1、盡管傳統(tǒng)觀念認(rèn)為曲軸的疲勞破壞主要是彎曲疲勞形式，但是通過對(duì)近年來新型發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的曲軸疲勞故障斷口分析發(fā)現(xiàn):大多數(shù)都表現(xiàn)為典型的彎扭復(fù)合疲勞。說明目前柴油機(jī)高爆壓、輕量化對(duì)發(fā)動(dòng)力零部件疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方式都提出新的要求，傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計(jì)理念不能完全滿足現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)需求。本研究基于精確有限壽命設(shè)計(jì)理念，開展了以下幾項(xiàng)工作:
　　1.基于應(yīng)變能的多軸疲勞模型
　　雖然單軸疲勞壽命模型發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，但是大多數(shù)的機(jī)械零

2、部件都處于多軸應(yīng)力狀態(tài)下，而多軸疲勞壽命模型仍然有很多不完善之處。本研究對(duì)現(xiàn)有的疲勞壽命模型進(jìn)行了對(duì)比分析研究，發(fā)現(xiàn)由于和臨界面結(jié)合時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變模型都因缺乏嚴(yán)格的連續(xù)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)而飽受質(zhì)疑，因此針對(duì)目前常用疲勞模型的不足之處，提出了一種新的基于臨界面和總應(yīng)變能的多軸疲勞壽命模型。
　　分別針對(duì)正應(yīng)變能、剪應(yīng)變能以及總應(yīng)變能三個(gè)步驟進(jìn)行了推導(dǎo)。首先，在正應(yīng)變能推導(dǎo)過程中，鑒于SWT模型過分考慮最大應(yīng)力而忽略了應(yīng)力、應(yīng)變幅對(duì)疲勞壽命的

3、決定性作用，以及該模型沒有考慮正應(yīng)力在彈塑性階段的不同影響等幾點(diǎn)不足之處，結(jié)合Morrow模型對(duì)正應(yīng)變能部分進(jìn)行了優(yōu)化。然后，基于Glinka模型和Chen模型對(duì)剪應(yīng)變能部分進(jìn)行了改進(jìn)，考慮到Chen模型不但沒有體現(xiàn)平均剪應(yīng)力修正作用，更沒有考慮到存在的正應(yīng)力也會(huì)對(duì)純剪狀態(tài)下的裂紋的萌生產(chǎn)生影響，而Glinka模型沒有給出具體的壽命表達(dá)式。在剪應(yīng)變能部分的推導(dǎo)過程中不但考慮了平均剪應(yīng)力修正、以及純剪切狀態(tài)下的正應(yīng)力影響，還給出了基于剪應(yīng)

4、變能的具體壽命表達(dá)式。最后將正應(yīng)變能和剪應(yīng)變能部分進(jìn)行了結(jié)合，針對(duì)FS模型和VF模型的多軸非比例修正系數(shù)的不足，提出了新的多軸非比例修正系數(shù)，并最終確定了多軸比例/非比例疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。新模型還給出了具體的疲勞壽命Nf的表達(dá)式，并在Nf表達(dá)式中體現(xiàn)了平均應(yīng)力在彈塑性階段的不同修正。
　　為驗(yàn)證新模型的普遍適用性，分別用SNCM630、LY12CZ、Pure Titanium、Titanium Alloy BT9、7075-T65

5、1 Aluminum Alloy、Titanium Alloy TC4等多種材料在單軸拉壓、單軸扭轉(zhuǎn)以及多軸狀態(tài)等多種載荷形式下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)新模型進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果表明:新模型無論是在單軸拉壓、扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下，還是在多軸比例/非比例狀態(tài)下，除材料7075-T651 Aluminum Alloy因?yàn)樵囼?yàn)數(shù)據(jù)本身的分散性以及材料Titanium Alloy TC4中的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之外，其它所有的預(yù)測(cè)壽命都落在了試驗(yàn)壽命兩倍的

6、公差帶以內(nèi)，總體優(yōu)于目前常用的Manson-Coffin、SWT、KBM、Von.Mises、Chen、FS、VF等模型。
　　2.曲軸的疲勞試驗(yàn)研究
　　首先基于彎曲疲勞試驗(yàn)對(duì)幾種不同的試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明:當(dāng)試驗(yàn)樣本充足時(shí)，盡量用升降法進(jìn)行疲勞試驗(yàn);當(dāng)樣本數(shù)量少且時(shí)間緊迫時(shí)，可用疲勞極限統(tǒng)計(jì)法獲得稍微偏保守的結(jié)果;采用疲勞極限統(tǒng)計(jì)法時(shí)，103點(diǎn)法比QCI法能夠較小的改變樣本的分散性;三參數(shù)威布爾

