摘 要

在柴油机中，曲轴是举足轻重的部件，他很大程度上决定了机体运行的可靠性和使用寿命。随着工况条件越来越恶劣，曲轴所受交变应力越来越复杂，成为了柴油机的设计和开发中的难点。研究柴油机曲轴的疲劳强度可以显著减少开发时间。由于传统算法的局限性，本文以4120sg柴油机曲轴为研究对象，利用动力学仿真技术和有限元分析法，在额定工况下，对曲轴的疲劳特性进行分析。

首先在ADAMS中建立子系统，进行装配，随后建立刚性模型，用柔性体替换刚性体，建立刚柔混合模型，通过数据处理得出轴承所受载荷和交变应力情况。在通过数据恢复将曲轴等受力情况返回到ANSYS中得到曲轴的受力云图，得出最容易疲劳破坏的部位。再通过疲劳分析软件fe-safe对曲轴进行疲劳分析，得出曲轴的安全系数值，然后把模拟的曲轴S-N曲线和查阅资料得到的实验数据对比，使软件模拟的结果得到验证。

关键词：柴油机 曲轴 疲劳 ADAMS

Abstract

The crankshaft is the most important part in the diesel engine. The reliability and the lifetime of diesel engine are depend on the status of crankshaft a lot. Along with the work condition of crankshaft become worse and worse, the force on the crankshaft can also change to more complex. So this can be the biggest difficulty in the design of diesel engine. The study on the fatigue strength of the diesel engine crankshaft can help reduce the time on exploitation. According to the local of traditional arithmetic, my assignment will make the model of 4120sg diesel engine, then use the kinetic analysis and finite element theory to analysis the model. In the specific work condition, analysis the fatigue strength of crankshaft.

At first, establish the subsystem in ADAMS, assembly part, build the rigid model. Then analysis the rigid model. Use the flex crankshaft replace the rigid one, build the rigid-flex mix model. So we can get the force on the crankshaft. Use the data processing of these force in ANSYS， analysis it. Import the result into the fatigue analysis program--fa-safe 6.4, we know the most fragile part of crankshaft, the assurance factor and the S-N curve. Make a comparison the real curve with the simulation curve, make sure our result right.

Key Words：diesel engine crankshaft fatigue ADAMS

目录

第一章 绪论 1

1.1研究的目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究 2

1.3 本文的研究内容和研究方法 2

第二章 曲轴模型的建立 4

2.1建模过程概要 4

2.2 曲轴的柔化处理 5

第三章 在ADAMS中的动力学分析 7

3.1 ADAMS软件介绍 7

3.2 多体系统动力学理论 7

3.2.1 多刚体系统力学 7

3.2.2多柔性体系统力学 9

3.3在ADAMS中建刚性模型 12

3.4 刚柔混合模型的系统仿真分析 16

第四章 曲轴疲劳分析 20

4.1 FE-SAFE软件介绍 20

4.2 疲劳强度理论 21

第五章 总结和展望 23

5.1主要工作和总结 23

5.2日后工作的展望 23

参考文献 24

致谢 26

第一章 绪论

1.1研究的目的及意义

柴油机作为动力设备被广泛应用于交通、航天、军事等方面，由于其功率大、比重小、热效率高的特点，现已在机械领域占有举足轻重的地位。而随着现在科学的发展和研究的不断深入，人们对柴油机性能和可靠性也越来越高，工作环境也越来越苛刻，有时候柴油机的工作的好坏直接决定了整个机械的工作效果。而曲轴作为柴油机中最重要的部件，它的强度和可靠性是决定柴油机寿命的主要因素，所以柴油机的寿命一般由曲轴疲劳强度决定。^[1]据相关部门统计，一般柴油机的曲轴破坏率达到3~5%，高负荷曲轴的破坏率甚至达到13%，而随着柴油机负荷的增压和高功率化，这个数据还会持续上升，这就对柴油机曲轴提出了更高的强度要求，这里所提到的强度就是疲劳强度。

ISO 国际标准化组织在1960年，发表了一篇报告，其中中对“疲劳”一词定义：“金属材料在应力或应变反复地作用下所发生的性能变化叫做疲劳”；一般情况下，这个词语特指那些导致材料开裂或破坏的性能变化^[2]。曲轴在内燃机工作过程中，承受着周期性不断变化的燃气压力、曲柄连杆系统往复和旋转运动质量惯性力，以及由其产生的弯矩和扭矩的共同作用，这些复杂的载荷使曲轴既承受扭转作用又承受弯曲作用，会产生疲劳应力状态。根据相关统计，疲劳破坏在失效零部件中约占 50%~90%。不同于静强度失效的是，零件疲劳失效很突然，通常表现为低应力脆断，这种破坏有无法预测的特点，很容易造成人身伤害和经济损失，极具危害性^[3]。若曲轴疲劳失效，轻则停机停工，重则导致柴油机被破坏，甚至造成人身伤害。因此对于曲轴的疲劳强度的研究就显得尤为重要。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

在疲劳强度研究的初期，人们用的是实验研究方法，早期由于没有计算机，所以都是用实物进行实验研究。1829 年前后，德国矿业工程师 W.A.J.A1bert 对铁制链条进行了反复的加载试验，以此来检验链条的强度，然后整合了关于金属疲劳问题的研究报告，人类对于疲劳强度的研究由此开始。^[4] 1852年到 1870 年间，德国工程师Wöhler 进行了大量重复变应力的疲劳试验，并且首次提出了“耐久极限”的这个概念，后来为了纪念他为疲劳强度研究做的贡献，人们把S-N曲线又称为Wöhler 曲线。^[5]近几年国外的X Chen，X Yu在自定义的实验平台上模拟仿真了曲轴工作的物理条件，对单独的模型拟合结果进行评估，结果表明三参数的韦伯模型拟合的情况最好^【6】；W Li，Q Yan对空气压缩机的曲轴进行实验研究，结果表明曲轴的裂纹基本原因都是疲劳断裂，曲轴所收的高负荷弯曲力矩是曲轴疲劳失效的诱因^【7】；G Çevik，Z Tuncali，ET Duran综述了研究角轧制负荷、切边半径、腹板厚度对曲轴的影响，通过对两组合金钢进行几组不同的符负荷，选定设计范围内的最佳条件，采用楼梯式实验法，最终得到两组工况的疲劳极限^【8】；ZM Wang，PM Lv在实验的数据上进行数据回归分析，用八个实验统计的数据进行评估，其中六组能很好的拟合，效果最好的是三参数韦伯分布^【9】

1.2.2 国内研究