CN110059449A - 基于改进应力场强法的曲轴疲劳极限载荷预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于改进应力场强法的曲轴疲劳极限载荷预测方法，包括步骤：取同种材料、不同结构的两款曲轴，其中第一款曲轴的疲劳极限载荷已知，第二款曲轴的疲劳极限载荷未知；对第一款曲轴在其疲劳极限载荷作用下的应力状态进行分析，获取第一款曲轴在极限载荷作用下的应力分布并计算第一款曲轴的权函数，从而确定第一款曲轴的场径值；对第二款曲轴施加1000 N·m的弯矩载荷，并利用相对应力梯度修正得到第二款曲轴的场径值以及在该弯矩载荷作用下的场强值；从而预测第二款曲轴的疲劳极限载荷。本方法能够更为准确地预测同种材料、不同结构的曲轴的疲劳极限载荷，可大幅降低曲轴圆角半径对预测结果的影响。

Description

基于改进应力场强法的曲轴疲劳极限载荷预测方法
技术领域
本发明涉及曲轴疲劳极限载荷的预测技术领域，特别是涉及一种基于改进应力场强法的曲轴疲劳极限载荷预测方法。
背景技术
曲轴等发动机零部件在工作过程中，会受到各种非比例载荷的冲击，一些截面突变部位如油孔、圆角等位置会出现应力集中现象，往往是导致其疲劳失效的根源。针对这一现象，国内外一些学者近年来进行了大量的工作。目前在实际工程中，对于该类零部件疲劳特性的获取主要依靠两种方法：试验法和数值仿真法。前者通常能够准确地获取零部件的疲劳特性，但是往往需要较高的成本，且无法在零部件的设计阶段完成；后者基于数值仿真技术对零部件的疲劳特性进行预测，能够较快地确定零部件的疲劳特性，但是相关分析结果往往依赖于商用软件，其准确性无法保障。
基于上述不足，一些研究者也提出了相应的方法，对结构复杂的零部件的疲劳特性进行准确预测研究。其中，有学者提出了裂纹模拟技术，通过构造与构件应力梯度一致的标准裂纹体，对三维实体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。
前期研究中，作者利用应力场强法对材料属性一致、结构不同的曲轴的疲劳极限载荷进行预测，研究结果表明该方法在预测圆角半径相同的曲轴的疲劳极限载荷时具有较高的精度，但是在预测圆角半径不同的曲轴时精度较差，误差一般都在10％以上。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种基于改进的应力场强法的曲轴疲劳极限载荷预测方法，能够更为准确地预测同种材料、不同结构的曲轴的疲劳极限载荷，而且可大幅降低曲轴的圆角半径对疲劳极限载荷预测结果的精确度影响。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于改进应力场强法的曲轴疲劳极限载荷预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选取同种材料、不同结构的两款曲轴，获取曲轴自身材料的疲劳强度为σb；其中，两款曲轴分别为第一款曲轴和第二款曲轴，第一款曲轴的疲劳极限载荷已知，第二款曲轴的疲劳极限载荷未知；
2)对第一款曲轴在其疲劳极限载荷作用下的应力状态进行分析，获取第一款曲轴在极限载荷作用下的应力分布，并计算第一款曲轴的权函数
其中，r为第一款曲轴破坏区域内任一点与最大应力点之间的距离，σ1(r)为第一款曲轴在疲劳极限载荷作用下与最大应力点相距r的点的应力值，σmax1为第一款曲轴破坏区域内的最大应力值；
3)计算第一款曲轴在不同破坏范围下的应力场强值σFI1，
其中，L为第一款曲轴破坏区域的范围；
