1、盡管傳統(tǒng)觀念認為曲軸的疲勞破壞主要是彎曲疲勞形式，但是通過對近年來新型發(fā)動機出現(xiàn)的曲軸疲勞故障斷口分析發(fā)現(xiàn):大多數(shù)都表現(xiàn)為典型的彎扭復(fù)合疲勞。說明目前柴油機高爆壓、輕量化對發(fā)動力零部件疲勞強度評價標(biāo)準和方式都提出新的要求，傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計理念不能完全滿足現(xiàn)代化的設(shè)計和評價需求。本研究基于精確有限壽命設(shè)計理念，開展了以下幾項工作:
　　1.基于應(yīng)變能的多軸疲勞模型
　　雖然單軸疲勞壽命模型發(fā)展已經(jīng)相對成熟，但是大多數(shù)的機械零

2、部件都處于多軸應(yīng)力狀態(tài)下，而多軸疲勞壽命模型仍然有很多不完善之處。本研究對現(xiàn)有的疲勞壽命模型進行了對比分析研究，發(fā)現(xiàn)由于和臨界面結(jié)合時，應(yīng)力和應(yīng)變模型都因缺乏嚴格的連續(xù)動力學(xué)基礎(chǔ)而飽受質(zhì)疑，因此針對目前常用疲勞模型的不足之處，提出了一種新的基于臨界面和總應(yīng)變能的多軸疲勞壽命模型。
　　分別針對正應(yīng)變能、剪應(yīng)變能以及總應(yīng)變能三個步驟進行了推導(dǎo)。首先，在正應(yīng)變能推導(dǎo)過程中，鑒于SWT模型過分考慮最大應(yīng)力而忽略了應(yīng)力、應(yīng)變幅對疲勞壽命的

3、決定性作用，以及該模型沒有考慮正應(yīng)力在彈塑性階段的不同影響等幾點不足之處，結(jié)合Morrow模型對正應(yīng)變能部分進行了優(yōu)化。然后，基于Glinka模型和Chen模型對剪應(yīng)變能部分進行了改進，考慮到Chen模型不但沒有體現(xiàn)平均剪應(yīng)力修正作用，更沒有考慮到存在的正應(yīng)力也會對純剪狀態(tài)下的裂紋的萌生產(chǎn)生影響，而Glinka模型沒有給出具體的壽命表達式。在剪應(yīng)變能部分的推導(dǎo)過程中不但考慮了平均剪應(yīng)力修正、以及純剪切狀態(tài)下的正應(yīng)力影響，還給出了基于剪應(yīng)

4、變能的具體壽命表達式。最后將正應(yīng)變能和剪應(yīng)變能部分進行了結(jié)合，針對FS模型和VF模型的多軸非比例修正系數(shù)的不足，提出了新的多軸非比例修正系數(shù)，并最終確定了多軸比例/非比例疲勞壽命預(yù)測模型。新模型還給出了具體的疲勞壽命Nf的表達式，并在Nf表達式中體現(xiàn)了平均應(yīng)力在彈塑性階段的不同修正。
　　為驗證新模型的普遍適用性，分別用SNCM630、LY12CZ、Pure Titanium、Titanium Alloy BT9、7075-T65

5、1 Aluminum Alloy、Titanium Alloy TC4等多種材料在單軸拉壓、單軸扭轉(zhuǎn)以及多軸狀態(tài)等多種載荷形式下的試驗數(shù)據(jù)對新模型進行了驗證。試驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)的對比結(jié)果表明:新模型無論是在單軸拉壓、扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下，還是在多軸比例/非比例狀態(tài)下，除材料7075-T651 Aluminum Alloy因為試驗數(shù)據(jù)本身的分散性以及材料Titanium Alloy TC4中的兩個數(shù)據(jù)點之外，其它所有的預(yù)測壽命都落在了試驗壽命兩倍的

6、公差帶以內(nèi)，總體優(yōu)于目前常用的Manson-Coffin、SWT、KBM、Von.Mises、Chen、FS、VF等模型。
　　2.曲軸的疲勞試驗研究
　　首先基于彎曲疲勞試驗對幾種不同的試驗方法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法進行了對比研究，結(jié)果表明:當(dāng)試驗樣本充足時，盡量用升降法進行疲勞試驗;當(dāng)樣本數(shù)量少且時間緊迫時，可用疲勞極限統(tǒng)計法獲得稍微偏保守的結(jié)果;采用疲勞極限統(tǒng)計法時，103點法比QCI法能夠較小的改變樣本的分散性;三參數(shù)威布爾

