基于FEMFAT的曲轴疲劳分析

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摘要：分别采用简化法、协同法对某船用柴油机曲轴疲劳分析方法进行研究。根据FKM 标准建立疲劳分析模型，在进行曲轴疲劳计算时，均考虑了应力梯度、平均应力、加工工艺、可靠性等因素的影响。计算出曲轴疲劳安全系数和应力幅值。结果表明简化法计算出的最小安全系数和应力幅值略大于协同法。关键词：柴油机；曲轴；FEMFAT;FKM

The fatigue an alysis for a marine diesel crankshaft based on FEMFAT

WANG Kui,LIU Lijun,ZHANG Qiongyu

Abstract: The fatigue an alysis methods for a marine diesel crankshaft were studied by respectively using the simplified method and collaborative method.According to FKM standard,the fatigue ana lysis models were established,during the crankshaft fatigue calculation,stress gradients,mean stress,processing technology, reliability,and other influence factors were considered in both simplified method and collaborative method.The safety factor and stress amplitudes were calculated.The results show that the safety factor and stress amplitudes calculated by the simplified method is slightly greater than the collaborative method.

Key words: marine diesel engine;crankshaft;FEMFAT;FKM

0 概述

FEMFAT 是一套面向工程开发的疲劳强度分析和优化的软件，在各行业的应用相当广泛。本文基于 FEMFAT的基础BASIC 模块以及CHANNELMAX 模块分别对某船用柴油机曲轴进行了疲劳分析，这两个模块分别对应简化法和协同法。对于简化法，利用理论公式计算出关键工况下的载荷；对于协同法，采用 VIRTUAL ENGINE 动力学分析软件提取一个周期内的载荷历程。根据FKM标准建立疲劳分析模型进行曲轴疲劳计算时，简化法和协同法均考虑了应力梯度、平均应力、加工工艺、可靠性等因素的影响，经过计算分别得出两种方案的疲劳结果。

1有限元模型

1.1 网格模型

本模型包含61494个单元，其中四面体44364个，楔形单元17130个，单元类型分别为C3D10I和C3D15, 并对曲柄销和主轴颈处分别耦合，有限元模型如图2所示。

1.2 材料

论文中船用柴油机曲轴的材料牌号为31CrMov9, 在 FEMFAT 的材料库中找到相应的材料，修改极限强度和屈服强度，软件自动将其他相应参数得出，主要参数如下：杨氏模量为2.11e5Pa, 泊松比为0.3,极限强度为900MPa, 屈服强度为690MPa; 疲劳极限为405MPa, 疲劳循环极限为2e6 次，S/N曲线斜率为12。

1.3载荷

1)简化计算载荷

根据《船舶内燃机设计》手册第二章中内燃机零部件的强度及强度计算基础，计算出气体爆压时曲轴最大受压工况以及在上止点时曲轴最大受拉工况。经计算得出最大爆压工况曲轴承受压力为3140000N,

最大受拉工况曲轴承受拉力为437108.4N。在加载时，将耦合点CP2 固定，分别在耦合点CP1处施加压力和拉力。耦合点CP1 和 CP2 见图2。

2)协同仿真分析载荷

在动力学软件VIRTUAL ENGINE 中以图3缸压曲线作为输入条件，并确定点火顺序，对曲轴系统进行动力学仿真。然后，根据多体动力计算结果，提取曲柄销及主轴颈处的载荷历程，提取的各通道载荷如图4所示。

2 疲劳模型

本文中曲轴的材料为31CrMov9, 其 S-N曲线表达式如下：

(1)

式中：Oaf,c为疲劳强度极限，K。为曲线斜率，Nefc为极限循环次数。

基于影响因子的疲劳安全系数分析，根据FKM标准，考虑到应力梯度、平均应力、加工工艺、可靠性等因素的影响，对 SN 曲线的三个参数：Oaf,c、Kc、Nefc进行修正。

首先，对于疲劳强度极限oa,c 进行修正时，考虑到交变应力极限、表面处理、几何尺寸、温度、统计影响、应力梯度、平均应力等影响因子。其次，对于曲线斜率进行修正时，考虑到交变载荷、材料参数、应力梯度、表面粗糙度/锻造、平均应力等影响因子。最后，对极限循环次数Nefc进行修正时，考虑到局

