大型柴油机曲轴全周期力学分析与疲劳断裂部位预测.pdf

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1、大型柴油机曲轴全周期力学分析与疲劳断裂部位预测口吴成武口洪日口倪晨z口张劲松口马尚1．中国石油集团济柴动力总厂再制造事业部山东沧州0626502．武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070摘要：建立了某V型12缸柴油机曲轴的有限元模型，通过对其在12种工况下应力和变形的有限元分析并比较，确定了其应力、变形的大小和分布以及危险位置，为预测曲轴疲劳断裂位置及曲轴再制造中的去应力和矫形提供了有力依据。同时也说明了有限元方法用于曲轴分析的可行性。关键词：曲轴应力变形有限元分析中图分类号：TH123~．4；TH13

2、3．5文献标识码：A文章编号：1000—4998(2013)12—0051—04曲轴是发动机最重要的零件之一，曲轴的性能直接影响发动机的可靠性和使用寿命[。曲轴在工作过程中，要承受周期性变化的气体压力、活塞连杆组的往复惯性力、旋转惯性力、附件不规则阻力矩及外界反作用力等多种载荷共同作用E2]，且其结构和断面形状复杂．在弯曲、扭曲、拉压等复合载荷作用下[3]，容易引起应力集中，产生疲劳裂纹甚至断裂。因此，对曲轴进行可相对较大。图1所示即为划分网格后的曲轴有限元应力和变形的分析及危险部位的预测是很有必要的。模型，

3、由1209448个单元组成。以往．学者对曲轴的研究多集中在其疲劳强度的1．2材料属性分析校核与模态分析方面，而曲轴所在发动机的结构本文所分析的曲轴材料为35CrMoA。总长2263也多为直列机型．对受力状况更复杂的v型发动机曲inm，共6个曲拐，相邻曲拐相位角相差120。，每转轴应力和变形的研究较为少见。720。为一个工作周期。材料属性见表1。本文建立某V型12缸4冲程柴油机曲轴整体有表135CrMoA的材料属性限元模型，计算其在12种工况下的应力和变形状况，弹性模量／GPa泊松比密度／(kv~in)通过比较

4、，得到曲轴在整个工作过程中承受应力及变2060．287850形程度最大的部位．为曲轴再制造工艺中的去应力和1．3载荷与边界条件矫形提供依据。1．3．1载荷与_72况曲轴在工作过程中受到气体爆发力、活塞连杆组1曲轴有限元模型的建立的往复惯性力与旋转惯性力的共同作用，曲轴的平衡曲轴的1／4曲拐模型和单拐模型虽然计算规模块用于平衡旋转惯性力E43，在有限元分析时，取曲轴的小，时间短，但是边界条件不易确定，且忽略了相邻曲载荷为气体作用力和往复惯性力的合力。根据该发动拐间的影响和作用。综合考虑，本文采用最符合实际的机参

5、数计算及拟合所得的气体作用力和往复惯性力及整体曲轴模型，计算精度高。曲轴三维模型的建立采用其合力如图2所示。三维造型软件UG进行．之后导入Hypermesh软件中根据有限元宽度轴颈油膜压力分布规律．假定连进行网格划分，利用大型通用有限元软件ABAQus进杆轴颈上的载荷沿连杆轴颈轴线方向按二次抛物线规行前处理、分析计算和后处理。律分布，沿轴颈圆周120。范围内按余弦规律分布]，载1．1网格划分荷分布如图3所示。根据压力分布曲线方程计算可知，根据工程经验可知．主轴颈和连杆轴颈与曲柄连沿连杆轴颈轴向的载荷：接的圆角

6、处容易产生应力集中．所以在圆角部位要对(1一(1)网格进行细化，节点密度为2mm，主轴颈和连杆轴颈沿圆周方向的载荷：与曲柄的连接圆角处网格层数分别为5层和7层。连杆轴颈的油孔处也适当细化，曲轴其余部分网格尺寸％=q~cos(÷)(2)收稿日期：2013年7月式中：为连杆轴颈轴向的承载长度，～LL；0为连杆机械制造51卷第592期2013／12