何聯(lián)格，蘇建強(qiáng)，周 藍(lán)

（1.重慶理工大學(xué) 車(chē)輛工程學(xué)院，重慶 400054；2.汽車(chē)零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054）

內(nèi)燃機(jī)是大國(guó)重器的核心，隨著內(nèi)燃機(jī)向高強(qiáng)化、高功率密度發(fā)展，缸內(nèi)燃?xì)馊紵a(chǎn)生的爆發(fā)壓力成倍增加，致使曲軸的工作條件更加苛刻，對(duì)曲軸可靠性要求進(jìn)一步提高。曲軸作為內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，能否準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其結(jié)構(gòu)可靠性成為制約內(nèi)燃機(jī)整機(jī)可靠性的關(guān)鍵。目前，采用數(shù)值仿真計(jì)算預(yù)測(cè)曲軸的結(jié)構(gòu)可靠性，是世界上公認(rèn)的比較有效的方法，可為曲軸結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，延長(zhǎng)內(nèi)燃機(jī)的使用壽命、提高整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性、安全性，其社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

本文中根據(jù)國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算的研究進(jìn)展，主要論述了曲軸的靜力學(xué)、模態(tài)、扭振、協(xié)調(diào)變形、疲勞以及考慮強(qiáng)化工藝的結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算分析的研究現(xiàn)狀，指出了其發(fā)展趨勢(shì)，提出研發(fā)我國(guó)自主化曲軸結(jié)構(gòu)可靠性仿真計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的急迫性，以期全面提升我國(guó)內(nèi)燃機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性水平。

1 曲軸結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算的研究現(xiàn)狀

1.1 數(shù)值仿真計(jì)算模型

曲軸的結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值計(jì)算分析所采用的計(jì)算模型主要有3種［1-2］。第1種是1／4或1／2曲拐模型，主要考慮彎曲載荷作用，并認(rèn)為曲軸的形狀和作用載荷相對(duì)于曲拐平面對(duì)稱；第2種是單個(gè)曲拐模型，用于分析曲軸上受載最嚴(yán)重的曲拐，這種模型的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算規(guī)模小，但其很難正確確定主軸頸剖分面處的邊界條件，剖分面距離過(guò)渡圓角很近也會(huì)影響計(jì)算精度；第3種是整體曲軸模型，是進(jìn)行曲軸結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值計(jì)算分析最符合實(shí)際的計(jì)算模型，計(jì)算精度最高，但由于計(jì)算復(fù)雜，需要對(duì)曲軸的整體模型作一定程度的簡(jiǎn)化。

1.2 曲軸靜力學(xué)分析

有限單元法的應(yīng)用，可以比較準(zhǔn)確地對(duì)曲軸進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，找出應(yīng)力集中源，同時(shí)可以優(yōu)化曲軸結(jié)構(gòu)。在靜力學(xué)分析過(guò)程中，需要對(duì)模型施加準(zhǔn)確的邊界條件，由于曲軸作用載荷復(fù)雜，所以很多學(xué)者在處理邊界條件時(shí)做了一些簡(jiǎn)化。有限元分析中，邊界條件一般有力邊界條件和位移邊界條件，對(duì)曲軸進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，其力邊界條件通常是假設(shè)載荷沿連桿軸頸和主軸頸軸線方向按二次拋物線規(guī)律分布，沿軸頸圓周120°范圍內(nèi)按余弦規(guī)律分布［3］。在文獻(xiàn)［3］的研究基礎(chǔ)上，Parasa L等［4］在考慮了曲軸彎曲應(yīng)力的條件下采用有限元法分析了單缸曲軸強(qiáng)度，并將計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)方法進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了有限元方法的可靠性。對(duì)于位移邊界條件，在早期研究中，一般把主軸承視為剛性，對(duì)主軸頸施加剛性約束，但這樣施加的邊界條件不夠準(zhǔn)確，影響計(jì)算結(jié)果的可靠性，為了能夠使曲軸的位移邊界更符合實(shí)際，徐中明等［5］基于有限元法對(duì)曲軸進(jìn)行靜強(qiáng)度分析時(shí)選取了單個(gè)曲拐模型，在曲軸兩側(cè)軸承處施加約束，約束了主軸頸在直角坐標(biāo)系下的3個(gè)平動(dòng)方向的位移，校核了球墨鑄鐵和40Cr兩種材料所對(duì)應(yīng)的曲軸應(yīng)力集中部位的靜強(qiáng)度安全系數(shù)，結(jié)果表明40Cr符合設(shè)計(jì)要求。楊志慧等［6］在對(duì)柴油機(jī)曲軸進(jìn)行有限元分析時(shí)，考慮了接觸問(wèn)題，采用了彈性支撐約束，在曲軸主軸頸上的所有節(jié)點(diǎn)上施加彈簧支座，分析了不同的圓角大小和曲柄臂厚度對(duì)曲軸應(yīng)力應(yīng)變的影響。Yu S H等［7］應(yīng)用ANSYS軟件，對(duì)某60°夾角V6車(chē)用汽油機(jī)的錯(cuò)拐曲軸進(jìn)行了不同極限工況下的有限元計(jì)算，對(duì)該曲軸的載荷和約束條件做了較為詳細(xì)的討論，得到了該錯(cuò)拐曲軸的應(yīng)力分布，并校核了其靜安全強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果及分析表明，該曲軸靜強(qiáng)度在許用范圍，能滿足運(yùn)行工況要求。

