基于仿真分析的发动机机体微动疲劳基础研究

摘要

微动是机械构件接触表面间一种振幅极小的相对运动，对疲劳寿命有较大影响。随着发动机高功率密度化的发展，工作过程中机体-主轴承盖接触面上经常发生微动疲劳问题。本文针对上述问题在微动接触力学、接触问题有限元模拟等理论的基础上，开展了机体-主轴承盖及其模拟件方足桥-试样的微动疲劳的基础研究。以与机体-主轴承盖接触方式相似的方足桥-试样接触模型为对象，研究了循环载荷、垂直压力、摩擦系数三个参数对试样表面接触应力分布、接触状态、微动疲劳裂纹萌生位置以及微动疲劳发生概率的影响规律；在研究上述三个参数对试样表面微动疲劳发生概率的影响时首次引入临界面疲劳参数法。以机体-主轴承盖组合结构为研究对象，在引入先进的临界面疲劳参数法基础之上，预测了机体-主轴承盖接触面微动疲劳裂纹萌生的位置，研究了爆发压力和螺栓预紧力对微动疲劳发生概率的影响规律，在机体-主轴承盖接触面微动疲劳研究方面进行了探索。
　　在分析方足桥-试样表面微动疲劳时，建立了其几何模型及有限元模型，并进行了不同参数下的静力计算。基于计算结果，引入了利用接触面法向的相对位移和利用最大静摩擦力与实际摩擦力之间的关系两种判断接触区域接触状态的方法；研究了循环载荷、垂直压力、摩擦系数三个参数对试样表面上应力分布、接触状态、微动疲劳裂纹萌生位置的影响规律；通过分析临界面疲劳参数 SWT（Smith，Watson与Topper）和FS（Fatemi与 Socie）沿接触路径的分布，分别预测了不同参数下试样表面微动疲劳裂纹萌生的位置，发现SWT参数适用于本文的方足桥-试样接触模型；结合SWT参数研究了上述三个参数对试样表面微动疲劳发生概率的影响规律。
　　在分析机体-主轴承盖接触面微动疲劳时，建立了机体-主轴承盖组合结构的三维实体模型和有限元模型，对其在预紧和爆发两种工况下的应力场和位移场进行了分析；同时通过分析接触面上的临界面疲劳参数 SWT和FS，预测了机体-主轴承盖接触面微动疲劳裂纹萌生的位置，发现SWT参数预测所得裂纹萌生位置与实际情况有着良好的一致性；最后结合SWT参数分析了爆发压力和螺栓预紧力对机体-主轴承盖接触面微动疲劳发生概率的影响规律。

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1 绪论

1.1 论文背景和研究目的

1.2 微动疲劳及其危害性

1.3 微动疲劳国内外研究现状

1.4 本文研究内容

2 微动接触力学分析和接触问题有限元模拟理论

2.1静止接触状态-Hertz弹性接触理论

2.2 微动接触的有限元分析理论

2.3 本章小结

3 机体-主轴承盖模拟件方足桥-试样微动疲劳分析研究

3.1 方足桥-试样二维有限元计算模型的建立

3.2 试样表面微动疲劳接触特征分析

3.3 不同参数对试样表面接触应力、接触状态和裂纹萌生位置的影响规律研究

3.4 基于临界面疲劳参数法的试样表面微动疲劳研究

3.5 本章小结

4 机体-主轴承盖接触面微动疲劳分析研究

4.1 机体-主轴承盖组合结构有限元模型的建立

4.2 机体-主轴承盖组合结构考察部位的选取

4.3 机体-主轴承盖组合结构静力计算结果分析

4.4 机体-主轴承盖接触面微动疲劳分析

4.5 机体-主轴承盖与其模拟件微动疲劳对比分析

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