曲轴疲劳行为及可靠性的理论与试验研究

论文摘要

安全性与可靠性是衡量汽车产品技术水平的重要指标。预定寿命下主动可靠性设计与失效智能在线预示作为一门现代科学技术和系统工程而受到广泛的重视。在这一研究框架体系下，根据现有的研究基础和行业特点，进行了若干相关内容的研究。在谐振式曲轴弯曲疲劳试验平台上，通过对其试验方法的理论论证，对该试验平台的试验功能进行了拓展，建立了曲轴疲劳行为研究的扫频法试验模型；以此为基础，对某柴油机曲轴的疲劳行为进行了研究，验证了该试验方法的可行性并探讨了该曲轴疲劳行为的基本规律、研究了其裂纹扩展模式的可预测性。另外结合工程应用背景，对曲轴疲劳失效数据的统计方法以及曲轴工作可靠寿命的估算方法分别进行了研究。 本文的主要工作内容可以概括为以下几个部分： 1．通过对谐振式曲轴弯曲疲劳试验加载原理和测量系统的分析，比较完备的建立了曲轴疲劳试验的试验模型，推导了系统输入和响应的数值拟合方法。应用有限元分析对试验系统进行了必要的论证，并给出了曲轴弯曲疲劳试验的载荷控制依据。 2．基于谐振式曲轴弯曲疲劳试验模型，建立了曲轴疲劳行为研究的扫频试验方法；应用有限元方法，分析了曲轴在各裂纹扩展区段的应力强度因子，建立了曲轴弯曲疲劳行为的几何模型（裂纹扩展速率曲线）和剩余强度模型。根据试验结果分析得到了裂纹扩展Paris区三分段规律。 3．分别应用时间序列分析方法AR模型、基于系统隐含模式发现的检异算法（ε机和D-Markov模型）对试验过程中监测的加速度数据进行了建模。以初始状态为参考总体，绘制了裂纹扩展模式的异常度曲线，得到了时序方法识别的裂纹扩展模式突变的规律性。结果表明时序方法对曲轴高周疲劳裂纹扩展模式的变化具有较好的预测效果。 4．对比了各种曲轴疲劳加速试验规划方法，讨论了各自的适用性。利用单形调优法建立了曲轴疲劳失效数据的基于威布尔分布的统计回归方法。通过拟合优度和累积失效率曲线形态的对比，说明了威布尔分布用于曲轴失效数据分析的优越性。 5．考虑到工作载荷分散性对曲轴工作可靠性的影响，将二维应力—强度干涉模型引入到曲轴的疲劳可靠性评估中，应用蒙特卡罗仿真技术和随机有限元方法对模型求解，分析了影响可靠性的主要随机性因素。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 背景概述与研究意义
• 1.2 相关领域研究综述
• 1.2.1 可靠性的再认识
• 1.2.2 疲劳可靠性分析与设计的研究概述
• 1.2.3 内燃机主要受力零部件可靠性问题的特点及研究现状
• 1.2.4 机械疲劳可靠性研究的热点和未来发展方向
• 1.3 本文的主要工作目标与内容
• 第二章 曲轴弯曲疲劳试验系统的理论研究
• 2.1 概述
• 2.2 谐振体振动的解析求解
• 2.2.1 谐振加载的基本原理
• 2.2.2 谐振体等效模型及运动微分方程
• 2.2.3 运动响应的解析解
• 2.2.4 运动响应解的近似式
• 2.3 试验误差分析
• 2.3.1 应变片感应误差
• 2.3.2 信号调理误差
• 2.4 动载荷的原型函数及其曲线拟合
• 2.4.1 原型函数的构造
• 2.4.2 曲线拟合的数值方法
• 2.4.3 应用实例分析
• 2.4.4 试验系统的改进
• 2.5 谐振体结构动力学有限元分析
• 2.5.1 模型处理和网格划分
• 2.5.2 基本参数准备
• 2.5.3 分析实例及结果讨论
• 2.6 谐振式曲轴疲劳试验的恒载荷控制方法
• 2.6.1 载荷控制中存在的主要问题
• 2.6.2 有限元分析模型的裂纹预制
• 2.6.3 预裂系统的有限元分析
• 2.6.4 载荷控制的依据
• 2.7 本章小结
• 第三章 曲轴疲劳行为研究的扫频试验方法的构建
• 3.1 概述
• 3.1.1 疲劳裂纹扩展的基本描述
• 3.1.2 疲劳裂纹扩展的断裂力学描述
• 3.1.3 裂纹扩展的三个阶段
• 3.1.4 中间裂纹扩展期的疲劳寿命估算
• 3.2 裂纹扩展的常用试验方法
• 3.2.1 材料疲劳裂纹扩展试验的基本过程
• 3.2.2 材料疲劳裂纹扩展速率的测定
• 3.2.3 裂纹尺寸的测量方法