7、分布為處理疲勞試驗數(shù)據(jù)的最佳選擇。
　　然后，通過曲軸的一維軸系計算，對曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的基礎(chǔ)載荷進行了確定，以計算所得的最大動扭矩作為扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的基礎(chǔ)扭矩，進行了曲軸的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗，并將彎曲疲勞試驗的結(jié)果和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的結(jié)果進行了對比。結(jié)果表明，在50％存活率下，研究用曲軸的彎曲疲勞載荷系數(shù)為2.0左右，扭轉(zhuǎn)疲勞載荷系數(shù)僅為1.75，這說明只進行曲軸彎曲疲勞試驗是有待商榷的。由于動扭矩產(chǎn)生的主要原因是扭振引起的，為了進一步驗證

8、動扭矩的影響，對曲軸進行了高爆壓的一維軸系計算，計算與試驗對比發(fā)現(xiàn):在19MPa和22MPa的高爆壓工況下，50％存活率下彎曲疲勞安全系數(shù)為1.9和1.64，扭轉(zhuǎn)疲勞安全系數(shù)為1.6和1.37。僅從彎曲疲勞試驗的結(jié)果來看，即使爆壓由17.5MPa升高至22MPa曲軸仍基本滿足安全性要求;但是在19MPa爆壓下，曲軸的扭轉(zhuǎn)疲勞已經(jīng)不能滿足要求。這進一步驗證了扭轉(zhuǎn)疲勞試驗以及曲軸多軸疲勞研究的必要性。
　　3.淬火工藝對曲軸疲勞強度影

9、響的試驗及計算研究
　　表面感應(yīng)淬火是目前鋼曲軸最常用的強化方式，如何將淬火強化作用正確的體現(xiàn)在曲軸的疲勞壽命預(yù)測中是非常重要的。
　　首先通過測試獲得曲軸的表面殘余壓應(yīng)力，并通過淬火和非淬火曲軸彎曲疲勞試驗對比獲得淬火強化系數(shù)。由于曲拐在試驗條件下呈現(xiàn)為空間應(yīng)力狀態(tài)，因此對基于空間應(yīng)力張量的臨界面求解過程進行研究，并編制成可以直接基于有限元結(jié)果求解臨界面的程序。然后基于試驗載荷對曲拐進行了有限元仿真并對疲勞壽命進行預(yù)測，預(yù)

10、測中分別用殘余壓應(yīng)力修正平均應(yīng)力和直接使用試驗所得淬火強化系數(shù)兩種方式來體現(xiàn)淬火效應(yīng)。計算數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的對比表明:用表面殘余應(yīng)力修正平均應(yīng)力的方法得到的計算結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性更好。
　　4.曲軸工作狀態(tài)下的疲勞壽命預(yù)測
　　為求解曲軸在實際工作過程中的疲勞壽命，首先對動態(tài)隨機載荷的處理方法進行了研究，確定了三點雨流法作為隨機載荷處理方法。由于曲軸在工作過程中不僅為空間應(yīng)力狀態(tài)，其應(yīng)力張量還是隨時間變化的，因此在空間應(yīng)力

11、臨界面求解程序的基礎(chǔ)上，又對空間動應(yīng)力狀態(tài)下的臨界面的求解過程進行了改進，并編制成可以直接對曲軸動應(yīng)力計算結(jié)果進行求解的程序。最后，提取曲軸動應(yīng)力計算的結(jié)果，運用新的疲勞壽命模型、空間動應(yīng)力臨界面求解程序、隨機載荷處理的雨流方法以及淬火效應(yīng)修正方法對曲軸疲勞壽命進行預(yù)測。在求得曲軸50％存活率下疲勞壽命的基礎(chǔ)上，還引入分散度的概念計算了曲軸在各存活率下的疲勞壽命。計算結(jié)果為:在99.99％存活率要求下，各轉(zhuǎn)速下曲軸都能夠滿足107循環(huán)壽