4)确定第一款曲轴的场径值R1，σFI1(r＝R1)＝σb；
通过获取当第一款曲轴在疲劳极限载荷作用下的场强值等于曲轴自身材料的疲劳强度时所对应的距离值，得到第一款曲轴的场径值；
5)确定第一款曲轴的最大相对应力梯度值C1，
其中，SG1为第一款曲轴最大应力点的应力梯度值；
6)对第二款曲轴施加1000N·m的弯矩载荷，对第二款曲轴在1000N·m的弯矩载荷作用下的应力状态进行分析，获取第二款曲轴在1000N·m的弯矩载荷作用下的应力分布，并计算第二款曲轴的权函数和第二款曲轴的最大相对应力梯度值C2，
其中，r′为第二款曲轴破坏区域内任一点与最大应力点之间的距离，σ2(r′)为第二款曲轴在1000N·m的弯矩载荷作用下与最大应力点相距r′的点的应力值，σmax2为第二款曲轴破坏区域内的最大应力值；SG2为第二款曲轴最大应力点的应力梯度值；
7)采用相对应力梯度修正获得第二款曲轴的场径值R2，并计算第二款曲轴在1000N·m的弯矩载荷作用下的场强值σFI2；
8)预测第二款曲轴的疲劳极限载荷Me，
本发明进一步设置为：所述两款曲轴均采用单拐有限元模型曲轴。
本发明进一步设置为：所述步骤2)中对第一款曲轴在其疲劳极限载荷作用下的应力状态进行分析和步骤6)中对第二款曲轴在1000N·m的弯矩载荷作用下的应力状态进行分析，均是基于边界条件，利用有限元法直接获取有限元模型网格各节点的应力值；其中，边界条件为在第一款曲轴右主轴颈端面约束住所有的自由度，同时第一款曲轴所承受的弯矩载荷施加在单拐模型的左截面。
本发明进一步设置为：还包括利用外推插值法获取有限元模型网格节点外的任意距离处的应力值，其中，自变量为距离值，从变量为应力值。
本发明进一步设置为：利用外推法计算得到第一款曲轴最大应力点的应力梯度值SG1和第二款曲轴最大应力点的应力梯度值SG2。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
利用相对应力梯度对应力场强法的场径进行修正，并对材料相同、结构不同的曲轴的疲劳极限进行预测，本发明提供的基于改进应力场强法的曲轴疲劳极限载荷预测方法，能够更为准确地预测同种材料、不同结构的曲轴的疲劳极限载荷，而且可大幅降低曲轴的圆角半径对疲劳极限载荷预测结果的精确度影响，具有更广泛的工程实用价值。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明实施例所采用的曲轴模型；
图2为本发明实施例No.0曲轴的应力状态分析的等效图；
图3为本发明实施例No.0曲轴的权函数；
图4为本发明实施例No.0曲轴在不同场径下的场强值；
图5为本发明实施例No.0曲轴的应力梯度分布图；
图6为本发明实施例No.1曲轴的权函数；
图7为本发明实施例No.1曲轴的应力梯度分布图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
本发明提供了一种基于改进应力场强法的曲轴疲劳极限载荷预测方法，包括以下步骤：
1)选取同种材料、不同结构的两款曲轴，获取曲轴自身材料的疲劳强度为σb；其中，两款曲轴分别为第一款曲轴和第二款曲轴，第一款曲轴的疲劳极限载荷已知，第二款曲轴的疲劳极限载荷未知。
如图1所示，选取的两款曲轴均采用单拐有限元模型曲轴，将第一款曲轴记为No.0曲轴，第二款曲轴记为No.1曲轴，曲轴自身材料的疲劳强度值为502MPa，即σb＝502MPa。
2)对第一款曲轴在其疲劳极限载荷作用下的应力状态进行分析，获取第一款曲轴在极限载荷作用下的应力分布，并计算第一款曲轴的权函数
