基于全工况载荷谱的凸轮轴疲劳寿命预测方法研究

发布时间：2017-06-01 03:00

  本文关键词：基于全工况载荷谱的凸轮轴疲劳寿命预测方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：凸轮轴是内燃机的关键零部件之一，内燃机工作过程中，凸轮表面和挺柱之间有很高的周期性接触应力和较快的相对滑动速度，凸轮轴承受较大弯曲和扭转负荷，凸轮轴的轴颈圆角处很容易出现应力集中，容易出现疲劳破坏现象。本文以凸轮轴作为研究对象，根据多质量动力学原理，应用AVL软件建立了配气机构一维动力学仿真分析模型，进行动力学分析，研究了凸轮轴在四种考核工况下的载荷特征；建立了凸轮轴、轴承座的三维实体模型，在此基础上考虑凸轮轴与轴承座的装配关系，建立了凸轮轴组合结构的非线性有限元分析模型，进行了瞬态动力学仿真分析，研究了凸轮轴在四种考核工况下应力分布状态、应力时变特性；基于应力时变特性结合四种考核工况所占时间比例，研究了应用雨流计数法建立凸轮轴全工况载荷谱的方法；考虑凸轮轴的载荷特征及材料特性，研究了使用应力－寿命疲劳曲线、线性累积法则、平均应力修正等疲劳分析理论预测凸轮轴寿命的方法。通过本文的研究得到了适用于凸轮轴的包含一维动力学仿真、三维瞬态有限元分析、疲劳载荷谱的建立、应力疲劳分析等关键技术的凸轮轴疲劳寿命预测方法。 应用AVL TYCON软件建立进气阀系、排气阀系、轴承、驱动机构等配气机构组成部件，建立配气机构一维仿真分析模型。并由配气机构的四种考核工况：标定转速工况、90%标定转速工况、80%标定工况、最大扭矩工况，得到各凸轮与从动件接触点处所受载荷及凸轮轴整体在工作过程中受到的扭矩。 使用Pro/E软件分别建立了凸轮轴以及凸轮轴轴承座的三维实体模型，在前处理软件ANSA软件中，进行了凸轮轴与轴承座的装配，建立了非线性的接触关系及约束，并进行了网格化分，，由于瞬态有限元分析计算量较大，在保证求解精度的前提下尽量减小模型求解规模，在结构较为薄弱的轴颈过度圆角处采用了较为精细的网格。应用有限元分析软件ANSYS对四种工况下的凸轮轴进行瞬态有限元分析，得到了凸轮轴在四种考核工况下应力分布状态、应力时变特性，应力分布状态表明凸轮轴应力集中部位主要在凸轮与凸轮轴颈的过渡圆角处，应力时变特性为载荷谱的编制提供了信号数据。 在研究现有各疲劳分析方法的基础上，考虑到凸轮轴在全工况下应力水平均处于弹性范围内，选取名义应力法（S－N曲线法）作为凸轮轴的疲劳寿命预测方法；对比单参数和双参数循环计数法，考虑到双参数循环计数法能够较为真实的再现变幅加载过程，采用双参数循环计数法中的四点雨流计数法编制了凸轮轴载荷谱；将有限元瞬态分析结果加载到疲劳分析软件Ncode Design life中，根据经验公式及材料的疲劳特性，建立了凸轮轴材料的S－N曲线，建立S－N曲线疲劳分析模型，并由Miner线性累积法则分析计算各工况下凸轮轴的应力集中部位的疲劳寿命，将各工况组合计算凸轮轴总体的疲劳寿命，为凸轮轴疲劳分析提供理论支撑。
【关键词】：凸轮轴 一维动力学仿真 瞬态有限元分析 载荷谱 疲劳寿命
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK403;TH114
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-20
• 1.1 论文研究背景及意义11
• 1.2 论文研究目的11-12
• 1.3 国内外研究现状12-18
• 1.3.1 国外研究现状12-14
• 1.3.2 国内研究现状14-18
• 1.4 论文研究内容18-20
• 2 凸轮轴动力学及疲劳理论20-31
• 2.1 动力学基础20-25
• 2.1.1 单质量模型20-23
• 2.1.2 多质量模型23-25
• 2.2 疲劳分析理论25-31
• 2.2.1 疲劳分类25-26
• 2.2.2 疲劳寿命设计方法26-27
• 2.2.3 循环计数法27-29
• 2.2.4 疲劳累积损伤理论29-31
• 3 凸轮轴一维动力学仿真分析31-41
• 3.1 一维仿真模型的建立31-33
• 3.2 计算参数设置33-36
• 3.2.1 确定集中质量34
• 3.2.2 刚度确定34-36
• 3.2.3 其他参数设置36
• 3.3 仿真结果及分析36-40
• 3.3.1 仿真结果36-38
• 3.3.2 结果分析38-40
• 3.4 本章小结40-41
• 4 凸轮轴瞬态应力分析41-55
• 4.1 凸轮轴三维模型的建立41-42
• 4.2 有限元模型网格化分42-45
• 4.2.1 几何清理及参数设置42-43
• 4.2.2 网格划分43-45
• 4.3 瞬态动力学分析45-53
• 4.3.1 边界条件确定45-48
• 4.3.2 瞬态动力学结果分析48-53
• 4.4 本章小结53-55
• 5 凸轮轴疲劳载荷谱建立及寿命预测55-73
• 5.1 疲劳分析方法选取55-56
• 5.2 材料疲劳特性确定56-61
• 5.2.1 S－N 曲线定义56-57
• 5.2.2 S－N 曲线获取方法57-59
• 5.2.3 S－N 曲线建立及修正59-61
• 5.3 载荷谱编制61-66
• 5.3.1 载荷信号的获取61-64
• 5.3.2 载荷信号的处理和分析64-65
• 5.3.3 载荷谱编制65-66
• 5.4 疲劳计算模型的建立66-68
• 5.5 疲劳分析相关设置68-71
• 5.5.1 多轴疲劳判定准则选取68-69
• 5.5.2 平均应力修正69-71
• 5.6 疲劳分析结果及处理71-72
• 5.7 本章小结72-73
• 6 总结与展望73-75
• 6.1 总结73-74
• 6.2 展望74-75
• 附表75-79
• 参考文献79-83
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果83-84
• 致谢84

【参考文献】

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  本文关键词：基于全工况载荷谱的凸轮轴疲劳寿命预测方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：411394