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1、MSC柴油发动机曲轴疲劳分析示例,MSC北京办事处,MSC柴油发动机曲轴疲劳分析示例 MSC北京办事处,内容,MSC疲劳分析简介应力/应变分析载荷历程计算疲劳分析结论,内容MSC疲劳分析简介,MSC疲劳分析简介,MSC疲劳分析简介,柴油发动机曲轴在旋转时，承受周期载荷，因此设计时必须考虑疲劳破坏因素；柴油发动机曲轴疲劳属于高周疲劳问题，适合使用s-n方法预测寿命；疲劳分析必须首先确定模型的载荷分布与载荷历程。,柴油发动机疲劳分析特点,柴油发动机曲轴在旋转时，承受周期载荷，因此设计时必须考虑疲劳,疲劳分析步骤：利用有限元分析软件(本例采用MSC.Nastran)，得到模型的应力/应变分布；利用M
2、SC.Adams ，得到作用在模型上的载荷历程；利用MSC.Fatigue ，进行模型的疲劳分析。,MSC公司提供完善的疲劳分析解决方案,疲劳分析步骤：MSC公司提供完善的疲劳分析解决方案,MSC疲劳分析流程,MSC.NASTRAN 有限元分析 MSC.FATIGUE 疲劳寿命分析MSC.ADAMS 载荷历程计算,MSC疲劳分析流程,应力/应变分析,应力/应变分析,模型上的应力/应变分布,疲劳分析前，模型的应力/应变分布情况利用有限元分析得到；本题使用MSC.Patran、MSC.Nastran进行模型的应力/应变分析。,模型上的应力/应变分布疲劳分析前，模型的应力/应变分布情况利,应力/应变
3、分析,MSC.Patran读入原始的三维CAD模型，进行有限元分析的前处理；模型共划分136,713个四面体单元（如下图所示）。,应力/应变分析MSC.Patran读入原始的三维CAD模型，,发动机曲轴有限元网格图,发动机曲轴有限元网格图,载荷工况与边界条件,模型在不同位置处分别承受垂直载荷与水平载荷，对应不同的的工况，在各工况下施加约束条件与单位载荷；共定义12个工况；下图所示为其中一个工况下的约束和载荷情况。,载荷工况与边界条件模型在不同位置处分别承受垂直载荷与水平载荷,一个载荷工况的边界条件,为轴承处约束 为联结处载荷,一个载荷工况的边界条件 为轴承处约束,有限元分析结果,模型应力在各工
4、况下分别计算；共得到12个结果工况，应力云图见下图。,有限元分析结果模型应力在各工况下分别计算；,各垂直载荷工况下应力结果云图,各垂直载荷工况下应力结果云图,各水平载荷工况下应力结果云图,各水平载荷工况下应力结果云图,载荷历程计算,载荷历程计算,载荷历程计算,利用MSC.ADAMS 2005/Engine对模型进行仿真分析；从分析结果，得出疲劳分析所需的载荷历程。,载荷历程计算利用MSC.ADAMS 2005/Engine对,初始计算条件,发动机夹角：发火夹角120度点火顺序：1-5-3-6-2-4活塞行程：135mm缸间距：135mm缸径：113mm有效连杆长度：217mm轴承数目：7曲柄轴
5、承直径：75mm曲柄轴承长度：42mm主轴承直径：100mm主轴承长度：37mm止推轴承位置：第七主轴承档活塞销直径：45mm活塞销长度：92mm发动机爆发压力曲线见两个EXCEL文件，分别为1400转/分和2300转/分的工况。曲轴材料：42CrMoA弹性模量：2.06E5MPa，泊松比：0.3，强度极限：1080MPa，屈服极限：930MPa,初始计算条件发动机夹角：发火夹角120度,MSC.ADAMS/Engine模型,MSC.ADAMS/Engine模型,计算模型,计算模型,计算模型组成,44 Moving Parts (not including ground)12 Point_ma
