諧振式曲軸彎曲疲勞試驗系統(tǒng)的動態(tài)測試及計算

1、論文導(dǎo)讀:：盡管諧振式曲軸彎曲疲勞試驗獲得了廣泛的應(yīng)用，但其動力學(xué)特性仍有待深入研究。首先對試驗系統(tǒng)簡化模型進行理論分析，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、頻率比對其影響。然后對試驗系統(tǒng)進行模態(tài)測試，得到了16階非剛體模態(tài)的固有頻率、振型和阻尼比。進一步建立試驗系統(tǒng)有限元模型進行模態(tài)分析，并利用模態(tài)測試結(jié)果驗證了有限元計算的有效性。在此基礎(chǔ)上采用模態(tài)疊加法進行曲軸彎曲疲勞試驗瞬態(tài)動力學(xué)計算，得到系統(tǒng)位移響應(yīng)，并討論了瞬態(tài)響應(yīng)的形式及其對疲勞試驗結(jié)果的影響。最后通過模態(tài)擴展計算得到圓角危險截面圓弧上各點在疲勞試驗過程中的彎曲正應(yīng)力幅值。發(fā)動機不斷向高速化、高強化發(fā)展，對曲軸彎曲疲勞強度

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械零件特殊，現(xiàn)代發(fā)動機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化措施，給其疲勞強度研究帶來很大困難?？紤]到曲軸在發(fā)動機中的重要性，生產(chǎn)商和科研人員廣泛采用了彎曲疲勞試驗來測定曲軸的疲勞強度和進行相關(guān)研究。近年來開展了大量與諧振式曲軸彎曲疲勞試驗相關(guān)的研究工作。Spiteri PV等3對諧振式曲軸彎曲疲勞試驗的失效準則進行了試驗研究，并探索了表面裂紋準則、剛度變化準則和完全斷裂準則之間的關(guān)系；Yu V等4通過試驗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進一步提出了掃頻法，用于對諧振式曲軸

3、彎曲疲勞試驗中的裂紋擴展速率進行檢測；周迅等67還對諧振式彎曲疲勞試驗的載荷標定及數(shù)據(jù)處理方法進行了深入研究。這些工作集中于疲勞試驗的方法及應(yīng)用，而對諧振式曲軸彎曲疲勞試驗本身的動力學(xué)特性涉及較少。目前關(guān)于試件音叉系統(tǒng)的受迫振動分析仍停留在兩自由度簡化模型穩(wěn)態(tài)解的理論計算上，而實際系統(tǒng)是一個復(fù)雜的三維連續(xù)體結(jié)構(gòu)，具有無窮多個自由度瞬態(tài)，其振動特性更為復(fù)雜，另外對于音叉系統(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。阻尼值對受迫振動響應(yīng)有重要影響，但目前對于試件音叉系統(tǒng)的阻尼參數(shù)仍缺少定量的研究。疲勞試驗過程中曲軸圓角危險位置的應(yīng)力應(yīng)變歷程一般通過粘貼應(yīng)變片測量得

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位置局部的應(yīng)力應(yīng)變進行，不能得到圓角準確的應(yīng)力應(yīng)變將嚴重制約曲軸彎曲疲勞設(shè)計水平龍源期刊。本文針對目前諧振式曲軸彎曲疲勞試驗研究中的局限，首先推導(dǎo)得出音叉系統(tǒng)相應(yīng)的兩自由度簡化模型在受迫振動時瞬態(tài)位移響應(yīng)理論解的形式；然后針對1015柴油機曲軸單拐試件音叉系統(tǒng)進行模態(tài)測試，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行音叉系統(tǒng)模態(tài)計算，并通過模態(tài)測試結(jié)果對有限元模型的正確性進行了驗證?；谀B(tài)計算的結(jié)果和模態(tài)測試得到的各階模態(tài)阻尼比，利用模態(tài)疊加法進行了音叉系統(tǒng)受迫振動的瞬態(tài)動力學(xué)有限元分析，得到任一點處的位移響應(yīng)，討論了振動開始階段瞬態(tài)響應(yīng)的特點及其對疲勞試驗的影響。進一步進行模態(tài)擴展計算，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)簡化模型的理論解若只考慮音叉系統(tǒng)的簡單彎曲振動，可以將其簡化為一個兩自由度受迫振動系統(tǒng)，如圖2所示。其中J為兩個擺臂繞各自振動中心的轉(zhuǎn)動慣量，φ1、φ2分別為兩個擺臂的轉(zhuǎn)角，且有瞬