1、第!“卷 第#期#$%年#月浙!江!大!学!学!报 !工 学 版 “20*;0“=#?0=#$%收 稿 日 期 #$A “$ “%=浙 江 大 学 学 报 !工 学 版 “网 址 #CCC=1()*+,6=D1(=0E(=;*!0*3基 金 项 目 #国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 “A$“%A$%O#=作 者 简 介 #彭 禹 “B%GH#$男 $湖 北 武 汉 人 $工 程 师 $博 士 生 $主 要 从 事 现 代 设 计 理 论 与 方 法 %车 辆 振 动 与 噪 声 等 方 面 的 研 究=9IJ+2,J通 讯 联 系 人 *基 于 有 限 元 和 多 体 动 力
2、学 联 合 仿 真 的 疲 劳 寿 命 预 测彭!禹 !郝 志 勇“浙 江 大 学 机 械 与 能 源 工 程 学 院 $浙 江 杭 州F“$#%#摘!要 #针 对 运 动 机 构 部 件 多 轴 疲 劳 载 荷 历 程 提 取 困 难 等 问 题 $提 出 了 基 于 联 合 仿 真 的 疲 劳 寿 命 预 测 方 法=结 合 有限 元 方 法 和 多 体 动 力 学 仿 真 分 析 获 得 部 件 的 工 作 载 荷 历 程 $然 后 通 过 有 限 元 方 法 和 疲 劳 分 析 联 合 求 解 $预 测 部 件的 疲 劳 寿 命=在 动 力 学 仿 真 部 分 $采 用 模 态 综 合
3、 法 获 取 部 件 的 应 力 及 载 荷 历 程 信 息=寿 命 预 测 采 用 多 轴 裂 纹 萌 生 疲劳 分 析 $其 中 部 件 的 多 轴 特 性 通 过 二 轴 分 析 获 得=以 发 动 机 曲 轴 部 件 为 例 $叙 述 了 设 计 流 程 的 应 用 过 程=应 用 结 果表 明 $该 方 法 可 以 对 疲 劳 事 故 的 原 因 进 行 诊 断 $并 且 可 以 作 为 采 用 工 艺 强 化 措 施 的 依 据=关 键 词 #疲 劳 强 度 多 轴 疲 劳 载 荷 历 程 曲 轴 仿 真中 图 分 类 号 #L#“Le!$#!文 献 标 识 码 #P!文 章 编
4、号 #“$O B%FQ“#$%#$# $F#A $!T)#$.4I62J(,+72*+60E-+723(0,2-0U)0E2;72*C+6U(7-)C+)E7)06,507/0U),0J6-U+)76U0)+72*3J0;/+*26J+*+,8626$6(;/+6,+EI72J0I/267)80V7)+;72*3=L/0,+EI72J0I/267)8-U+)76C+67+2*0E82*703)+72*3-2*2700,0J0*7J07/E“?9Y#+*EJ(,72E8E8*+J2;662J(,+72*$7/0*276-+I723(0,2-0C+6U)0E2;70E8;J2*2*3?9Y+*E-
5、+723(0;+,;(,+72*=+60E*JE068*7/062670;/*2W(0$7/0E8*+J2;67)066+*E,+EI72J0I/267)8-U+)76C0)07+2*0E7/)(3/E8*+J2;662J(,+72*=2+V2+,+*+,8626C+6(60E73077/0J(,72+V2+,2*-)J+72*$+*E-+723(0;+,;(,+72*-J(,72+V2+,;)+;2*272+72*C+6;*IE(;70E=P*0V+JU,0-0*32*0;)+*6/+-7C+6(60E72,(67)+70+UU,2;+72*-7/0*0CJ07/E=L/26J07/IE*7
6、*,8;+*2E0*72-8+*E,;+707/0;+(60-+723(0E+J+30$(7+,6;+*0)03+)E0E+67/0)0-0)0*;0-+EU72*367)0*37/0*2*370;/*2W(06=6)+*6/+-762J(,+72*!统 计 表 明 $A$gB$g的 机 械 零 件 损 坏 为 疲 劳破 坏(“)$随 着 机 械 产 品 的 负 荷 和 运 转 速 度 逐 渐 提 高 $疲 劳 破 坏 更 是 层 出 不 穷=关 于 疲 劳 分 析 方 法 的 研 究理 论 已 从 单 轴 疲 劳 发 展 到 多 轴 疲 劳=#$世 纪%$年代 末 $人 们 开 始 了 对