• 3.3 扫频法测定曲轴裂纹扩展速率的原理
• 3.3.1 曲轴疲劳裂纹扩展问题试验研究的特点
• 3.3.2 试验设备与方法
• 3.3.3 扫频法测定裂纹尺寸的原理
• 3.3.4 扫频法测定曲轴裂纹扩展速率的流程
• 3.3.5 断口形貌观察及有限元分析模型的裂纹预制
• 3.3.6 N-a曲线以及da／dN数据的拟合计算
• 3.4 曲轴圆角裂纹应力强度因子的计算
• 3.4.1 应力强度因子的数值计算原理
• 3.4.2 三维裂纹有限元计算的各种单元
• 3.4.3 曲轴圆角应力强度因子的有限元计算
• 3.5 本章小结
• 第四章 曲轴疲劳行为规律的试验研究
• 4.1 概述
• 4.1.1 试验平台
• 4.1.2 试验对象
• 4.1.3 载荷条件
• 4.2 曲轴疲劳裂纹扩展试验结果及其分析
• 4.2.1 试验结果基本数据
• 4.2.2 Paris拟合曲线
• 4.2.3 裂纹全程扩展描述及影响因素分析
• 4.2.4 疲劳裂纹扩展应力强度因子门槛值
• 4.3 曲轴疲劳行为的剩余强度模型
• 4.3.1 剩余强度模型的基本描述
• 4.3.2 曲轴剩余强度模型的简化试验模型
• 4.3.3 剩余强度试验模型的改进
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于时序方法的曲轴疲劳裂纹扩展模式识别
• 5.1 概述
• 5.1.1 内燃机故障模式识别发展现状
• 5.1.2 复杂系统的模式识别与疲劳可靠性
• 5.1.3 问题的抽象描述
• 5.1.4 时序方法及其特点
• 5.2 经典时序方法
• 5.2.1 ARMA模型与AR模型简述
• 5.2.2 AR模型的建模
• 5.2.3 应用AR模型参数进行模式识别
• 5.2.4 AR模型在曲轴裂纹扩展识别中的应用
• 5.3 基于隐含模式发现的异常检测算法
• 5.3.1 ε机及其性质
• 5.3.2 ε机检异算法的实现
• 5.3.3 ε机在各领域中的应用研究纪略
• 5.3.4 D-Markov模型
• 5.3.5 基于隐含模式发现的检异算法在曲轴裂纹扩展识别中的应用
• 5.4 试验结果综合对比分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 曲轴疲劳试验失效数据的统计分析方法研究
• 6.1 概述
• 6.2 曲轴疲劳试验方法综述
• 6.2.1 成组试验法
• 6.2.2 配对升降法
• 6.2.3 SAFL法
• 6.3 失效数据的统计分析方法
• 6.3.1 统计分析的基本问题
• 6.3.2 失效数据模型
• 6.3.3 模型参数的估算
• 6.4 曲轴疲劳强度的统计回归分析
• 6.4.1 失效数据的中位秩估计
• 6.4.2 正态分布模型的统计回归
• 6.4.3 对数正态分布模型的统计回归
• 6.4.4 威布尔分布模型的统计回归
• 6.4.5 应用实例分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 曲轴应力的离散性及工作可靠性分析
• 7.1 二维应力—强度干涉模型
• 7.1.1 二维应力—强度干涉模型的建立
• 7.1.2 二维应力—强度干涉模型的基本极限状态方程
• 7.2 曲轴工作应力离散性的近似理论分析及可靠性估算
• 7.2.1 名义应力近似计算模型
• 7.2.2 基于近似应力分析的二维干涉模型的求解
• 7.3 基于随机有限元分析的二维模型可靠度分析
• 7.3.1 有限元结构动力学分析
• 7.3.2 可靠性分析的随机有限元法
• 7.3.3 曲轴随机有限元一次二阶矩可靠度计算模型
• 7.4 二维模型可靠度分析实例
• 7.4.1 影响工作可靠性的随机变量及其分布
• 7.4.2 曲轴应力的有限元分析模型
• 7.4.3 计算结果对比分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 全文总结与展望
• 8.1 工作总结与主要创新点
• 8.2 未来工作展望
• 参考文献
• 附录一 攻读博士期间主要科研成果
• 附录二 时序方法程序代码
• 致谢