其中，r为第一款曲轴破坏区域内任一点与最大应力点之间的距离，σ1(r)为第一款曲轴在疲劳极限载荷作用下与最大应力点相距r的点的应力值，σmax1为第一款曲轴破坏区域内的最大应力值。
根据圣维南原理，在对第一款曲轴在弯矩载荷作用下的应力状态进行分析时，边界条件可以等效为在第一款曲轴右主轴颈端面约束住所有的自由度，同时第一款曲轴所承受的弯矩载荷施加在单拐模型的左截面，其大小为第一款曲轴的疲劳极限载荷值5130N·m，相应该载荷作用下的Von mises应力的最大值为577MPa，即σmax1＝577MPa，如图2所示。
依照图2中黑线加粗直线所示路径，记录最大应力点至第一款曲轴内部一段距离的应力值，结果如表1所示：
表1
如表1所示的第一曲轴应力分布，当利用有限元法获取曲轴的应力分布时，有限元模型网格各节点的应力值可以直接获取。而对于有限元模型网格节点外的任意距离处的应力值，可以利用插值法进行获取，其中，自变量为距离值，从变量是应力值。
计算第一款曲轴的权函数，结果如图3所示。
3)计算第一款曲轴在不同破坏范围下的应力场强值σFI1，
其中，L为第一款曲轴破坏区域的范围，即No.0曲轴的破坏区域。
4)确定第一款曲轴的场径值R1，σFI1(r＝R1)＝σb；
通过获取当第一款曲轴在疲劳极限载荷作用下的场强值等于曲轴自身材料的疲劳强度时所对应的距离值，得到第一款曲轴的场径值。
结合No.0曲轴的权函数与No.0曲轴在极限载荷作用下的应力分布，采用MATLAB软件编程计算，就可以得到No.0曲轴在不同破坏范围内的场强值，结果如图4所示。
对比图4中No.0曲轴在不同破坏范围内的场强值与曲轴自身材料的疲劳强度σb，可得：σFI1(L＝0.37)＝502MPa＝σb。
根据应力场强法的相关定义，可得No.0曲轴的场径值R1为0.37mm。
5)确定第一款曲轴的最大相对应力梯度值C1，
其中，SG1为第一款曲轴最大应力点的应力梯度值。
采用外推插值法对No.0曲轴在疲劳极限载荷作用下的应力梯度分布进行拟合，结果如图5所示，可得最大应力梯度值SG1为421MPa/mm，相应的相对应力梯度值为：
6)对第二款曲轴施加1000N·m的弯矩载荷，对第二款曲轴在1000N·m的弯矩载荷作用下的应力状态进行分析，获取第二款曲轴在1000N·m的弯矩载荷作用下的应力分布，并计算第二款曲轴的权函数和第二款曲轴的最大相对应力梯度值C2，
其中，r′为第二款曲轴破坏区域内任一点与最大应力点之间的距离，σ2(r′)为第二款曲轴在1000N·m的弯矩载荷作用下与最大应力点相距r′的点的应力值，σmax2为第二款曲轴破坏区域内的最大应力值；SG2为第二款曲轴最大应力点的应力梯度值。
分析计算方法同第一款曲轴的分析计算方法，得到No.1曲轴应力分布、No.1曲轴的权函数、No.1曲轴的应力梯度分布图分别如表2与图6、图7所示：
表2
如图7所示，可得No.1曲轴在1000N·m的弯矩载荷作用下的最大应力梯度值SG2为229.9MPa/mm，相应的相对应力梯度值为：
7)采用相对应力梯度修正获得第二款曲轴的场径值R2，并计算第二款曲轴在1000N·m的弯矩载荷作用下的场强值σFI2；
8)预测第二款曲轴的疲劳极限载荷Me，
通过预测公式计算，得到第二款曲轴的疲劳极限载荷Me为3236N·m。
为了验证本发明方法预测曲轴疲劳极限载荷的准确性，采用谐振式曲轴疲劳试验系统，对第二款曲轴进行弯曲疲劳试验，相应的试验结果No.1曲轴疲劳试验数据如表3所示。
表3