曲軸的靜力學(xué)分析可以為曲軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)和疲勞強(qiáng)度校核提供理論依據(jù)。董昊軒等［8］對(duì)曲軸進(jìn)行了靜力學(xué)計(jì)算，對(duì)應(yīng)力最大區(qū)域的疲勞安全系數(shù)進(jìn)行了校核，得出了連桿軸頸變化與疲勞安全系數(shù)的關(guān)系；Thejasreea P等［9］對(duì)單拐曲軸模型進(jìn)行了靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域位于曲柄銷(xiāo)和主軸頸的過(guò)渡圓角上。

以上研究都在在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)曲軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

1.3 曲軸動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真計(jì)算

對(duì)曲軸進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到其各階的固有頻率和振型，并且可以為后續(xù)的動(dòng)力學(xué)分析奠定基礎(chǔ)。模態(tài)分析有自由模態(tài)和約束模態(tài)兩種。曲軸的自由模態(tài)振動(dòng)形式有彎曲振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及兩者疊加的振動(dòng)；約束模態(tài)主要為彎曲振動(dòng)。陳然等［10］使用ANSYS軟件對(duì)內(nèi)燃機(jī)曲軸進(jìn)行模態(tài)分析，得到了自由模態(tài)和約束模態(tài)的前8階非零頻率振型，并且做了對(duì)比，結(jié)果表明約束條件對(duì)曲軸本身的固有頻率影響較大，可以通過(guò)改變約束方式來(lái)提高固有頻率。王啟興等［11］對(duì)柴油機(jī)曲軸進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了自由模態(tài)和約束模態(tài)的前6階非零頻率振型，發(fā)現(xiàn)曲軸在低階頻率下以彎曲變形為主，高階頻率下以扭轉(zhuǎn)變形和彎曲扭轉(zhuǎn)疊加變形為主。

曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的噪音，增加內(nèi)燃機(jī)零部件的磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致曲軸斷裂。因此，對(duì)曲軸軸系進(jìn)行扭振分析是非常有必要的，通過(guò)扭振分析可以得到其扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、振型以及振幅，評(píng)價(jià)曲軸工作的可靠性。劉五一［12］建立了礦用車(chē)輛內(nèi)燃機(jī)曲軸的扭振模型，并且對(duì)曲軸扭振特性進(jìn)行了仿真分析計(jì)算，確定了內(nèi)燃機(jī)使用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的扭振節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，結(jié)果表明，通過(guò)降低減振器固有頻率，可以有效提高減振皮帶輪與曲軸連接處螺栓的安全系數(shù)。