7、分布為處理疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的最佳選擇。
　　然后，通過曲軸的一維軸系計(jì)算，對(duì)曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)載荷進(jìn)行了確定，以計(jì)算所得的最大動(dòng)扭矩作為扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)扭矩，進(jìn)行了曲軸的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)，并將彎曲疲勞試驗(yàn)的結(jié)果和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，在50％存活率下，研究用曲軸的彎曲疲勞載荷系數(shù)為2.0左右，扭轉(zhuǎn)疲勞載荷系數(shù)僅為1.75，這說明只進(jìn)行曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)是有待商榷的。由于動(dòng)扭矩產(chǎn)生的主要原因是扭振引起的，為了進(jìn)一步驗(yàn)證

8、動(dòng)扭矩的影響，對(duì)曲軸進(jìn)行了高爆壓的一維軸系計(jì)算，計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn):在19MPa和22MPa的高爆壓工況下，50％存活率下彎曲疲勞安全系數(shù)為1.9和1.64，扭轉(zhuǎn)疲勞安全系數(shù)為1.6和1.37。僅從彎曲疲勞試驗(yàn)的結(jié)果來看，即使爆壓由17.5MPa升高至22MPa曲軸仍基本滿足安全性要求;但是在19MPa爆壓下，曲軸的扭轉(zhuǎn)疲勞已經(jīng)不能滿足要求。這進(jìn)一步驗(yàn)證了扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)以及曲軸多軸疲勞研究的必要性。
　　3.淬火工藝對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度影

9、響的試驗(yàn)及計(jì)算研究
　　表面感應(yīng)淬火是目前鋼曲軸最常用的強(qiáng)化方式，如何將淬火強(qiáng)化作用正確的體現(xiàn)在曲軸的疲勞壽命預(yù)測(cè)中是非常重要的。
　　首先通過測(cè)試獲得曲軸的表面殘余壓應(yīng)力，并通過淬火和非淬火曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)對(duì)比獲得淬火強(qiáng)化系數(shù)。由于曲拐在試驗(yàn)條件下呈現(xiàn)為空間應(yīng)力狀態(tài)，因此對(duì)基于空間應(yīng)力張量的臨界面求解過程進(jìn)行研究，并編制成可以直接基于有限元結(jié)果求解臨界面的程序。然后基于試驗(yàn)載荷對(duì)曲拐進(jìn)行了有限元仿真并對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)

10、測(cè)中分別用殘余壓應(yīng)力修正平均應(yīng)力和直接使用試驗(yàn)所得淬火強(qiáng)化系數(shù)兩種方式來體現(xiàn)淬火效應(yīng)。計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比表明:用表面殘余應(yīng)力修正平均應(yīng)力的方法得到的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性更好。
　　4.曲軸工作狀態(tài)下的疲勞壽命預(yù)測(cè)
　　為求解曲軸在實(shí)際工作過程中的疲勞壽命，首先對(duì)動(dòng)態(tài)隨機(jī)載荷的處理方法進(jìn)行了研究，確定了三點(diǎn)雨流法作為隨機(jī)載荷處理方法。由于曲軸在工作過程中不僅為空間應(yīng)力狀態(tài)，其應(yīng)力張量還是隨時(shí)間變化的，因此在空間應(yīng)力

11、臨界面求解程序的基礎(chǔ)上，又對(duì)空間動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)下的臨界面的求解過程進(jìn)行了改進(jìn)，并編制成可以直接對(duì)曲軸動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行求解的程序。最后，提取曲軸動(dòng)應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果，運(yùn)用新的疲勞壽命模型、空間動(dòng)應(yīng)力臨界面求解程序、隨機(jī)載荷處理的雨流方法以及淬火效應(yīng)修正方法對(duì)曲軸疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。在求得曲軸50％存活率下疲勞壽命的基礎(chǔ)上，還引入分散度的概念計(jì)算了曲軸在各存活率下的疲勞壽命。計(jì)算結(jié)果為:在99.99％存活率要求下，各轉(zhuǎn)速下曲軸都能夠滿足107循環(huán)壽