柴油机铝合金机体紧固面微动疲劳寿命预测方法研究

摘要

柴油机工作过程中，机体在螺栓预紧力和缸内的作用下，其与主轴承盖的紧固面上会产生微小位移的往复滑动，即微动。在微动的作用下，机体紧固面会产生微动疲劳，导致机体因萌生裂纹而失效。针对机体的微动疲劳失效现象，本文采用实验研究、仿真模拟和理论研究的方法，系统的研究了机体的微动裂纹萌生特性及破坏机理，得出了适用于机体微动疲劳寿命的评估方法，主要工作内容及结论如下:
　　(1)进行了六组不同工况下的微动疲劳实验，结果表明，在试件接触边沿发生断裂失效，试件微动疲劳寿命随轴向载荷的增大而降低;微动区可以明显的分为滑移区、混合区和黏着区，微动裂纹出现在混合区的概率较大。
　　(2)创建方足桥/试件组合结构微动疲劳仿真有限元模型，对比分析了二维、三维有限元模型的计算结果，分析表明，两种模型的误差在5％以内。采用11种多轴疲劳参数对模型的微动特性作出评估，基于Farris模型，拟合得出微动疲劳寿命评估模型，与实验数据对比可知，Ruiz模型的预测结果更接近于实验值。
　　(3)首先，以损伤力学中的不可逆热力学理论和凸函数理论为基础，推导出损伤演化本构方程，得到了基于二重耗散势函数的微动疲劳损伤模型。然后，以Chaboche提出的非线性连续损伤(NLCD)模型为框架，将基于应变的KBM参数引入到NLCD模型中，用KBM参数代替公式中的循环应变幅来表征微动特定工况下材料的本构关系，结合实验数据，提出了一种新的评估方法。
　　(4)创建柴油机机体紧固面组合结构的三维模型及有限元模型，对接触面上的应力等微动特征参量进行了定量分析，探究了摩擦系数对相对滑移量及摩擦功的影响。将所得的评价模型应用到机体微动研究中，预估了机体微动疲劳寿命，结果表明，Ruiz模型、热力学耗散势函数模型及NLCD模型适用于评估柴油机机体的微动疲劳寿命。

目录

声明

摘要

1．1 研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 微动损伤作用机理

1．2．2 微动疲劳影响因素

1．2．3 微动疲劳预测方法

1．2．4 微动疲劳实验装置

1．3 本文的主要研究内容

第2章 弹性接触应力分布和损伤力学理论

2．1 球／平面Hertz弹性接触

2．1．1 完全滑移

2．1．2 部分滑移

2．2 柱面／柱面HERTZ弹性接触

2．3 损伤力学理论

2．3．1 损伤变量

2．3．2 弹塑性

2．3．3 微塑性

2．3．4 状态参量

2．3．5 应变等效原理

2．4 本章小结

3．1 实验设备

3．2 微动疲劳实验件

3．2．1 微动疲劳接触结构形式

3．2．2 微动疲劳实验件设计

3．3 微动疲劳实验过程

3．4 微动疲劳机理研究

3．5 微动疲劳实验结果与分析

3．6 本章小结

第4章 基于多轴疲劳的微动损伤预估模型

4．1 多轴疲劳损伤模型

4．2 有限元模型

4．2．1 二维(2D)有限元模型

4．2．2 三维(3D)有限元模型

4．2．3 2D和3D有限元模型计算结果分析

4．2．4 微动裂纹萌生假设

4．3 微动裂纹萌生特性

4．4 基于多轴应力／应变模型预估微动疲劳寿命

4．5 本章小结

第5章 基于损伤力学理论预估微动疲劳寿命

5．1 热力学耗散势函数法

5．1．1 耗散势与损伤本构方程

5．1．2 损伤准则

5．1．3 基于热力学耗散势的微动疲劳损伤模型

5．1．4 基于热力学耗散势函数法预估微动疲劳寿命

5．2 非线性连续损伤模型(NLCD)

5．2．1 微动疲劳实验

5．2．2 NLCD微动疲劳寿命预测模型推导

5．2．3 有限元模型

5．2．4 圆柱垫-试件接触面上的应变分析

5．2．5 修正的KBM临界面法

5．2．6 NLCD模型预估微动疲劳寿命

5．2．7 NLCD模型与修正的KBM模型预测结果对比

5．3 本章小结

第6章 柴油机机体紧固面微动疲劳寿命预测

6．1 机体紧固面三维实体结构

6．2 限元模型

6．2．1 几何修复

6．2．2 网格划分

6．2．3 定义接触

6．3 有限元模型边界条件

6．4 机体微动疲劳特性

6．4．1 机体的静力学计算

6．4．2 机体的微动疲劳特性

6．5 摩擦系数对机体紧固面微动特性的影响

6．6 基于多轴疲劳模型预估机体微动疲劳寿命

6．7 热力学耗散势函数法预测机体微动疲劳特性

6．7．1 裂纹萌生位置预测

6．7．2 微动疲劳寿命预测

6．8 非线性连续损伤模型预测机体微动疲劳寿命

6．9 本章小结

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及取得的研究成果

致谢