MSC柴油发动机曲轴疲劳分析示例

一、MSC疲劳分析简介

1. 柴油发动机疲劳分析特点

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；柴油发动机曲轴疲劳属于高周疲劳问题，适合使用s-n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历程。

2. 疲劳分析步骤

a. 利用有限元分析软件(本例采用MSC.Nastran)，得到模型的应力/应变分布；

b. 利用MSC.Adams ，得到作用在模型上的载荷历程；

c. 利用MSC.Fatigue ，进行模型的疲劳分析。

疲劳分析前，模型的应力/应变分布情况利用有限元分析得到；本题使用MSC.Patran、MSC.Nastran进行模型的应力/应变分析。

MSC.Patran读入原始的三维CAD模型，进行有限元分析的前处理；模型共划分136,713个四面体单元（如下图所示）。

发动机曲轴有限元网格图

2. 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；共定义12个工况；下图所示为其中一个工况下的约束和载荷情况。

一个载荷工况的边界条件

模型应力在各工况下分别计算；共得到12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

各水平载荷工况下应力结果云图

三、载荷历程计算

利用MSC.ADAMS 2005/Engine对模型进行仿真分析；从分析结果，得出疲劳分析所需的载荷历程。

初始计算条件如下：

MSC.ADAMS/Engine模型如图：

计算模型如图：

计算模型组成如下：

计算工况：发动机转速：1400rpm；发动机转速：2300rpm

发动机转速1400rpm工况载荷计算结果如下：

各缸爆发压力计算结果（ 1400rpm ）如下：

各缸主轴承载荷计算结果（ 1400rpm ）如下：

止推主轴承载荷计算结果（ 1400rpm ）如下：

各曲柄轴承载荷计算结果（ 1400rpm ）如下：

各活塞销轴承载荷计算结果（ 1400rpm ）如下：

发动机转速2300rpm工况载荷计算结果如下图：

各缸爆发压力计算结果（ 2300rpm ）如下：

各缸主轴承载荷计算结果（ 2300rpm ）如下：

止推主轴承载荷计算结果（ 2300rpm ）如下：

各曲柄轴承载荷计算结果（ 2300rpm ）如下：

各活塞销轴承载荷计算结果（ 2300rpm ）如下：

四、疲劳分析

在前面有限元分析和Adams载荷分析基础上，进行疲劳分析；采用s-n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s-n曲线。

施加在模型上的载荷已由MSC.Adams计算得出；MSC.Fatigue 可将此计算结果文件导入，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（六个位置处  一个周期 ）

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  一个周期 ）

材料的疲劳特性曲线可通过查阅手册获得；由于所提供的材料信息不完全，计算中采用近似的s-n曲线（如下图）。

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：最危险点处位置（绿色标志处）