為了進(jìn)一步提高曲軸動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果的可靠性，需要建立曲軸扭振系統(tǒng)耦合模型進(jìn)行仿真計(jì)算，使仿真計(jì)算的邊界條件更加趨于精準(zhǔn)。王小莉等［13-14］建立了內(nèi)燃機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和曲軸扭振系統(tǒng)的耦合模型，研究了耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)負(fù)載波動(dòng)對(duì)曲軸扭振的影響，結(jié)果表明：低頻激勵(lì)不會(huì)引起曲軸系統(tǒng)的扭振，高頻激勵(lì)會(huì)同時(shí)引起曲軸扭振系統(tǒng)和前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的共振，且前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)曲軸扭振有一定的衰減作用。同時(shí)，又對(duì)裝有n級(jí)橡膠阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器的內(nèi)燃機(jī)曲軸系統(tǒng)進(jìn)行了扭振分析和計(jì)算，得出以控制曲軸在單簡(jiǎn)諧激勵(lì)下各共振峰最小為目標(biāo)優(yōu)選出的減振器，對(duì)控制內(nèi)燃機(jī)曲軸的第一階固有振動(dòng)較為有效，但這樣會(huì)導(dǎo)致減振器固有頻率處的共振，使曲軸的扭振惡化。

曲軸在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中承受著隨時(shí)間周期性變化的交變載荷，這種交變載荷的作用使得曲軸和主軸承受到不同程度的變形，且關(guān)系到內(nèi)燃機(jī)的安全性和穩(wěn)定性，對(duì)曲軸和主軸承結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)力學(xué)特性特別是彼此之間變形的協(xié)調(diào)性分析已成為內(nèi)燃機(jī)可靠性工程中的重要課題［15］。何芝仙等［16］采用ADAMS軟件和ANSYS軟件，輔以手工編程相結(jié)合的方法，研究了計(jì)入軸瓦變形時(shí)某四缸柴油機(jī)曲軸動(dòng)應(yīng)力分析和疲勞強(qiáng)度計(jì)算問(wèn)題，研究表明：計(jì)入軸瓦變形，主軸承最小油膜厚度大幅度下降，最大油膜壓力大幅度上升，曲軸動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和危險(xiǎn)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力也發(fā)生變化，曲軸疲勞壽命下降了15.6%。

1.4 基于宏觀力學(xué)方法的曲軸疲勞仿真計(jì)算

內(nèi)燃機(jī)實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，曲軸主要承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，而曲軸的主要失效形式為彎曲疲勞破壞。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)曲軸的疲勞極限、疲勞壽命、疲勞斷裂等方面做了一定的研究。

Chen X P等［17］針對(duì)曲軸疲勞極限載荷預(yù)測(cè)問(wèn)題，提出了疲勞分析的有限元建模方法與分析策略，該方法可以對(duì)曲軸進(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)、疲勞和多體動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，有助于改進(jìn)疲勞極限載荷分析方法。孫嵩松等［18］使用有限元法對(duì)曲軸進(jìn)行彎矩載荷作用下的應(yīng)力分析，確定曲軸彎曲疲勞的臨界平面和疲勞損傷類(lèi)型，通過(guò)對(duì)比多軸疲勞模型和名義應(yīng)力法對(duì)同種材料、不同結(jié)構(gòu)的曲軸疲勞極限載荷進(jìn)行預(yù)測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出基于KBM（Kandil-Brown-Miller）的多軸疲勞模型，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同圓角半徑的曲軸疲勞極限載荷。鮑珂等［19］針對(duì)諧振式曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)兩自由度等效簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行受迫振動(dòng)響應(yīng)的理論分析和試驗(yàn)系統(tǒng)的有限元模態(tài)計(jì)算，進(jìn)一步采用模態(tài)疊加法進(jìn)行曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到系統(tǒng)位移響應(yīng)，最后通過(guò)模態(tài)擴(kuò)展計(jì)算得到圓角危險(xiǎn)截面圓弧上各點(diǎn)在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中的彎曲正應(yīng)力幅值，從而獲得試驗(yàn)中不易準(zhǔn)確測(cè)定的曲軸彎曲疲勞應(yīng)力。Yang J等［20］對(duì)某汽油機(jī)工作條件最差的曲柄臂進(jìn)行有限元分析，采用強(qiáng)制位移法計(jì)算曲柄循環(huán)應(yīng)力過(guò)程，然后基于有限元的分析結(jié)果和荷載歷程進(jìn)行疲勞分析，該疲勞分析方法通過(guò)計(jì)算最?lèi)毫訔l件下工作的曲柄臂的強(qiáng)度，來(lái)表征整個(gè)曲軸的疲勞強(qiáng)度，并且根據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的一致性，驗(yàn)證了該方法在工程中的可行性。

