿命,因而预测曲轴剩余寿命有显著的工程价值。以往有关曲轴动力学和断裂力学的研究,国内外大多数学者只是从动力学或断裂力学各自领域进行,而实际运转时,曲轴动力学行为与断裂力学行为是同时发生的。因此,进行内燃机曲轴-轴承系统动力学和断裂力学的耦合研究,具有重要的理论意义和现实的应用价值。本研究课题来源于安徽省高等学校自然科学基金项目“内燃机曲轴.轴承系统多学科行为耦合分析和应用研究（KJ2010A042）”,主要任务是在前期工作,何芝仙教授进行了“内燃机曲轴-轴承系统动力学摩擦学刚度和强度耦合研究”基础上进行曲轴-轴承系统动力学和断裂力学的耦合分析。首先,本文分析现有裂纹转子动力学和含裂纹曲轴断裂力学领域相关内容的研究及近年来的最新进展,探讨了内燃机曲轴.轴系统动力学断裂力学耦合研究的重要意义,提出了耦合研究的求解方法。其次,以N4105内燃机曲轴-轴承系统为研究对象,建立柔性曲轴-轴承系统多体动力学分析ADAMS仿真模型,进行了N4105内燃机曲轴-轴承系统在3200r/min转速额定负荷下动力学分析,为后文含裂纹曲轴-轴承系统动力学分析奠定基础。第三,根据动力学分析得到的主轴颈轴心运动参数和曲柄销载荷,通过润滑分析计算出曲轴轴承的动态油膜压力并转换为动态节点力。在ANSYS中建立了曲轴轴颈表面动应力计算有限元模型,采用参数化编程语言APDL编制专用计算程序,自动实现动态施加边界条件、求解并记录指定节点上的应力。通过比对各节点动应力,确定第2连杆轴颈左截面φ=180°危险点为裂纹启裂点。第四,研究不同深度裂纹曲轴-轴承系统动力学和断裂力学问题,根据所提出的耦合研究方法,先计算出不同深度裂纹的曲轴-轴承系统的动力学响应,然后根据同一裂纹深度下的动力学分析结果计算对应的裂纹应力强度因子；并根据Paris公式,计算裂纹扩展剩余寿命。最后,总结了本文所作的主要工作及主要创新点,对今后的进一步研究提出了作者的一些看法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 含裂纹转子动力学研究现状
• 1.2.2 含裂纹曲轴的断裂力学研究现状
• 1.2.3 曲轴-轴承系统动力学和断裂力学耦合分析研究现状
• 1.3 本课题的来源、研究方法和研究内容
• 1.3.1 本课题的来源
• 1.3.2 本课题的研究方法
• 1.3.3 本课题的研究内容
• 第2章 曲轴-轴承系统动力学分析
• 2.1 引言
• 2.2 ADAMS多柔体动力学理论基础
• 2.2.1 柔性体上点的位置向量、速度和加速度
• 2.2.2 多柔体系统的动力学方程
• 2.2.3 ADAMS中多柔性体系统动力学方程的求解方法
• 2.3 作用在曲轴上的激励载荷
• 2.3.1 气体爆发压力
• 2.3.2 曲轴-轴承系统零部件的惯性力
• 2.3.3 曲柄销上的激励载荷
• 2.4 曲轴-轴承系统动力学分析
• 2.4.1 曲轴有限元模型的建立
• 2.4.2 曲轴-轴承系统动力学仿真模型
• 2.4.3 计算结果和讨论
• 2.4.3.1 主轴承油膜反力
• 2.4.3.2 主轴承轴心轨迹
• 2.4.3.3 曲轴的扭转振动
• 2.4.3.4 曲轴的径向振动
• 2.5 本章小结
• 第3章 含裂纹曲轴应力强度因子分析计算
• 3.1 引言
• 3.2 线弹性断裂力学基本理论
• 3.2.1 断裂模式
• 3.2.2 应力强度因子
• 3.2.3 断裂韧性及K判据
• 3.2.4 复合型裂纹断裂判据
• 3.3 应力强度因子有限元计算方法简介
• 3.3.1 四分之一节点位移法
• 3.3.2 ANSYS求解应力强度因子——位移外推法
• 3.3.3 单元简介
• 3.4 无裂纹曲轴动应力分析
• 3.4.1 建立曲轴有限元模型
• 3.4.2 边界条件的处理
• 3.4.3 曲轴动应力的计算方法
• 3.4.4 计算结果和讨论
• 3.5 含裂纹曲轴应力强度因子计算
• 3.5.1 含裂纹曲轴有限元模型的建立
• 3.5.2 边界条件的处理
• 3.5.3 含裂纹曲轴应力强度因子的计算方法
• 3.5.4 计算结果和讨论
• 3.6 本章小结
• 第4章 含裂纹曲轴-轴承系统动力学断裂力学耦合分析
• 4.1 引言
• 4.2 求解思路
• 4.3 含裂纹曲轴-轴承系统动力学分析
• 4.3.1 含裂纹曲轴-轴承系统动力学模型的建立
• 4.3.2 计算结果和讨论
• 4.3.2.1 主轴承油膜总反力
• 4.3.2.2 主轴承轴心轨迹
• 4.3.2.3 曲轴的扭转振动
• 4.3.2.4 曲轴的径向振动
• 4.4 基于动力学行为的裂纹动态应力强度因子的计算
• 4.5 本章小结
• 第5章 含裂纹曲轴-轴承系统剩余寿命的分析计算
• 5.1 引言
• 5.2 疲劳裂纹扩展基本理论
• 5.2.1 疲劳裂纹扩展速率
• 5.2.2 疲劳裂纹扩展寿命预测
• 5.3 估算曲轴裂纹扩展剩余寿命
• 5.4 本章小结
• 第6章 全文总结
• 6.1 本文所做的主要工作
• 6.2 本文的主要创新点
• 6.3 对今后研究的展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文和成果目录
• 致谢