7、多 轴 高 周 疲 劳 的 研 究=进 行 疲 劳寿 命 分 析 需 要#类 输 入 参 数 $即 材 料 特 性 和 载 荷 时间 行 为=获 取 外 部 载 荷 “力 %力 矩 等 #受 到 试 验 条 件 %测 量 难 度 的 限 制 $而 且 真 实 工 作 条 件 与 试 验 条 件 总存 在 差 异 $使 得 工 作 载 荷 的 确 定 成 为 多 轴 疲 劳 分 析过 程 的 瓶 颈=本 文 以 有 限 元 方 法 %动 力 学 仿 真 分 析 以 及 疲 劳分 析 为 基 础 $提 出 了 一 种 基 于 联 合 仿 真 的 多 轴 疲 劳寿 命 预 测 方 法=疲 劳 分 析
8、 以 有 限 元 分 析 确 定 的 零 件内 部 模 态 载 荷 为 基 础 $利 用 动 力 学 仿 真 确 定 模 态 的时 间 历 程 !从 而 完 成 疲 劳 分 析 中 载 荷 的 输 入=“!分 析 流 程联 合 仿 真 疲 劳 寿 命 预 测 方 法 的 基 本 思 想 是 !结 合有 限 元 方 法 以 及 多 体 动 力 学 刚I柔 耦 合 分 析 !得 到 部件 工 作 载 荷 历 程=然 后 通 过 有 限 元 方 法 和 疲 劳 分 析 联合 求 解 !预 测 部 件 的 多 轴 疲 劳 寿 命=该 方 法 的 分 析 流程 如 图“所 示=整 个 分 析 过 程 可
9、 以 划 分 为F个 部 分=图9!联 合 仿 真 多 轴 疲 劳 寿 命 预 测 方 法 流 程 图?23=“!?,C;/+)7-;I62J(,+72*+60EJ(,72I+V2+,-+I723(0,2-0U)0E2;72*“有 限 元 计 算 部 分建 立 部 件 的 有 限 元 模 型=对 部 件 的 几 何 模 型 进行 网 格 划 分 !生 成 含 有 模 态 载 荷 的 计 算 结 果 和 用 于仿 真 分 析 的 柔 性 体 文 件=由 于 动 力 学 仿 真 分 析 和 疲劳 分 析 都 是 以 该 步 骤 的 计 算 结 果 为 基 础 !为 了 验 证有 限 元 计 算 的
10、 正 确 性 !该 部 分 还 应 该 包 括 对 计 算 结果 的 验 证 步 骤=#“动 力 学 仿 真 部 分建 立 机 构 的 多 体 动 力 学 模 型 !在 此 基 础 上 建 立运 动 机 构 的 虚 拟 样 机=在 虚 拟 样 机 的 构 建 过 程 中 !需要 充 分 考 虑 研 究 对 象 由 于 自 身 的 弹 性 所 产 生 的 各 类效 应=对 于 研 究 对 象 !需 要 用 到 有 限 元 计 算 部 分 生 成的 柔 性 体 文 件 来 建 立 刚I柔 耦 合 系 统=动 力 学 仿 真 分析 的 结 果 同 样 是 多 轴 疲 劳 分 析 部 分 的 基 础
11、!因 此 对仿 真 结 果 进 行 试 验 验 证 也 是 不 可 或 缺 的 关 键 步 骤=F“疲 劳 分 析 部 分综 合 前 面#个 部 分 的 分 析 结 果 !进 行 疲 劳 寿 命分 析=有 限 元 计 算 部 分 的 模 态 分 析 结 果 包 含 部 件 各个 阶 次 的 固 有 特 性 以 及 对 应 的 模 态 应 力 !可 以 作 为多 轴 疲 劳 分 析 的 载 荷=动 力 学 仿 真 的 结 果 包 含 疲 劳载 荷 的 每 一 通 道 的 幅 值 比 例 时 间 历 程=根 据 上 述 计 算 结 果 !对 原 设 计 方 案 的 抗 疲 劳 性能 进 行 判 定
12、 !并 加 以 改 进=下 面 以 发 动 机 曲 轴 部 件 为例 !叙 述 了 新 设 计 流 程 的 应 用 过 程=#!有 限 元 计 算建 立 有 限 元 模 型 !对 研 究 对 象 进 行 网 格 划 分=计算 结 果 包 括 部 件 的 各 阶 模 态 应 力 载 荷 !以 及 动 力 学仿 真 部 分 所 需 要 的 柔 性 体 文 件=:=9!部 件 模 态 综 合 法在 获 取 部 件 应 力 信 息 的 诸 多 方 法 中 !部 件 模 态综 合 法 #R)+23I+JU7*方 法 “#是 一 种 公 认 的 高 效而 精 确 的 方 法=在 本 文 的 动 力 学 仿
13、 真 部 分 !采 用 模 态综 合 法 获 取 部 件 的 应 力 及 载 荷 历 程 信 息=针 对 线 性系 统 的 应 力 计 算 !由 于 模 态 综 合 法 在 很 大 程 度 上 削减 了 系 统 自 由 度 的 数 量 !与 有 限 元 方 法 相 比 !模 态 综合 法 的 效 率 是 十 分 可 观 的=部 件 的 线 性 变 形 可 以 表 示 为 各 阶 模 态 变 形 矢 量#或 模 态 振 型 “的 线 性 迭 加 !即);1G-;“/+*2;+,c8*+J2;6!Z*;=Y:R=PcPY:?,0VL/0)072;+,+;I3)(*E!#$#=G#F浙!江!大!学!
