机体螺栓连接件接触面间微动疲劳寿命预测方法研究

摘要

随着柴油机功率和强化程度的提高，内燃机机体的微动疲劳寿命成为设计中必须考虑的因素之一。本文针对某型号柴油机机体与主轴承盖之间发生的微动疲劳断裂失效问题，通过实验研究、数值模拟以及理论研究的方法，拟建立一套适用于机体微动疲劳寿命预测的模型，本文的主要的工作内容为： （1）针对机体螺栓连接件接触面间微动疲劳面/面接触的特点，采用试件与方足桥的实验模型，对6种不同的轴向载荷工况进行了微动疲劳实验，并与普通疲劳的寿命进行对比，发现微动疲劳寿命远低于普通疲劳寿命，并对微动磨损表面和断口形貌进行了观察和分析，发现磨损是构成试件断裂失效的主要原因之一。 （2）对柱面/平面模型接触副之间的微动磨损相关规律进行了研究。采用有限元软件Abaqus中的Umeshmotion子程序和自适用网格技术得到了接触副磨损过程中的接触表面磨损轮廓和接触压力的变化曲线，并分析了磨损分区因子以及行程幅度对于接触表面磨损轮廓和接触压力的影响规律。 （3）分别使用多轴疲劳模型和断裂力学模型对试件的微动疲劳寿命进行了预测。多轴疲劳模型使用六种疲劳损伤参数，结合Farris寿命评估模型，对试件的微动疲劳寿命进行预测，与试验结果相比，Ruiz参数的预测结果最接近实验值；断裂力学模型首先根据多轴应力/应变法确定的裂纹萌生位置，然后对比裂纹成核速率和裂纹扩展速率确定初始裂纹尺寸，分别使用Basquin公式计算裂纹成核寿命和使用Paris公式计算裂纹扩展寿命，将6种轴向载荷的寿命与实验值对比，误差均在两倍公差带因子周围，最小的误差为1.9倍公差带因子，最大的误差为2.28倍公差带因子。 （4）建立柴油机机体的三维实体和有限元模型，并分析机体的微动疲劳特性，把多轴疲劳模型和断裂力学模型应用到柴油机机体的微动疲劳寿命预测中来。多轴疲劳模型寿命预测结果表明，Ruiz参数可以准确的预估裂纹的萌生位置，并且寿命预测误差在2.3倍公差带因子范围内，适用于机体微动疲劳的寿命预测；断裂力学模型寿命预测结果表明，基于Paris公式的扩展有限元法适用于机体微动疲劳寿命的预测，寿命预测误差在2.2倍公差带因子范围内。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究的目的和意义

1.2国内外发展现状及发展动态

1.2.1微动疲劳的实验装置

1.2.2微动疲劳的损伤机理研究

1.2.3微动疲劳寿命预测方法

1.3本文的主要研究内容

第2章弹性接触力学分析和断裂力学理论

2.1 Hertz弹性接触理论

2.1.1球面/球面接触

2.1.2柱面/柱面接触

2.2 球/平面表面接触状态分析

2.2.1完全滑移状态

2.2.2部分滑移状态

2.3断裂力学理论

2.3.1有限元法求解应力强度因子的方法

2.3.2疲劳裂纹扩展原理

2.4本章小结

第3章 微动疲劳实验研究

3.1实验设备

3.2微动疲劳试验件设计

3.3微动疲劳实验结果及分析

3.3微动疲劳实验现象

3.4本章小结

第4章 微动磨损对微动疲劳的影响研究

4.1自适用网格技术

4.2 Archard磨损定律

4.3有限元模型的建立

4.3.1柱面/平面二维有限元模型的建立

4.3.2有限元模型的验证

4.4 模型的加载历程

4.4.1通用加载历程

4.4.2循环加载历程

4.5仿真结果及分析

4.5.1磨损分区因子（α）的影响

4.5.2行程幅度的影响

4.6本章小结

第5章 寿命预测方法研究

5.1基于多轴疲劳的微动疲劳寿命预测方法

5.1.1多轴疲劳寿命预测损伤参量

5.1.2建立有限元模型

5.1.3基于多轴疲劳准则预测微动疲劳寿命

5.2基于断裂力学模型预测微动疲劳寿命。

5.2.1扩展有限单元法（XFEM）

5.2.2确定初始裂纹的萌生位置

5.2.3初始和临界裂纹长度的确定

5.2.4基于断裂力学模型预测微动疲劳寿命

5.3本章小结

第6章 机体螺栓连接件接触面间微动疲劳寿命预测

6.1机体-主轴承盖有限元模型

6.1.1建立有限元模型

6.1.2柴油机有限元模型位移和载荷边界条件

6.2机体-主轴承盖螺栓连接面的接触状态

6.3预测机体裂纹萌生位置

6.4基于多轴疲劳模型预测机体微动疲劳寿命

6.5基于断裂力学模型预测机体微动疲劳寿命

6.6本章小结

第7章 总结与展望

7.1全文总结

7.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