6、sss1 Cylindrical Joints5 Revolute Joints12 Spherical Joints19 Fixed Joints5 Hooke Joints1 Atpoint Primitive_Joints25 Inline Primitive_Joints8 Inplane Primitive_Joints1 Orientation Primitive_Joints12 Parallel_axes Primitive_Joints8 Perpendicular Primitive_Joints5 Motions,计算模型组成44 Moving Parts (not in
7、c,计算工况,发动机转速：1400rpm发动机转速：2300rpm,计算工况发动机转速：1400rpm,发动机转速1400rpm工况载荷计算结果,发动机转速1400rpm工况载荷计算结果,各缸爆发压力计算结果（ 1400rpm ）,各缸爆发压力计算结果（ 1400rpm ）,各缸主轴承载荷计算结果（ 1400rpm ）,各缸主轴承载荷计算结果（ 1400rpm ）,止推主轴承载荷计算结果（ 1400rpm ）,止推主轴承载荷计算结果（ 1400rpm ）,各曲柄轴承载荷计算结果（ 1400rpm ）,各曲柄轴承载荷计算结果（ 1400rpm ）,各活塞销轴承载荷计算结果（ 1400rpm ）,
8、各活塞销轴承载荷计算结果（ 1400rpm ）,发动机转速2300rpm工况载荷计算结果,发动机转速2300rpm工况载荷计算结果,各缸爆发压力计算结果（ 2300rpm ）,各缸爆发压力计算结果（ 2300rpm ）,各缸主轴承载荷计算结果（ 2300rpm ）,各缸主轴承载荷计算结果（ 2300rpm ）,止推主轴承载荷计算结果（ 2300rpm ）,止推主轴承载荷计算结果（ 2300rpm ）,各曲柄轴承载荷计算结果（ 2300rpm ）,各曲柄轴承载荷计算结果（ 2300rpm ）,各活塞销轴承载荷计算结果（ 2300rpm ）,各活塞销轴承载荷计算结果（ 2300rpm ）,疲劳分析
9、,疲劳分析,疲劳分析说明,在前面有限元分析和Adams载荷分析基础上，进行疲劳分析；采用s-n寿命预测法计算疲劳寿命；由于模型的材料信息不完全，这里采用近似s-n曲线。,疲劳分析说明在前面有限元分析和Adams载荷分析基础上，进行,模型上的载荷历程,施加在模型上的载荷已由MSC.Adams计算得出；MSC.Fatigue 可将此计算结果文件导入，作为疲劳分析时的载荷历程。,模型上的载荷历程施加在模型上的载荷已由MSC.Adams计算,施加在各曲柄连杆连接处垂直方向的载荷历程（六个位置处 一个周期 ）,施加在各曲柄连杆连接处垂直方向的载荷历程（六个位置处 一,施加在各曲柄连杆连接处水平方向的载荷
10、历程 （六个位置处 一个周期 ）,施加在各曲柄连杆连接处水平方向的载荷历程 （六个位置处,曲轴材料疲劳数据,材料的疲劳特性曲线可通过查阅手册获得；由于所提供的材料信息不完全，计算中采用近似的s-n曲线（如下图）。,曲轴材料疲劳数据材料的疲劳特性曲线可通过查阅手册获得；,曲轴材料疲劳曲线,曲轴材料疲劳曲线,疲劳分析结果：旋转次数分布云图,疲劳分析结果：旋转次数分布云图,疲劳分析结果：最危险点处位置（绿色标志处）,疲劳分析结果：最危险点处位置（绿色标志处）,疲劳分析结果：危险点处寿命及损伤数据,疲劳分析结果：危险点处寿命及损伤数据,结论,结论,MSC.Fatigue 能在设计早期有效地预估零部件的寿命，实现优化设计；结合台架试验及样机试验，可对计算模型进行验证及修正；MSC.ADAMS/Engine方便易用，可以快速建立发动机三维实体模型；MSC.ADAMS/Engine模型修改方便，在同一机型下可以做多组发动机参数对比；MSC.Adams所提供的载荷谱可以方便地导入到MSC.Fatigue进行疲劳分析。MSC提供完善的疲劳分析解决方案，方便进行寿命分析；,MSC.Fatigue 能在设计早期有效地预估零部件的寿命,
