1、 MSC柴油发动机曲轴柴油发动机曲轴疲劳分析示例疲劳分析示例 MSC北京办事处北京办事处 内容1.MSC疲劳分析简介疲劳分析简介2.应力应力/应变分析应变分析3.载荷历程计算载荷历程计算4.疲劳分析疲劳分析5.结论结论1.MSC疲劳分析简介疲劳分析简介柴油发动机曲轴在旋转时，承受周期载荷，因柴油发动机曲轴在旋转时，承受周期载荷，因此设计时必须考虑疲劳破坏因素；此设计时必须考虑疲劳破坏因素；柴油发动机曲轴疲劳属于高周疲劳问题，适合柴油发动机曲轴疲劳属于高周疲劳问题，适合使用使用s-n方法预测寿命；方法预测寿命；疲劳分析必须首先确定模型的载荷分布与载荷疲劳分析必须首先确定模型的载荷分布与载荷历程。
2、历程。柴油发动机疲劳分析特点柴油发动机疲劳分析特点疲劳分析步骤：疲劳分析步骤：a.利用有限元分析软件利用有限元分析软件(本例采用本例采用MSC.Nastran)，得，得到模型的应力到模型的应力/应变分布；应变分布；b.利用利用MSC.Adams，得到作用在模型上的载荷历程；，得到作用在模型上的载荷历程；c.利用利用MSC.Fatigue，进行模型的疲劳分析。，进行模型的疲劳分析。MSC公司提供完善的疲劳分析解决方案公司提供完善的疲劳分析解决方案MSC疲劳分析流程疲劳分析流程MSC.NASTRAN MSC.NASTRAN 有限元分析有限元分析 MSC.FATIGUE MSC.FATIGUE 疲劳
3、寿命分析疲劳寿命分析MSC.ADAMS MSC.ADAMS 载荷历程计算载荷历程计算2.应力应力/应变分析应变分析模型上的应力模型上的应力/应变分布应变分布疲劳分析前，模型的应力疲劳分析前，模型的应力/应变分布情况应变分布情况利用有限元分析得到；利用有限元分析得到；本题使用本题使用MSC.Patran、MSC.Nastran进行模型的应力进行模型的应力/应变分析。应变分析。应力应力/应变分析应变分析MSC.Patran读入原始的三维读入原始的三维CAD模型，模型，进行有限元分析的前处理；进行有限元分析的前处理；模型共划分模型共划分136,713个四面体单元（如下个四面体单元（如下图所示）。图所
4、示）。发动机曲轴有限元网格图发动机曲轴有限元网格图载荷工况与边界条件载荷工况与边界条件模型在不同位置处分别承受垂直载荷与模型在不同位置处分别承受垂直载荷与水平载荷，对应不同的的工况，在各工水平载荷，对应不同的的工况，在各工况下施加约束条件与单位载荷；况下施加约束条件与单位载荷；共定义共定义12个工况；个工况；下图所示为其中一个工况下的约束和载下图所示为其中一个工况下的约束和载荷情况。荷情况。一个载荷工况的边界条件一个载荷工况的边界条件 为轴承处约束为轴承处约束 为联结处载荷为联结处载荷有限元分析结果有限元分析结果模型应力在各工况下分别计算；模型应力在各工况下分别计算；共得到共得到12个结果工况
5、，应力云图见下图。个结果工况，应力云图见下图。各垂直载荷工况下应力结果云图各垂直载荷工况下应力结果云图各水平载荷工况下应力结果云图各水平载荷工况下应力结果云图3.载荷历程计算载荷历程计算载荷历程计算载荷历程计算利用利用MSC.ADAMS 2005/Engine对模型进行仿对模型进行仿真分析；真分析；从分析结果，得出疲劳分析所需的载荷历程。从分析结果，得出疲劳分析所需的载荷历程。初始计算条件初始计算条件1.发动机夹角：发火夹角120度2.点火顺序：1-5-3-6-2-43.活塞行程：135mm4.缸间距：135mm5.缸径：113mm6.有效连杆长度：217mm7.轴承数目：78.曲柄轴承直径：
6、75mm9.曲柄轴承长度：42mm10.主轴承直径：100mm11.主轴承长度：37mm12.止推轴承位置：第七主轴承档13.活塞销直径：45mm14.活塞销长度：92mm15.发动机爆发压力曲线见两个EXCEL文件，分别为1400转/分和2300转/分的工况。16.曲轴材料：42CrMoA17.弹性模量：2.06E5MPa，18.泊松比：0.3，19.强度极限：1080MPa，20.屈服极限：930MPaMSC.ADAMS/Engine模型模型计算模型计算模型计算模型组成计算模型组成n44 Moving Parts(not including ground)n12 Point_masssn1
