乳化液泵曲轴的疲劳分析与虚拟寿命预测

论文摘要

随着市场竞争的日趋激烈,人们对产品的质量要求越来越高。如何提高产品质量是已经成为企业的当务之急。采用先进的设计方法与缩短产品的开发周期是提高产品质量和赢得市场的重要手段。确定产品疲劳寿命的方法通常有两种：试验法和试验分析法。传统的方法(试验法)完全依赖试验确定产品疲劳寿命。试验法直接通过试验来获取所需要的疲劳数据。试验法虽然可靠,但是在产品设计阶段制造大量实物样机来测试不同情况下(如结构尺寸、加载方式、使用条件、工艺状况等)的产品疲劳寿命,无论从人力、财力,还是从开发周期上来说,都是不大可行的。由于产品结构、外载荷和使用环境的差异,使得试验结果大相径庭,从而导致结果不具有通用性。而长期以来,试验法是人们获取产品疲劳寿命的主要方法。现代产品的一个主要发展趋势是向大型化、复杂化发展,使用传统的产品设计方法,即“设计—试验—修改调整”的模式显得非常的繁琐,有时甚至无法实现。随着计算机技术的不断发展和渗入,计算机辅助工程(CAE)已经被广泛的应用到各个工业领域。当前,使用有限元分析技术已经成为抗疲劳设计中不可或缺的工具。本文采用“一体化”抗疲劳设计方法对乳化液泵的主要部件(曲轴)进行疲劳寿命分析。该方法主要有两个方面：一方面是基于试验测试；另一方面是基于虚拟疲劳仿真分析,这两个方面相互关联相互验证。本文的主要任务是完成虚拟疲劳分析,一般的疲劳分析需要输入三个方面的参数：材料疲劳特性、循环载荷历程、结构几何信息。对于完成虚拟疲劳分析来说,我们需要获取两个主要方面的信息：结构的应力/应变和循环载荷历程。首先,利用Pro/E软件建立乳化液泵三维虚拟样机模型,并定义相关构件并施加相应的约束；模型导入ADAMS后,在ADAMS中进行动力学仿真以获得主要部件(曲轴)的虚拟载荷历程；最后通过有限元软件MSC.Patran计算曲轴的应力/应变分布。基于两个方面信息和适当的疲劳分析准则,利用专业疲劳分析软件MSC. Fatigue预测曲轴等部件的疲劳寿命。虚拟疲劳分析的优势在于：在产品设计阶段可以判断部件的疲劳危险部位,通过修改设计避免不合理的寿命分布,并且为产品的改进设计提供较为可靠的依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 疲劳问题及疲劳预测方法的发展
• 1.1.1 疲劳问题及疲劳研究史
• 1.1.2 疲劳的预测方法
• 1.2 抗疲劳设计的发展趋势
• 1.2.1 传统的抗疲劳设计
• 1.2.2 "一体化"抗疲劳设计
• 1.3 选题的研究背景与意义
• 1.3.1 研究背景
• 1.3.2 研究意义
• 1.4 本文的主要研究内容及方法
• 1.4.1 课题主要内容
• 1.4.2 课题研究方法
• 1.5 本章小结
• 第二章 建立乳化液泵三维模型
• 2.1 乳化液泵的工作原理简介
• 2.2 乳化液泵的主要技术参数及确定
• 2.2.1 主要技术参数
• 2.2.2 技术参数的确定
• 2.3 乳化液泵模型的建立
• 2.3.1 曲拐空间位置的选择
• 2.3.2 曲轴结构设计及尺寸的确定
• 2.3.3 连杆的几何参数确定
• 2.3.4 泵头和箱体的设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 动力学模型的建立及仿真结果
• 3.1 ADAMS软件的动力学基础理论
• 3.1.1 多体动力学系统及其构成要素
• 3.1.2 多体刚动力学基础及ADAMS的求解
• 3.2 建立乳化液泵物理模型
• 3.2.1 生成部件
• 3.2.2 施加约束
• 3.2.3 轴承约束弹性处理
• 3.2.4 施加载荷与驱动
• 3.3 乳化液泵物理模型的检查
• 3.4 仿真结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 有限元静力学分析
• 4.1 空间有限元法的基本理论
• 4.2 曲轴的三维有限元模型
• 4.2.1 曲轴几何模型
• 4.2.2 曲轴网格划分
• 4.2.3 定义材料属性
• 4.2.4 载荷工况的处理
• 4.2.5 位移边界条件的处理
• 4.3 曲轴有限元分析结果
• 4.4 有限元计算误差分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 疲劳分析与寿命预测
• 5.1 疲劳分析的相关理论
• 5.1.1 疲劳的基本概念
• 5.1.2 疲劳累积损伤理论
• 5.2 疲劳载荷谱的转换
• 5.3 曲轴的虚拟寿命预测
• 5.3.1 MSC.Fatigue的疲劳分析步骤
• 5.3.2 载荷谱的输入和材料疲劳属性的定义
• 5.3.3 疲劳寿命预测方法的选择
• 5.3.4 曲轴的虚拟疲劳结果分析
• 5.4 不同单元尺寸疲劳寿命的比较
• 5.5 曲轴的疲劳失效与疲劳结果分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文