文档介绍：分类号:TK422 单位代码:10110
学号:S20100455
基
于
凸
轮中北大学
轴
全
工硕士学位论文
况
载
荷
谱基于凸轮轴全工况载荷谱的疲劳
的
疲
劳寿命预测方法研究
寿
命
预
测
方
法
研
硕士研究生娄晓静
究
指导教师苏铁熊王军
娄
晓学科专业动力机械及工程
静
中
北
大
学
2013 年 04 月 20 日
图书分类号 TK422 密级非密
UDC 注 1
硕士学位论文
基于凸轮轴全工况载荷谱的疲劳寿命预测方法研究
指导教师苏铁熊教授王军讲师
申请学位级别工学硕士
专业名称动力机械及工程
论文提交日期 2013 年 04 月 20 日
论文答辩日期年月日
学位授予日期年月日
论文评阅
答辩委员会主席
2013 年 04 月 20 日
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导师签名: 日期:
中北大学学位论文
基于凸轮轴全工况载荷谱的疲劳寿命预测方法研究
摘要
凸轮轴是内燃机的关键零部件之一,内燃机工作过程中,凸轮表面和挺柱之间有很
高的周期性接触应力和较快的相对滑动速度,凸轮轴承受较大弯曲和扭转负荷,凸轮轴
的轴颈圆角处很容易出现应力集中,容易出现疲劳破坏现象。本文以凸轮轴作为研究对
象,根据多质量动力学原理,应用AVL软件建立了配气机构一维动力学仿真分析模型,
进行动力学分析,研究了凸轮轴在四种考核工况下的载荷特征;建立了凸轮轴、轴承座
的三维实体模型,在此基础上考虑凸轮轴与轴承座的装配关系,建立了凸轮轴组合结构
的非线性有限元分析模型,进行了瞬态动力学仿真分析,研究了凸轮轴在四种考核工况
下应力分布状态、应力时变特性;基于应力时变特性结合四种考核工况所占时间比例,
研究了应用雨流计数法建立凸轮轴全工况载荷谱的方法;考虑凸轮轴的载荷特征及材料
特性,研究了使用应力-寿命疲劳曲线、线性累积法则、平均应力修正等疲劳分析理论
预测凸轮轴寿命的方法。通过本文的研究得到了适用于凸轮轴的包含一维动力学仿真、
三维瞬态有限元分析、疲劳载荷谱的建立、应力疲劳分析等关键技术的凸轮轴疲劳寿命
预测方法。
应用 AVL TYCON 软件建立进气阀系、排气阀系、轴承、驱动机构等配气机构组
成部件,建立配气机构一维仿真分析模型。并由配气机构的四种考核工况:标定转速工
况、90%标定转速工况、80%标定工况、最大扭矩工况,得到各凸轮与从动件接触点处
所受载荷及凸轮轴整体在工作过程中受到的扭矩。
使用 Pro/E 软件分别建立了凸轮轴以及凸轮轴轴承座的三维实体模型,在前处理软
件 ANSA 软件中,进行了凸轮轴与轴承座的装配,建立了非线性的接触关系及约束,并
进行了网格化分,由于瞬态有限元分析计算量较大,在保证求解精度的前提下尽量减小
模型求解规模,在结构较为薄弱的轴颈过度圆角处采用了较为精细的网格。应用有限元
分析软件 ANSYS 对四种工况下的凸轮轴进行瞬态有限元分析,得到了凸轮轴在四种考
核工况下应力分布状态、应力时变特性,应力分布状态表明凸轮轴应力集中部位主要在
凸轮与凸轮轴颈的过渡圆角处,应力时变特性为载荷谱的编制提供了信号数据。
在研究现有各疲劳分析方法的基础上,考虑到凸轮轴在全工况下应力水平均处于弹
中北大学学位论文
性范围内,选取名义应力法(S-N 曲线法)作为凸轮轴的疲劳寿命预测方法;对比单
参数和双参数循环计数法,考虑到双参数循环计数法能够较为真实的再现变幅加载过
程,采用双参数循环计数法中的四点雨流计数法编制了凸轮轴载荷谱;将有限元瞬态分
析结果加载到疲劳分析软件 Ncode Design life 中,