14、学!报 !工 学 版 “! !第!“卷!图:!部 分 有 限 元 计 算 结 果?23=#!M+)7-;+,;(,+72*)06(,76-?9Y!有 限 元 计 算 采 用Y:R=+67)+*求 解 自 由 正 交 模态=图#为 某 阶 模 态 的 振 型 !左 图 “和 模 态 应 力 !右图 “#灰 度 表 示 部 件 不 同 区 域 的 模 态 应 力 分 布 情 况=随 后 计 算 的 载 荷 及 其 时 间 历 程 的 精 度 均 依 赖 于模 态 分 析 结 论 的 准 确 性 #因 此 应 以 试 验 结 论 为 依 据 #判 定 模 态 计 算 结 果 的 可 靠 性=表“为
15、自 由 模 态 试 验 值 和 计 算 值 的 对 比=可 以看 出 #虽 然 曲 轴 的 有 限 元 模 态 分 析 结 果 与 振 动 模 态试 验 结 果 有 出 入 #但 对 应 振 型 的 固 有 频 率 的 最 大 误差 不 超 过Gg#可 以 认 为 计 算 结 果 能 够 满 足 后 续 分析 的 需 要=在 模 态 计 算 的 输 出 结 果 中 还 应 包 含 动 力 学 仿 真所 需 的 柔 性 部 件 接 口 中 性 文 件 #该 文 件 包 含 预 先 计算 出 的 各 阶 模 态 振 型 及 其 模 态 应 力 信 息 !见 图#“=表9!自 由 模 态 试 验 值
16、 和 计 算 值 的 对 比L+=“!RJU+)26*07C00*7067E+7+*E;+,;(,+72*E+7+-)00JE0/($SD试 验 值 计 算 值/($SD试 验 值 计 算 值$“ “$%=! “$“#=$% % %$# “A“#=$ “AF“=$ !G “=#Oa“$A“=#Oa“$A$F “BBB=G #$#%=$ !% “=FGa“$A“=F%a“$A% % %!O “=FGa“$A“=F%a“$AF!动 力 学 仿 真=9!运 动 机 构 的 动 力 学 模 型!IS“研 究 对 象 为 发 动 机 曲 柄 连 杆 机 构 #部 件 材 料 为fL%$I#=根 据 机
17、构 中 部 件 间 的 作 用 关 系 将 部 分 运动 副 简 化 为 理 想 约 束 #包 括 662J(,+72*!疲 劳 分 析?=9!疲 劳 分 析 计 算疲 劳 分 析 部 分 需 要 提 取 动 力 学 仿 真 的 载 荷 历程 #按 照 实 际 需 要 进 行 处 理=将 载 荷 时 间 历 程 曲 线 进行 截 断 和 平 移 #使 之 成 为 起 点 为+_$的 一 个 完 整 稳定 周 期 的 载 荷 历 程=寿 命 分 析 采 用 多 轴 裂 纹 萌 生 寿 命 分 析=当 载 荷呈 现 不 同 状 况 时 #选 择 一 种 理 想 的 分 析 模 型=目 前 多轴 裂
18、 纹 萌 生 寿 命 分 析 包 括 如 下 几 种 模 型 20(+*3I)C*(, +*3I)C*!包 含 平 均 应 力%#F第#期 彭 禹 !等 “基 于 有 限 元 和 多 体 动 力 学 联 合 仿 真 的 疲 劳 寿 命 预 测项 !“B#=对 于 在 何 种 场 合 选 择 何 种 理 想 的 模 型 $目 前在 多 轴 疲 劳 研 究 领 域 尚 存 在 争 议=本 文 凭 借 经 验 简要 介 绍 模 型 的 选 择 策 略$=“!模 型#%出 现 较 早 $本 文 介 绍 仅 求 叙 述 完整 $在 实 际 分 析 中 并 不 强 烈 推 荐=#!:LI+*+*72*0模
19、 型 仅 在 以 拉 伸 裂 纹 为 主的 场 合 推 荐 使 用=拉 伸 裂 纹 主 要 是 脆 性 材 料 由 拉 伸载 荷 %高 平 均 应 力 所 导 致 $此 时 双 轴 比 例 因 子+$=F!?+70J2I:;20模 型 在 以 剪 切 裂 纹 为 主 的 场 合推 荐 使 用=剪 切 裂 纹 主 要 是 韧 性 材 料 由 剪 切 载 荷 %平均 压 应 力 所 导 致 $此 时 双 轴 比 例 因 子#$=!#种+*3I)C*模 型 在 双 轴 比 例 因 子 出 现或 正 或 负 的 场 合 $针 对 非 比 例 载 荷 $+*3I)C*模型 可 以 得 到 相 对 保 守