部SN 曲线、热机械参数、平均应力、局部 S/N 曲线极限疲劳强度、材料受拉力/压力的交变应力极限等影

响因子。根据FKM 标准，选取的主要参数有：表面粗糙度Rz=3.2μm, 统计学影响90%,表面采用渗氮处理，影响数值为1.30。其余参数由软件FEMFAT根据FKM 经验公式自动算出。

3 结果分析与讨论

3.1 简化计算结果

简化载荷进行分析时，考虑了在活塞上止点时曲轴受最大拉力工况以及在爆压力时曲轴最大受压。计算结果如图6所示。在惯性力工况，如图5(1)所示，可以看出曲轴有向上拉伸趋势，在曲柄销与曲柄臂相交圆角处出现最大拉应力。在爆压力工况，如图5(2)所示，曲轴有被向下压缩趋势，在曲柄销与曲柄臂相连处的圆角处出现最大的压应力。经过计算得出应力幅值，如图5(3)所示，可以看出在曲柄销与曲柄臂相连的圆角处应力幅值最大。

将有限元计算结果导入疲劳分析软件得到疲劳应力结果。图中白颜色的区域就是应力幅值变化很小的区域，从图6中看出该区域为疲劳安全系数较大的位置，这与实际情况相符。从疲劳分析结果云图中可以看出在曲柄销和曲柄臂连接的区域是危险区域，该处疲劳安全系数较低，最小安全系数在节点480处，值为2.7957,该点也是应力计算中应力变化最大的节点。

3.2 协同仿真分析计算

先计算出七个通道对应的单位载荷应力，做为疲劳计算的输入条件。同时将七个通道对应的载荷谱进行输入。根据线性叠加，可以得到曲拐的实际应力结果。再根据曲轴一个周期内的实际应力结果，作为疲劳分析的应力曲线，计算出曲轴疲劳安全系数。从图7中可以看出，最危险的区域也在主轴颈、曲柄销与曲柄臂的连接圆角处。相应的在480号节点处出现最大应力幅值144.4MPa, 最小安全系数2.6171。

3.3 结果对比分析

通过图6和图7可以清楚的看到两种不同载荷提取方案对应的疲劳安全系数的结果对比。由两者的结果云图可以看出，危险区域都在曲柄销、主轴颈和曲柄臂的连接圆角部分。其中最危险的区域为曲柄销和曲柄臂的内侧连接圆角。从区域的范围来看，简化的方案得到的疲劳危险区域较小，而根据全载荷周期计算疲劳结果的区域范围较大。

简化法和协同法计算出最小安全系数分别为2.7957和2.6172,且都是480号单元出现最小安全系数。两个结果相差6.6%。应力幅值分别为156MPa和144.4MPa, 简化法计算出应力幅值大于协同法。可见，在设计初期使用简化法对曲轴进行疲劳安全系数的预测是可行的，在详细设计阶段可以使用协同法对疲劳性能进行研究。

