钢曲轴淬火强化工艺模拟及其疲劳极限载荷的预测

摘要

曲轴是发动机的重要零部件之一，在工作过程中会受到来自不同激励源的载荷作用，并导致圆角、油孔等部位因为应力集中而产生疲劳破坏。同时由于发动机爆压的提升和轻量化设计，对于曲轴的疲劳强度的要求也是越来越高。表面感应淬火工艺能够使曲轴连杆和圆角处产生残余应力，提高其疲劳寿命。由于强大的分析功能和可视化的能力，计算机提供了模拟曲轴表面强化工艺的可能。如何避免大量的实验，利用相关理论，获得曲轴的疲劳极限载荷，对于实际工程具有重要的意义。因此选择合适的方法，在设计阶段对曲轴的疲劳极限载荷进行准确的预测，对于曲轴的结构抗疲劳设计有着重要的意义。 本文以发动机曲轴为研究对象，采用有限元法，对曲轴进行弯矩载荷作用下的应力分析，采用名义应力法，选取曲轴主轴颈断裂面，对未进行淬火工艺曲轴的疲劳极限载荷进行预测。应用坐标变换法对应力集中区域内的应力状态进行分析，确定曲轴的临界平面位置和疲劳损伤的类型。采用临界平面法和合适的剪切破坏模型，得到未进行淬火工艺的曲轴疲劳极限载荷。在此基础上，利用ANSYS软件建立曲轴的二维轴对称模型，利用其热固耦合功能对连杆轴颈中频感应淬火过程进行了模拟，得到温度场的分布。采用扩展动力学解析模型和叠加原理从母体中确定奥氏体化过程中的圆角和连杆处的淬硬层深度，赋予不同的材料属性，将温度场的分布数据作为载荷导入到力场中对曲轴进行分析得到残余应力场的分布，进而利用名义应力法和基于临界平面的疲劳损伤模型计算淬火强化曲轴的疲劳极限载荷。将分析结果与疲劳试验数据进行对比，表明利用淬火模拟和临界平面法能准确预测曲轴疲劳极限载荷。曲轴经淬火后，能够显著提高疲劳极限载荷，为曲轴的设计阶段提供依据。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状及分析

1.3本文的主要研究工作

第2章 曲轴感应淬火加热温度场模拟

2.1电磁感应加热的原理

2.2曲轴表面感应加热淬火模型的简化

2.3耦合场分析

2.4电磁场和热场的分析结果

2.5本章小结

第3章 曲轴淬火强化工艺后残余应力的模拟

3.1淬硬层的分析

3.1.1膨胀实验材料及方法

3.1.2相变动力学模型

3.2本章小结

第4章 用名义应力法预测曲轴疲劳极限载荷

4.1曲轴应力应变状态研究

4.2名义应力原理

4.3未淬火曲轴疲劳极限载荷的预测

4.4本章小结

第5章 多轴疲劳理论在曲轴疲劳极限载荷预测中的应用研究

5.1多轴疲劳理论概述

5.1.1基于应力的疲劳损伤模型

5.1.2基于应变的疲劳损伤模型

5.1.3基于应变能的疲劳损伤模型

5.2曲轴损伤类型分析

5.2.1最大应力应变平面的确定

5.2.2选择合适的疲劳损伤模型

5.3基于Mc Diarmid模型和KBM模型的预测结果

5.4本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

附录

在学研究成果

致谢