零件剩余疲劳寿命预测方法与产品可再制造性评估研究

摘要

目前,随着经济的飞速发展和人口的迅猛增长,水、土地、能源和矿产资源的缺乏将会越来越严重,迫切需要节约能源和环境保护.这就意味着大力发展循环经济,加速构建节约型社会的显得尤为重要和迫切。 绿色再制造工程是以产品的全生命周期设计和管理为指导,以优质、高效、节能、环保为目标,以先进技术和产业化生产为手段,对废旧产品进行修复和改造等一系列技术措施和工程活动的总称.它是发展循环经济和构建节约型社会的重要途径之一。 产品再制造的可行性和可行度是发展再制造产业首要面临的问题,特别是产品附加值(人力、能源等)高的关键零件是否可以修复而不需要替换.零件失效的主要形式有断裂、磨损、腐蚀和变形,其中,磨损、腐蚀和变形比较直观或者易于检测,只有引起断裂的疲劳寿命不易检测,因此研究再制造产品关键零件剩余疲劳寿命和产品的再制造性对我国再研究产业的发展具有重要的意义。 本文围绕再制造零件(退役零件)剩余疲劳寿命预测及其可再制造上两个方面,以再制造汽车发动机曲轴为例进行剩余疲劳寿命预测；以汽车发动机为例进行产品可再制造性评估.主要包括以下工作: 1、研究了再制造零件剩余疲劳寿命评估方法,即先利用基于有限元与疲劳寿命预测模型,预测零件在最大载荷下的疲劳寿命,再减去利用已知的服役疲劳损伤积累得到最大载荷下的当量寿命,即可得到再制造零件的剩余疲劳寿命。 2、对曲轴进行了动态仿真,该模型不仅考虑了曲轴上作用的弯矩、扭矩及支承的弹性,而且还考虑了多缸连续点火时的相互影响. 3、建立了考虑弹性支撑及相邻曲拐相互影响的曲轴有限元模型,将发动机一个工作循环中的一次点火作为一个工况,每个工况的约束载荷由动力学计算获得,一共六个工况,六组载荷,先后施加到曲轴有限元模型的节点上,求解得出多工况下的曲轴应力分布规律. 4、对曲轴材料48MnV及其具有3Cr13电弧喷涂涂层疲劳行为进行了研究,根据试验结果提出了一个电弧喷涂修复再制造后寿命预测修正系数. 5、分别利用单轴损伤模型S-N法和多轴损伤模型正应变法、SWT-Bannantine、剪应变法、Fatemi-Socie 法对发动机曲轴再制造前后的寿命进行了估算. 6、检验旧零件再制造其剩余寿命是否足够,最直接和最有效的方法是曲轴实物的疲劳强度试验,这也可以验证理论分析的正确性.先对新曲轴分别进行500、1000和3000小时发动机台架强化试验,然后对强化试验后的曲轴截成单拐,进行单拐疲劳试验,最后对试验结果进行分析. 7、本文发展了产品可再制造性评价的模型,模型包括技术性、环境性和经济性三大模块.技术性模块用来评价产品可再制造在技术上的可行性和可行度.环境性指数或经济性指数只取0和1,代表环境压力度是否适度或再制造在经济上是否可行.可再制造性指数由技术性指数、环境性指数和经济性指数相乘得到.在收集大量数据和试验的基础上,对某型发动机的可再制造性进行系统的研究和评价. 通过以上研究工作,本文得到以下结论: 1、本文提出的再制造零件疲劳寿命预测方法和模型,对于初步判断零件剩余疲劳寿命是否足够维持下一个生命周期具有示范意义. 2、曲轴主轴颈与轴承座之间是刚性支承和弹性支撑时的仿真结果表明支承条件不同,计算结果会有较大差异,弹性支撑更符合实际. 3、有限元计算结果表明发动机工作过程中曲轴第3拐连杆颈上油孔附近应力集中最大,其维氏应力最大值为208Mp.只有单拐模型计算的结果的1/2.这是由于曲轴约束载荷计算比较准确,且考虑相邻缸点火的影响导致应力计算值降低. 4、基体材料为48MnV具有3Crl3电弧喷涂层的材料在轴向载荷下的疲劳性能有相当程度的降低.涂层越厚,疲劳性能越差,疲劳极限越低.涂层厚度为0.1mm,0,2mm和0.3mm的试样,疲劳极限分别降低了9﹪,11.8﹪和14﹪.疲劳性能降低的主要原因是涂层的结合强度较低,以及喷砂时残留的铝氧化物引起疲劳裂纹萌生. 5、曲轴再制造前后疲劳寿命计算结果以及疲劳试验结果说明传统的计算过于保守,说明再制造发动机时直接利用曲轴、采用

目录

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第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.2再制造及其在生命周期中的位置

1.2.1再制造的内涵

1.2.2再制造和维修的区别

1.2.3再制造的组织和管理

1.3再制造的现状

1.3.1国外现状

1.3.2国内现状

1.4汽车发动机再制造

1.4.1汽车发动机基本结构

1.4.2汽车发动机再制造过程

1.4.2国内外汽车发动机再制造现状

1.5再制造零件疲劳寿命评估

1.5.1意义

1.5.1技术路线

1.6本课题主要研究内容

第二章再制造零件剩余疲劳寿命预测方法及模型

2.1概论

2.2再制造零件疲劳寿命评估方法

2.2.1再制造前零件剩余疲劳寿命评估

2.2.2再制造后零件疲劳寿命评估

2.3再制造零件疲劳寿命评估模型

2.3.1基于有限元的疲劳寿命计算

2.3.2损伤模型

本章小结

第三章汽车发动机曲轴系动态仿真

3.1机构建模

3.1.1几何和动力学模型

3.1.2气体压力

3.2建立动力学方程

3.3曲轴系仿真及结果

3.4结果分析和结论

本章小结

第四章汽车发动机曲轴有限元分析

4.1曲轴实体模型

4.2曲轴实体网格划分

4.3边界条件

4.3.1力边界条件

4.3.2其他边界条件

4.4有限元计算结果

4.5结果讨论

本章小结

第五章曲轴材料48MNV及其具有3CR13电弧喷涂涂层疲的劳行为研究

5.1试验技术

5.1.1试样制备

5.1.2喷涂工艺

5.2.4涂层的组织性能

5.2试验结果及讨论

5.2.1拉伸试验

5.2.2疲劳试验

5.2.3典型疲劳断口分析

5.2.5结论

5.3电弧喷涂修复再制造后曲轴寿命预测修正系数

本章小结

第六章再制造汽车发动机曲轴寿命预测

6.1曲轴修复前后寿命预测

6.1.1曲轴再制造前剩余疲劳寿命预测

6.1.2曲轴再制造后剩余疲劳寿命预测

6.2曲轴疲劳试验

6.2.1新发动机曲轴疲劳强度试验

6.2.2发动机500小时和1000小时试验后曲轴的疲劳强度试验

6.2.3发动机3000小时可靠性试验和使用后曲轴的疲劳试验

6.2.4曲轴疲劳试验结果与讨论

本章小结

第七章产品可再制造性评价方法与建模

7.1判断产品是否适合可再制造的准则

7.2判断产品可再制造性的方法和模型

7.2.1技术性模型

7.2.2经济性模型

7.2.3环境性模型

7.2.4可再制造性指数

7.3评价方法及算例

7.3.1技术性指数计算

7.3.2经济性指数计算

7.3.2环境性指数计算

7.3.3可再制造性指数计算

本章小结

第八章结论与展望

8.1总结

8.2主要结论

8.3主要创新点

8.4研究展望

参考文献

致谢

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