弯曲疲劳载荷下曲轴剩余强度的简化试验模型

弯曲疲劳载荷下曲轴剩余强度的简化试验模型

周迅, 俞小莉, 李迎(浙江大学机械与能源工程学院, 浙江杭州310027)

摘要: 剩余强度模型在描述试件的动态疲劳行为方面是一种比较切合实际的方法。但对于曲轴这一类结构较复杂的构件,进行常规的剩余强度试验往往比较困难,为此提出了一种基于简化模型的动态信息跟踪方法的剩余强度试验研究方法。该模型建立在对谐振式弯曲疲劳试验台的振动分析和试件疲劳裂纹扩展的断裂力学分析之上。为探讨这种模型的可行性,根据韧性材料曲轴疲劳裂纹发展的特点,建立了简化量化关系并给出了量化分析的实例。
关键词: 动力机械工程; 内燃机; 可靠性; 剩余强度; 疲劳试验; 曲轴

　　中图分类号: TK427 文献标志码: A 文章编号: 100021093 (2006) 0420712204
Test Model for Investigating the Residual Strength Degeneration
Regularity of Crankshaf t Serving on Bending Fatigue Load
ZHOU Xun , YU Xiao2li , L I Ying
(College of Mechanical and Energy Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310027 , Zhejiang , China)
Abstract : Residual st rength model is a proper methodology to describe the dynamic fatigue behavior of mechanical component . But it is always difficult to get the residual st rength model of some component swith complicated st ructure , such as engine crankshaft . In order to achieve the investigation , an experimental residual st rength model based on simplified model and dynamic information t racing technology was brought forward. The model is based on modality analysis of the resonant test machine for crankshaft and fracture mechanics analysis of crack expanding behavior. To estimate the feasibility of the method , a simplified quantified study model was also built up according to some experiential knowledge of crankshaft’s fracture expanding characters. A sample investigation using the method was presented at last .
Key words : power mechanical engineering ; engine ; reliability ; residual st rength ; fatigue test ;
crankshaft
　剩余强度模型是近年发展起来的一种基于应力- 强度干涉模型建立的构件疲劳可靠性研究方法。
由于其天然的破坏准则, 剩余强度模型受到国内外众多研究者的重视[1 – 4 ] 。大量研究表明, 该模型在构件疲劳行为的动态特性描述以及构件可靠性分析方面有一定的意义。
同常规的材料剩余强度理论和试验研究相比,某些特殊的构件,如发动机曲轴,因具有特殊结构并往往经过一些特殊工艺的处理, 其剩余强度退化规律必然表现出较大的差异。而通常应用于材料疲劳特性研究的试验手段, 往往也不宜在这类造价较高的特殊构件上面使用。鉴于这种情况, 针对韧性材料曲轴提出了一种简化试验模型, 并在谐振式弯曲
疲劳试验系统[5 ]进行弯曲疲劳试验过程中, 采用试验台激振响应动态信息跟踪方法, 对试件的剩余强度进行了试探性的试验研究。本文着重讨论了该试验方法的原理,并根据试验结果对该方法的可行性进行了分析。

1 　剩余强度的表述
在疲劳载荷作用下,构件内部的裂纹扩展导致其性能恶化,外在表现为构件抵抗外界载荷的能力下降。这种抵抗能力在唯象上可以用剩余强度(Residual St rength) 来描述。构件在经过n 次疲劳循环之后的安全余量方程为MR = R ( n) – S ( n) > 0 ,
式中: R ( n) 即为构件经过n 次循环时的剩余强度;S ( n) 为疲劳载荷; MR 为相应的安全余量。

…

4 　小结
实例分析表明:这种基于简化模型和动态信息跟踪的剩余强度试验方法能够在一定程度上反映构件的疲劳行为特征。但本文应用的加速度跟踪方法,对于该振动系统来说还是比较粗糙的。为提高量化研究精度,需要进一步提高动态信息跟踪的精度并丰富跟踪信息的类型,以综合的、准确的反映其振动响应的变化特性, 从而在此基础上提高剩余强度动态试验方法的精度。