对No.1曲轴的疲劳极限载荷进行分析，可得这款曲轴的疲劳极限载荷为3323N·m。通过对比试验数据3323N·m与预测结果3236N·m可以发现，基于本发明方法预测第二款曲轴的疲劳极限时的误差仅为2.6％。
本发明的创新点在于，能够更为准确地预测同种材料、不同结构的曲轴的疲劳极限载荷，而且可大幅降低曲轴的圆角半径对疲劳极限载荷预测结果的精确度影响。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于改进应力场强法的曲轴疲劳极限载荷预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选取同种材料、不同结构的两款曲轴，获取曲轴自身材料的疲劳强度为σb；其中，两款曲轴分别为第一款曲轴和第二款曲轴，第一款曲轴的疲劳极限载荷已知，第二款曲轴的疲劳极限载荷未知；
2)对第一款曲轴在其疲劳极限载荷作用下的应力状态进行分析，获取第一款曲轴在极限载荷作用下的应力分布，并计算第一款曲轴的权函数
其中，r为第一款曲轴破坏区域内任一点与最大应力点之间的距离，σ1(r)为第一款曲轴在疲劳极限载荷作用下与最大应力点相距r的点的应力值，σmax1为第一款曲轴破坏区域内的最大应力值；
3)计算第一款曲轴在不同破坏范围下的应力场强值σFI1，
其中，L为第一款曲轴破坏区域的范围；
4)确定第一款曲轴的场径值R1，σFI1(r＝R1)＝σb；
通过获取当第一款曲轴在疲劳极限载荷作用下的场强值等于曲轴自身材料的疲劳强度时所对应的距离值，得到第一款曲轴的场径值；
5)确定第一款曲轴的最大相对应力梯度值C1，
其中，SG1为第一款曲轴最大应力点的应力梯度值；
6)对第二款曲轴施加1000N·m的弯矩载荷，对第二款曲轴在1000N·m的弯矩载荷作用下的应力状态进行分析，获取第二款曲轴在1000N·m的弯矩载荷作用下的应力分布，并计算第二款曲轴的权函数和第二款曲轴的最大相对应力梯度值C2，
其中，r′为第二款曲轴破坏区域内任一点与最大应力点之间的距离，σ2(r′)为第二款曲轴在1000N·m的弯矩载荷作用下与最大应力点相距r′的点的应力值，σmax2为第二款曲轴破坏区域内的最大应力值；SG2为第二款曲轴最大应力点的应力梯度值；
7)采用相对应力梯度修正获得第二款曲轴的场径值R2，并计算第二款曲轴在1000N·m的弯矩载荷作用下的场强值σFI2；
8)预测第二款曲轴的疲劳极限载荷Me，
2.根据权利要求1所述的基于改进应力场强法的曲轴疲劳极限载荷预测方法，其特征在于：所述两款曲轴均采用单拐有限元模型曲轴。
3.根据权利要求2所述的基于改进应力场强法的曲轴疲劳极限载荷预测方法，其特征在于：所述步骤2)中对第一款曲轴在其疲劳极限载荷作用下的应力状态进行分析和步骤6)中对第二款曲轴在1000N·m的弯矩载荷作用下的应力状态进行分析，均是基于边界条件，利用有限元法直接获取有限元模型网格各节点的应力值；其中，边界条件为在第一款曲轴右主轴颈端面约束住所有的自由度，同时第一款曲轴所承受的弯矩载荷施加在单拐模型的左截面。
4.根据权利要求3所述的基于改进应力场强法的曲轴疲劳极限载荷预测方法，其特征在于：还包括利用外推插值法获取有限元模型网格节点外的任意距离处的应力值，其中，自变量为距离值，从变量为应力值。
5.根据权利要求2所述的基于改进应力场强法的曲轴疲劳极限载荷预测方法，其特征在于：利用外推法计算得到第一款曲轴最大应力点的应力梯度值SG1和第二款曲轴最大应力点的应力梯度值SG2。
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