4 结论

(1)基于FEMFAT中BASIC 模块和 CHANNELMAX模块，并根据FKM 标准建立疲劳模型对曲拐进行了疲劳分析。

(2)简化法计算出最小疲劳安全系数为2.7957,协同法计算出最小安全系数为2.6171,均在480号节点处，两者结果相差6.6%。

(3)简化法和协同法计算曲轴疲劳所采用的疲劳分析原理相同，只是在工况选取上有些差异，协同法考虑到全载荷周期的工况，简化法采用关键工况模拟出全载荷周期。

(4)在设计初期使用简化法对曲轴进行疲劳安全系数的预测是可行的，在详细设计阶段可以使用协同法对疲劳性能进行研究。

(5)通过对曲轴疲劳分析方法的研究，能更好的通过有限元分析指导设计，缩短研发周期。

参考文献：

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FEMFAT 疲劳分析软件全球用户使用情况

1麦格纳斯太尔工程中心概述22FEMFAT全球用户–工业界22.1FEMFAT全球用户22.2FEMFAT全球用户大会33FEMFAT工程案例列举33.1白车身33.2驾驶室53.3大梁及其零部件63.4变速箱及其传动系统103.5齿轮133.6发动机及其零部件133.7曲轴和连杆163.8底盘零部件183.9其它零部件191麦格纳斯太尔工程中心概述麦格纳国际www.magna.com是麦格纳动力总成集团的母公司，为全球范围内的第三大汽车零部件生产制造商，截至2007年底，该公司营业额约300亿美元。截至2007年职工人数为8万3千多人。麦格纳动力总成集团职工人数为1万1千多人，创销售额34个亿美元。麦格纳于1998年收购了80年代初与原重汽公司合作过长达二十年之久的斯太尔工程技术中心。该公司原为欧洲著名的商用车制造商，其商标为中国家喻户晓众人皆知的斯太尔商标，生产的商用车已在中国本土曾处处可见。现斯太尔工程技术中心将工作重心由原来以生产为主转移到现在以研发为主。目前有雇员415人，中心的研发部门有系统传动工程、发动机工程、发动机零部件、车辆工程、工程技术中心和生产部门。其中的工程技术中心可对整车、零部件及系统集成提供仿真计算和试验，包括多体动力学分析、有限元仿真、整车热平衡管理、驾驶性仿真、流体计算、CAD/CAM支持、产品工程数据管理、PLM/EDM服务以及CAD设计。公司设计出的软件凝聚了公司几十年来的生产制造经验积累和沉淀，原来主要服务生产，如FEMFAT这个疲劳分析软件。通过和零部件厂商的不断接触，总结了大量的宝贵经验并可提供客户所需的数据库，该FEMFAT软件还将通过公司工程技术人员的不断努力进行不断的完善。2FEMFAT全球用户–工业界2.1FEMFAT全球用户2.2FEMFAT全球用户大会3FEMFAT工程案例列举这些工程案例均为斯太尔工程中心与各大汽车厂商紧密合作，应用FEMFAT对整车及零部件进行疲劳分析。在客户的应用中他们深刻的体会到这套软件的优越性：FEMFAT是一套面向工程开发的疲劳强度分析和优化的软件，凝聚ECS多年的工程开发实际经验，并经过大量用户的使用验证，其算法不仅可行，而且结果可靠。软件考虑了各种各样的疲劳强度影响因素，尽可能真实地反映实际构件的受力状态，提供可信的分析预测结果，便于工程师在产品设计的早期阶段预测评估，从而加速产品的开发过程，降低产品的开发成本，提高产品的开发质量。经过多年的项目合作与产品开发，在产品的结构强度分析方面，ECS积累了大量的数据和经验，能够根据用户需求建立结构强度分析、评价和优化的一整套系统化流程。ECS是专业的汽车开发技术工程中心，有一支世界上一流的专业化产品研究开发应用的队伍与一流的基础结构强度实验室，FEMFAT软件功能正不断扩展和增强，快速响应用户新的不同需求.FEMFAT软件与其它FE软件具有很好的集成性,操作简单,易学易用.3.1白车身日本某客户SUV：此项目采用路谱方法对白车身和底盘大梁架的基础材料、焊缝和焊点进行FEMFAT疲劳损伤值计算。3.2驾驶室某重卡：此项目采用路谱采集对驾驶室的基础材料、焊缝和焊点进行FEMFAT疲劳损伤值计算。3.3大梁及其零部件3.4变速箱及其传动系统MPT电动后驱变速模块：此项目对电动后驱变速模块eRDM进行有限元和FEMFAT疲劳分析。3.5齿轮3.6发动机及其零部件福特汽车4缸直列发动机：此项目应用FEMFATNVH模块对2款4缸直列发动机进行声学特性分析。3.7曲轴和连杆GEJenbacherJ320发动机曲轴：此项目对J320发动机（20气缸V70º)的曲柄在1000到2000转/分钟范围内进行共振分析和FEMFAT疲劳强度分析。奥迪V6发动机曲轴：此项目对V6发动机曲柄在1000到4700转/分钟范围内进行共振分析和FEMFAT疲劳强度分析。3.8底盘零部件3.9其它零部件某型泵体：此项目对泵体进行有限元和FEMFAT疲劳安全系数分析计算。免责声明：本页面/内容部分素材来源于互联网公开信息，旨在传递更多信息，不代表本平台立场。版权归原作者或机构所有，如涉及侵权，请通过平台联系我们，我们将在核实后第一时间处理。本平台对转载内容的真实性、准确性不作任何保证，用户需自行判断并承担使用风险。