基于可靠性的柴油机曲轴疲劳寿命分析

作     者：程磊磊 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛冬新

授予年度：2022年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：曲轴 有限元仿真 多体动力学 疲劳可靠性 疲劳寿命 

摘      要：近年来柴油机的功率、运行稳定性、可靠性明显提升,这意味着曲轴等动力输出部件也应具备足够的强度和疲劳寿命,以满足整机工作安全性和寿命要求。曲轴疲劳研究现已成为柴油机安全性和可靠性分析的重点。本文通过虚拟仿真试验对某16V265柴油机曲轴进行疲劳分析,确定曲轴的疲劳寿命和可靠性,并根据疲劳敏感度确定曲轴优化改进方向,主要研究内容和结论如下:一、简化并装配曲柄连杆机构模型,便于后续仿真分析;通过曲柄连杆机构运动学理论分析,确定各部件运动学特性;通过动力学理论分析,确定各部件载荷特性,得到曲轴曲柄销在循环周期内的理论载荷谱,理论最大载荷为584kN。二、建立柔性体曲轴及动力学模型,进行刚柔耦合动力学仿真分析;根据各部件运动特性结果,对比分析表明创建的动力学模型合理可靠;通过对比理论载荷结果,得到修正后的曲轴各曲柄销载荷,各曲柄销载荷变化趋势基本一致,仅载荷数值存在微弱偏差,仿真最大载荷为600kN,与理论最大载荷偏差为2.67%,动力学仿真为后续疲劳分析提供高精度和高可靠性的曲轴载荷谱数据。三、建立曲轴静力学仿真模型;通过曲轴端部和中部两种方案的仿真分析,确定曲轴应力分布、结构危险位置和最大应力载荷;主轴颈与曲柄销过渡圆角部位之外应力分布均匀且数值较小,过渡圆角处应力最大,应力集中现象明显;曲轴中部曲柄销承受最大载荷时,曲轴最大应力为110.6MPa,不足材料屈服极限930MPa的12%,满足曲轴工作静强度要求;通过曲轴模态分析确定曲轴振动特性,曲轴约束模态下的低阶固有频率158.2 Hz在柴油机激振频率133.3Hz共振频率区间外,发生共振可能性较小。四、根据应力结果和疲劳可靠性理论对曲轴进行可靠性分析,确定曲轴疲劳可靠度大于0.99999,满足工作可靠性要求;综合曲轴静力学与动力学仿真结果进行疲劳寿命计算,疲劳损伤最大值为2.907e,循环次数最小值为3.44e,换算得曲轴最小疲劳寿命为4.78万小时,满足工作寿命要求;进行曲轴疲劳寿命影响因素敏感度分析,得到敏感度数值及变化规律,依此确定曲轴优化改进方向和相关措施。