在曲軸疲勞數(shù)值仿真計(jì)算中，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)曲軸的疲勞壽命對(duì)曲軸結(jié)構(gòu)可靠性至關(guān)重要?；诿x應(yīng)力的應(yīng)力-壽命（S-N）方法是目前應(yīng)用范圍最廣泛的疲勞分析方法，其準(zhǔn)確性高、可用性強(qiáng)。馮國(guó)勝等［21］建立了內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃?xì)庾畲蟊l(fā)壓力分別為15.5 MPa和16.5 MPa、一缸點(diǎn)火及二缸點(diǎn)火共4個(gè)工況下曲軸有限元模型，通過(guò)分析計(jì)算得出了4個(gè)工況下曲軸的疲勞壽命，發(fā)現(xiàn)曲軸疲勞破壞最先產(chǎn)生在曲柄臂和曲柄銷(xiāo)的過(guò)渡圓角處。Witek L等［22-23］采用有限元法對(duì)曲軸進(jìn)行非線性靜力分析，結(jié)果表明內(nèi)燃機(jī)工作期間，高應(yīng)力區(qū)位于裂紋萌生區(qū)，得出了曲柄銷(xiāo)圓角區(qū)域材料的高周疲勞是造成早期疲勞失效的主要原因，且提出了提高曲軸疲勞壽命的措施。同時(shí)，又對(duì)柴油機(jī)曲軸分別進(jìn)行了失效分析、應(yīng)力分析以及模態(tài)分析，結(jié)果表明：當(dāng)柴油機(jī)以最大功率工作時(shí)，曲軸高應(yīng)力區(qū)位于裂紋源以外的另一個(gè)區(qū)域，早期失效的主要原因是曲軸發(fā)生共振，且與共振振動(dòng)有關(guān)的高周疲勞使曲軸的疲勞壽命降低。Joao G等［24］在整個(gè)燃燒循環(huán)中對(duì)船用柴油機(jī)曲軸的應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行有限元分析，并采用應(yīng)力-壽命理論預(yù)測(cè)了曲軸的疲勞壽命，得出可以通過(guò)增加曲柄臂寬度提高曲軸的疲勞性能，且指出在曲軸設(shè)計(jì)中要考慮過(guò)渡圓角處滾壓或噴丸等工藝強(qiáng)化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

由于S-N方法只適用于彈性應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，不考慮彈塑性循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變，而應(yīng)變-壽命理論可以對(duì)應(yīng)力集中部位和危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行定量的壽命評(píng)估。鮑珂等［25］針對(duì)圓角滾壓鑄鐵曲軸，建立了與其對(duì)應(yīng)的滾輪-階梯軸三維柔-柔接觸有限元模型，并且在模擬滾壓過(guò)程中得到了圓角滾壓殘余應(yīng)力，然后對(duì)曲軸單拐進(jìn)行了試驗(yàn)彎曲載荷下的有限元受力分析，最后將計(jì)算得到的滾壓殘余應(yīng)力處理為平均應(yīng)力，利用材料應(yīng)變-壽命理論進(jìn)行局部應(yīng)力應(yīng)變法疲勞分析，得到了裂紋萌生位置和疲勞壽命，計(jì)算結(jié)果與彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果相符。孫楠楠等［26］運(yùn)用應(yīng)變-壽命理論預(yù)測(cè)了曲軸在彎曲疲勞試驗(yàn)條件下的疲勞壽命，并且考慮了曲軸的淬火殘余應(yīng)力，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了應(yīng)變 壽命理論能夠應(yīng)用于曲軸的壽命預(yù)測(cè)中，并且對(duì)模型進(jìn)行修正，且后者的計(jì)算結(jié)果優(yōu)于原模型。Fonte M等［27］運(yùn)用應(yīng)變-壽命理論分析了某四缸柴油機(jī)曲軸的失效原因，發(fā)現(xiàn)曲軸在交變彎曲載荷作用下發(fā)生疲勞斷裂，主要位置為曲柄銷(xiāo)與主軸頸的過(guò)渡圓角處，在該位置產(chǎn)生了疲勞裂紋。

