内燃机特征载荷作用下紧固面微动疲劳损伤机理研究

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1、中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540内燃机特征载荷作用下紧固面微动疲劳损伤机理研究作者姓名李欣学院名称机械与车辆学院指导教师左正兴教授答辩委员会主席张卫正教授申请学位工学博士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月内燃机特征载荷作用下紧固面微动疲劳损伤机理研究李欣2015年6月TheStudyonFrettingFatigueDamageMechanismofFasteningSurfaceunderCharacteristicLoadingofICEngineCandidateName：XinLiSchoolorDepartment:Sc

2、hoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.ZhengxingZuoChair,ThesisCommeetee：Prof.WeizhengZhangDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDenfence：June6，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，

3、学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要内燃机是由众多零件通过螺栓、过盈等紧固方式相互联接的复杂机械系统。由于材料和表面工艺的不同，零件间存在接触性质不同的接触面。在内燃机工作状态下，接触面承受预紧力和外部交变载荷的共同作用，容易在接触面附近发生微动损伤，加速零部件的失效。随着内燃机强化程度的不断提高，以微动疲劳损伤失效为主要原因的内燃机事故频发，成为造成内燃机

4、失效的主要原因之一。但是内燃机典型特征载荷作用下的微动疲劳损伤规律并没有得到系统的研究，这是由于其在接触形式和载荷特征方面存在以下特点：由于周期性爆发压力和众多运动零部件之间的复杂连接关系，发动机接触面通常承受周期性的法向与切向循环载荷，而普通微动疲劳实验只考虑了切向循环载荷的作用。本课题以工程实际中内燃机机体隔板的微动失效事故为切入点，通过理论分析、数值模拟和实验研究，揭示内燃机微动损伤机理，提出适合内燃机典型结构、材料和载荷特征的微动损伤模型，获得内燃机相关因素对微动疲劳损伤的影响规律。主要内容如下：（1）通过对微动疲劳损伤机理和大量的微动疲劳实验数据的分析研究，提出了适

5、用于微动疲劳的微动损伤相关系数（frettingrelateddamageparameter，简称FRD系数），该系数结构简洁，意义明确，反映了微动疲劳参数与微动损伤的关系；（2）提出了基于临界面法的微动疲劳损伤分析方法，应用FRD系数对普通疲劳模型进行了改进以适用于微动疲劳的情况。该方法充分利用了普通疲劳成熟的研究成果，揭示了微动疲劳和普通疲劳之间的关系。此外，该方法能够准确预测微动疲劳裂纹的萌生位置，裂纹走向和疲劳寿命；（3）针对V型内燃机机体隔板与主轴承盖螺栓连接的微动疲劳现象进行了实验研究。提出了适用于该结构的结构试件实验研究方法和流程。搭建了微动疲劳实验系统，进行了

6、微动疲劳实验。实验发现，裂纹萌生于接触面中部，初始裂纹与接触面成17~33夹角，而后转向与接触面垂直的方向。该实验结果与实际疲劳损伤情况相吻合。（4）针对内燃机结构和实验模型进行了接触有限元分析，分别考察了预紧工况和爆发（加载）工况下的紧固面上的应力场分布，发现较之预紧工况，接触应力在爆发缸同侧明显减小，有脱离接触的趋势。爆发缸异侧接触应力明显增大，有相互切入I北京理工大学博士学位论文的趋势。（5）综合分析结构试件实验和有限元分析结果揭示了内燃机典型载荷下紧固面微动疲劳损伤的机制。发现影响其微动疲劳损伤的主要因素为螺栓预紧力和由主轴承载荷偏载所产生的附加翻转力矩。研究表明适当

7、增加螺栓预紧力，采用长裙部的带横向紧固螺栓的机体设计可以缓解内燃机紧固面微动疲劳的发生。关键词：内燃机；微动疲劳；接触力学；有限元；螺栓连接；寿命预测；临界面法II北京理工大学博士学位论文AbstractTheinternal-combustionengineisacomplexmechanicalsystemwhichconsistsofthousandsofparts.Allthesepartsareassembledusingboltedjointsorinterferencefit.Asthed