諧振式曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試及計(jì)算

1、論文導(dǎo)讀:：盡管諧振式曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)獲得了廣泛的應(yīng)用，但其動(dòng)力學(xué)特性仍有待深入研究。首先對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行理論分析，得到了瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的形式及系統(tǒng)阻尼比、頻率比對(duì)其影響。然后對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，得到了16階非剛體模態(tài)的固有頻率、振型和阻尼比。進(jìn)一步建立試驗(yàn)系統(tǒng)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，并利用模態(tài)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了有限元計(jì)算的有效性。在此基礎(chǔ)上采用模態(tài)疊加法進(jìn)行曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到系統(tǒng)位移響應(yīng)，并討論了瞬態(tài)響應(yīng)的形式及其對(duì)疲勞試驗(yàn)結(jié)果的影響。最后通過(guò)模態(tài)擴(kuò)展計(jì)算得到圓角危險(xiǎn)截面圓弧上各點(diǎn)在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中的彎曲正應(yīng)力幅值。發(fā)動(dòng)機(jī)不斷向高速化、高強(qiáng)化發(fā)展，對(duì)曲軸彎曲疲勞強(qiáng)度

2、提出了更高的要求。曲軸幾何形狀較為復(fù)雜，材料、加工工藝也較一般機(jī)械零件特殊，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸又普遍采用了圓角滾壓、軸頸及圓角表面淬火和滲氮處理等強(qiáng)化措施，給其疲勞強(qiáng)度研究帶來(lái)很大困難。考慮到曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要性，生產(chǎn)商和科研人員廣泛采用了彎曲疲勞試驗(yàn)來(lái)測(cè)定曲軸的疲勞強(qiáng)度和進(jìn)行相關(guān)研究。近年來(lái)開(kāi)展了大量與諧振式曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)相關(guān)的研究工作。Spiteri PV等3對(duì)諧振式曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)的失效準(zhǔn)則進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并探索了表面裂紋準(zhǔn)則、剛度變化準(zhǔn)則和完全斷裂準(zhǔn)則之間的關(guān)系；Yu V等4通過(guò)試驗(yàn)和仿真的方法得到了曲軸缺口深度與音叉系統(tǒng)固有頻率之間的關(guān)系；周迅等5進(jìn)一步提出了掃頻法，用于對(duì)諧振式曲軸

3、彎曲疲勞試驗(yàn)中的裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行檢測(cè)；周迅等67還對(duì)諧振式彎曲疲勞試驗(yàn)的載荷標(biāo)定及數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了深入研究。這些工作集中于疲勞試驗(yàn)的方法及應(yīng)用，而對(duì)諧振式曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)本身的動(dòng)力學(xué)特性涉及較少。目前關(guān)于試件音叉系統(tǒng)的受迫振動(dòng)分析仍停留在兩自由度簡(jiǎn)化模型穩(wěn)態(tài)解的理論計(jì)算上，而實(shí)際系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的三維連續(xù)體結(jié)構(gòu)，具有無(wú)窮多個(gè)自由度瞬態(tài)，其振動(dòng)特性更為復(fù)雜，另外對(duì)于音叉系統(tǒng)這樣阻尼很小的構(gòu)件，其瞬態(tài)響應(yīng)不會(huì)很快衰減，只考慮穩(wěn)態(tài)解也可能影響分析結(jié)果。阻尼值對(duì)受迫振動(dòng)響應(yīng)有重要影響，但目前對(duì)于試件音叉系統(tǒng)的阻尼參數(shù)仍缺少定量的研究。疲勞試驗(yàn)過(guò)程中曲軸圓角危險(xiǎn)位置的應(yīng)力應(yīng)變歷程一般通過(guò)粘貼應(yīng)變片測(cè)量得

4、出，然而由于圓角尺寸較小且形狀復(fù)雜，應(yīng)變片粘貼質(zhì)量難以保證，加上圓角附近應(yīng)力梯度較大，應(yīng)變測(cè)量得到的結(jié)果往往誤差很大，因此某些研究者不得不采用極限彎矩幅值代替極限應(yīng)力幅值來(lái)描述曲軸的抗彎曲疲勞能力。雖然這是一種行之有效的工程處理方法，但由于現(xiàn)代疲勞分析必須基于危險(xiǎn)位置局部的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行，不能得到圓角準(zhǔn)確的應(yīng)力應(yīng)變將嚴(yán)重制約曲軸彎曲疲勞設(shè)計(jì)水平龍?jiān)雌诳?。本文針?duì)目前諧振式曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)研究中的局限，首先推導(dǎo)得出音叉系統(tǒng)相應(yīng)的兩自由度簡(jiǎn)化模型在受迫振動(dòng)時(shí)瞬態(tài)位移響應(yīng)理論解的形式；然后針對(duì)1015柴油機(jī)曲軸單拐試件音叉系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，獲得16階非剛體模態(tài)的固有頻率、振型和阻尼比；繼而使用有限元法進(jìn)行音叉系統(tǒng)模態(tài)計(jì)算，并通過(guò)模態(tài)測(cè)試結(jié)果對(duì)有限元模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證?；谀B(tài)計(jì)算的結(jié)果和模態(tài)測(cè)試得到的各階模態(tài)阻尼比，利用模態(tài)疊加法進(jìn)行了音叉系統(tǒng)受迫振動(dòng)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)有限元分析，得到任一點(diǎn)處的位移響應(yīng)，討論了振動(dòng)開(kāi)始階段瞬態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)及其對(duì)疲勞試驗(yàn)的影響。進(jìn)一步進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展計(jì)算，得到了單拐試件圓角處的彎曲疲勞極限應(yīng)力。音叉系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型的理論解若只考慮音叉系統(tǒng)的簡(jiǎn)單彎曲振動(dòng)，可以將其簡(jiǎn)化為一個(gè)兩自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)，如圖2所示。其中J為兩個(gè)擺臂繞各自振動(dòng)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，φ1、φ2分別為兩個(gè)擺臂的轉(zhuǎn)角，且有瞬