20、 的 良 性 结 果=但 该 模 型 会 增 加部 件 预 测 寿 命 分 析 的 成 本=不 推 荐 在 没 有 进 行 多 轴 特 性 评 估 的 情 况 下 直 接进 行 多 轴 分 析=多 轴 特 性 是 通 过 二 轴 分 析 获 得 的=二轴 分 析 有 助 于 在 多 轴 疲 劳 寿 命 预 测 前 了 解 部 件 的 应力 状 况 以 及 应 力 随 时 间 的 变 化 关 系 $从 而 确 定 适 当的 疲 劳 分 析 模 型$=进 行 曲 轴 二 轴 分 析 的 结 果 为 JU*0*7$Y:R=:-7C+)0=Y:R=?+723(0460)6d(2E0$#$A=品 在 使
21、 用 过 程 中 产 生 的 疲 劳 裂 纹 是 吻 合 的=裂 纹 源出 现 在 上 述 疲 劳 寿 命 最 短 部 位 $确 切 地 说 $出 现 在 曲柄 销 圆 角 飞 轮 侧 靠 近 主 轴 承HA$jA$j范 围 内=双轴 分 析 结 果 表 明 $此 部 位 的 名 义 双 轴 比+$根 据 计算 结 果 可 以 判 断 疲 劳 裂 纹 为 拉 应 力 所 致=结 合 金 相 分 析 %显 微 镜 观 察 和Q射 线 法 进 行 综合 检 测 分 析 发 现 76-J0+*67)+2*J(,72+V2+,;8;,2;0/+52()+*E-+723(0,2-0“)0-)230)+7
22、2*3;+U+;2785+)206C27/6(;,0E70JU0)+7()0+7E2-0)0*7;*E0*I6+72*70JU0)+7()0-)F#!“#A!“G“#!$%R参 考 文 献 $=0E06Jl,+*306E0-)23)23m*06(72,26l6U()0JIU,+;0),0SR?R#!/+*2;+,)0-)230I)+72*I2*5270E!+,+*E0VU0)2J0*7+,67(E8*0C+,70)*+7250)0-)230)+*76!c“=S+*3D/(+,-7/00VU,I62*,2J276-7/0*0C)0-)230)+*7!c“=S+*3D/(20*;0+*EL0;/*
23、,38$Z:L%=:7+*E+)E)0-0)0*;0E+7+60#F!:“:=:S页 %!F“段 秀 兵=基 于 低 噪 声 发 动 机 虚 拟 设 计 的 曲 轴 机 体 耦 合 动力 学 研 究 !c“=天 津 (U,0EIE8*+J2;6-;)+*6/+-7+*E,;+60E*52)7(+,E0623*-,C*2600*32*0!c“=L2+*12*+,8I,+E0E1()*+,0+)2*36+,+UU,2;+72*-7/0J2,278J07/E!$9Sc%0+)2*3JE0,2*+,07PcIPY:!)+*6/+-7+*E0+)2*3+*+,8626U);066!“=P)2ID*+*Y
24、cZ460)R*-0)0*;0#$#=!%“P4+,2*506723+72*-;)+*I6/+-7E8*+J2;6+6+52)7(+,0*32*0JE(,0!06-7)62*+,E+JU0)70JU0)+7()0+*E52)+72*+JIU,27(E0*7/07/)00IE2J0*62*+,52)+72*6-7/0;)+*I6/+-7I;8,2*E0),;68670J(*E0)-2)2*3;*E272*6!72*J07/E-J(,72+V2+,-+723(0,2-0!&“=HP$E+)D&“P)+$“),L+.$+&($+.#“BBO#B$“%&#$ #F=“!F第#期 韩 晓 红 !等 “新 型 三 元 混 合 制 冷 剂F#“#A#“G“替 代 制 冷 剂!$%R的 实 验 研 究
