活塞疲劳失效的力学分析

论文摘要

本文应用断裂力学的理论,结合试验,在数值模拟的基础上,对硅铝合金活塞机械疲劳可靠性问题展开了研究。1.活塞销孔疲劳试验。利用活塞销孔机械疲劳试验机装置进行的试验表明,活塞顶部及内腔承受的交变液压,在销孔内侧上端处产生很大的棱缘负荷,导致销孔开裂,2.活塞有限元分析。计算了活塞在热应力场、机械应力场以及热-力耦合应力场中的应力应变值。研究表明:在活塞销孔内侧上端出现了应力集中,裂纹开启于此处。分析结果与试验相吻合。通过对活塞实体模型加载交变的机械载荷,采用隐式算法（Newmark法）进行了活塞的瞬态动力学分析,得到了活塞销孔危险部位的循环应力幅值。3.形状几何因子表达式。本文采用“自上而下”的子结构模型法施加裂纹体,计算了裂纹尖端的应力强度因子,计算值与应力强度因子手册中给出的理论值非常吻合,最大误差不超过6%。分析可知,热载荷对裂纹尖端的应力场起很小的作用,而起决定作用的是机械载荷。因此,忽略热载荷的影响,利用最小二乘法,拟合出了活塞在机械应力场中的形状几何因子的表达式。4.基于线弹性断裂理论,分析出活塞裂纹属于Ⅰ型裂纹,开启于销孔内侧上端应力集中处,属于孔边角裂纹;经过交变载荷长时间的加载,裂纹会继续扩展到内腔处,成为表面裂纹,最后断裂失效;在Paris疲劳寿命经验公式的基础上,给出了修正的疲劳寿命估算公式。估算结果表明,活塞疲劳寿命与试验值吻合。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 活塞国内外研究现状
• 1.2.1 活塞有限元研究
• 1.2.2 活塞的疲劳分析
• 1.3 课题的提出及研究的意义
• 1.4 课题研究的内容
• 1.5 课题的特点
• 第二章 疲劳断裂基本理论及活塞寿命评价流程
• 2.1 疲劳现象
• 2.1.1 疲劳特征
• 2.1.2 疲劳的类型
• 2.1.3 疲劳强度的重要性
• 2.1.4 影响疲劳的因素
• 2.2 疲劳发展简史
• 2.3 断裂理论
• 2.3.1 金属疲劳断裂的发展阶段
• 2.3.2 结构中的裂纹
• 2.3.3 应力强度因子
• 2.3.4 裂纹扩展速率
• 2.3.5 疲劳裂纹扩展寿命预测
• 2.4 活塞的疲劳
• 2.4.1 活塞常见失效形式
• 2.4.2 活塞机械疲劳开裂常见形态特征
• 2.4.3 接触的影响
• 2.5 活塞疲劳失效的分析流程
• 第三章 活塞销孔机械疲劳试验
• 3.1 概述
• 3.2 活塞机械疲劳失效的等效性
• 3.3 活塞机械疲劳试验系统
• 3.4 液压疲劳试验参数设置对疲劳寿命的影响
• 3.4.1 加载频率对疲劳寿命的影响
• 3.4.2 加载波形对疲劳寿命的影响
• 3.4.3 试验中断对疲劳寿命的影响
• 3.5 加载
• 3.6 试验结果
• 第四章 活塞有限元分析
• 4.1 有限元法概述
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 有限元分析问题的一般步骤
• 4.1.3 有限元法的优缺点
• 4.2 有限元方法
• 4.2.1 稳态温度场控制方程
• 4.2.2 热边界条件
• 4.2.3 应力场的有限元方法
• 4.2.4 瞬态动力学有限元方法
• 4.2.5 Newmark时间积分法
• 4.3 活塞材料参数及有限元模型
• 4.3.1 活塞的材料及参数
• 4.3.2 活塞行程中的受力情况
• 4.3.3 活塞有限元实体模型
• 4.4 活塞温度场有限元分析
• 4.4.1 活塞热状态
• 4.4.2 活塞热传边界条件的确定
• 4.4.3 活塞温度场的三维有限元分析
• 4.5 活塞的热应力场分析
• 4.5.1 活塞热应力产生的原因
• 4.5.2 活塞热应力的计算与分析
• 4.6 活塞机械应力场分析
• 4.6.1 接触
• 4.6.2 活塞机械应力场边界条件的处理
• 4.6.3 活塞的机械应力场计算结果分析
• 4.7 活塞热力-耦合应力场的分析
• 4.8 活塞瞬态动力学有限元模拟
• 4.8.1 活塞立边界条件分析
• 4.8.2 初始条件分析
• 4.8.3 阻尼分析
• 4.8.4 加载频率及周期数
• 4.8.5 非线性的影响
• 4.9 瞬态动力学有限元计算结果分析
• 4.10 本章小结
• 第五章 应力强度因子及形成几何因子表达式
• 5.1 概述
• 5.1.1 裂纹尖端应力场
• 5.1.2 裂纹尖端局部坐标系
• 5.1.3 积分
• 5.2 裂纹体子结构模型
• 5.2.1 建立裂纹面
• 5.2.2 建立裂纹体
• 5.2.3 裂纹体与非裂纹体的联接
• 5.2.4 奇异性网格的划分
• 5.3 裂纹尖端应力强副因子的计算
• 5.4 形状几何因子拟合表达式
• 5.5 本章小结
• 第六章 活塞疲劳寿命预测分析
• 6.1 概述
• 6.2 活塞裂纹分析
• 6.2.1 裂纹是否扩展的确定
• 6.2.2 临界裂纹长度的确定
• 6.3 疲劳寿命预测
• 6.3.1 裂纹的特殊性
• 6.3.2 裂纹几何因子的引入
• 6.4 寿命估算结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 在学期间公开发表论文及著作情况
• 致谢
• 参考文献