7、 Cylindrical Jointsn5 Revolute Jointsn12 Spherical Jointsn19 Fixed Jointsn5 Hooke Jointsn1 Atpoint Primitive_Jointsn25 Inline Primitive_Jointsn8 Inplane Primitive_Jointsn1 Orientation Primitive_Jointsn12 Parallel_axes Primitive_Jointsn8 Perpendicular Primitive_Jointsn5 Motions计算工况计算工况发动机转速：发动机转速：140
8、0rpm发动机转速：发动机转速：2300rpm发动机转速发动机转速1400rpm工况载荷计算结果工况载荷计算结果各缸爆发压力计算结果（各缸爆发压力计算结果（1400rpm）各缸主轴承载荷计算结果各缸主轴承载荷计算结果（1400rpm）止推主轴承载荷计算结果止推主轴承载荷计算结果（1400rpm）各曲柄轴承载荷计算结果各曲柄轴承载荷计算结果（1400rpm）各活塞销轴承载荷计算结果各活塞销轴承载荷计算结果（1400rpm）发动机转速发动机转速2300rpm工况载荷计算结果工况载荷计算结果各缸爆发压力计算结果（各缸爆发压力计算结果（2300rpm）各缸主轴承载荷计算结果各缸主轴承载荷计算结果（23
9、00rpm）止推主轴承载荷计算结果止推主轴承载荷计算结果（2300rpm）各曲柄轴承载荷计算结果各曲柄轴承载荷计算结果（2300rpm）各活塞销轴承载荷计算结果各活塞销轴承载荷计算结果（2300rpm）4.疲劳分析疲劳分析疲劳分析说明疲劳分析说明在前面有限元分析和在前面有限元分析和Adams载荷分析基础上，载荷分析基础上，进行疲劳分析；进行疲劳分析；采用采用s-n寿命预测法计算疲劳寿命；寿命预测法计算疲劳寿命；由于模型的材料信息不完全，这里采用近似由于模型的材料信息不完全，这里采用近似s-n曲线。曲线。模型上的载荷历程模型上的载荷历程施加在模型上的载荷已由施加在模型上的载荷已由MSC.Adam
10、s计算计算得出；得出；MSC.Fatigue 可将此计算结果文件导入，可将此计算结果文件导入，作为疲劳分析时的载荷历程。作为疲劳分析时的载荷历程。施加在各曲柄连杆连接处垂直方向的载荷历程施加在各曲柄连杆连接处垂直方向的载荷历程（六个位置处（六个位置处 一个周期一个周期）施加在各曲柄连杆连接处水平方向的载荷历程施加在各曲柄连杆连接处水平方向的载荷历程（六个位置处（六个位置处 一个周期一个周期）曲轴材料疲劳数据曲轴材料疲劳数据材料的疲劳特性曲线可通过查阅手册获材料的疲劳特性曲线可通过查阅手册获得；得；由于所提供的材料信息不完全，计算中由于所提供的材料信息不完全，计算中采用近似的采用近似的s-n曲线
11、（如下图）。曲线（如下图）。曲轴材料疲劳曲线曲轴材料疲劳曲线疲劳分析结果：旋转次数分布云图疲劳分析结果：旋转次数分布云图疲劳分析结果：最危险点处位置疲劳分析结果：最危险点处位置（绿色标志处）（绿色标志处）疲劳分析结果：危险点处寿命及损伤数据疲劳分析结果：危险点处寿命及损伤数据5.结论结论 MSC.Fatigue MSC.Fatigue 能在设计早期有效地预估零部件的寿命，实能在设计早期有效地预估零部件的寿命，实现优化设计；现优化设计；结合台架试验及样机试验，可对计算模型进行验证及修正；结合台架试验及样机试验，可对计算模型进行验证及修正；MSC.ADAMS/EngineMSC.ADAMS/Engine方便易用，可以快速建立发动机三维实方便易用，可以快速建立发动机三维实体模型；体模型；MSC.ADAMS/EngineMSC.ADAMS/Engine模型修改方便，在同一机型下可以做多模型修改方便，在同一机型下可以做多组发动机参数对比；组发动机参数对比；MSC.AdamsMSC.Adams所提供的载荷谱可以方便地导入到所提供的载荷谱可以方便地导入到MSC.FatigueMSC.Fatigue进行疲劳分析。进行疲劳分析。MSCMSC提供完善的疲劳分析解决方案，方便进行寿命分析；提供完善的疲劳分析解决方案，方便进行寿命分析；