為了克服疲勞試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究者們提出了等效標(biāo)準(zhǔn)缺口件的方法，該方法可以將經(jīng)過(guò)特殊工藝處理的實(shí)際構(gòu)件等效為相同材料、相同工藝處理的標(biāo)準(zhǔn)缺口件，從而消除材料分散性和制造加工工藝等因素對(duì)等效疲勞分析結(jié)果的影響，能夠更準(zhǔn)確、更有效地預(yù)測(cè)曲軸疲勞極限［28］。李建鋒等［28］采用有限元方法分析了曲軸的受力狀態(tài)，且以此為基礎(chǔ)分別設(shè)計(jì)了適用于該曲軸的圓形缺口件和橢圓形缺口件，通過(guò)優(yōu)選設(shè)計(jì)后對(duì)橢圓形缺口件有限元計(jì)算，并與曲軸疲勞試驗(yàn)中圓角應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了應(yīng)用橢圓形缺口件進(jìn)行曲軸疲勞分析的可行性。劉震濤等［29］針對(duì)曲軸疲勞極限載荷難以在設(shè)計(jì)階段快速準(zhǔn)確獲取的問(wèn)題，利用有限元法和缺口疲勞的相關(guān)理論，將曲軸作缺口件處理，建立了相應(yīng)的缺口疲勞系數(shù)模型，分析了2款材料屬性一致、結(jié)構(gòu)不同的曲軸的疲勞特性，結(jié)果表明：基于Peterson缺口疲勞模型預(yù)測(cè)曲軸的疲勞極限載荷具有一定的精確度，該方法能夠較快地確定曲軸的疲勞極限載荷，具有很高的工程價(jià)值。

應(yīng)用斷裂力學(xué)方法亦可以對(duì)曲軸疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。Metkar R M等［30］對(duì)單缸柴油機(jī)曲軸的疲勞斷裂壽命預(yù)測(cè)的3種方法進(jìn)行了比較研究，即斷裂力學(xué)方法、線彈性斷裂力學(xué)方法（linear elastic fracture mechanics，LEFM）和臨界距離法（critical distance approach，CDA），這些方法可以預(yù)測(cè)裂紋增長(zhǎng)、失效所需時(shí)間以及壽命評(píng)估的其他重要參數(shù)。研究結(jié)果表明：在預(yù)測(cè)曲軸壽命時(shí)，與CDA方法相比，LEFM的預(yù)測(cè)低估了部件的壽命。常志剛［31］通過(guò)測(cè)量裂紋萌生區(qū)的幾何特征，并將其作為曲軸裂紋體的仿真建模輸入，應(yīng)用有限元數(shù)值仿真計(jì)算方法獲得了萌生區(qū)裂紋前緣的應(yīng)力強(qiáng)度因子，結(jié)果表明裂紋萌生階段，裂紋表面點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于中心點(diǎn)且裂紋沿表面擴(kuò)展速率高于中心。Fonte M等［32］對(duì)某柴油機(jī)和汽油機(jī)的2種曲軸進(jìn)行了失效分析，結(jié)果表明，裂紋都是從曲柄銷(xiāo)過(guò)渡圓角處擴(kuò)展而來(lái)，且裂紋前緣形狀都為對(duì)稱的半橢圓形，斷口分析表明疲勞斷裂是2個(gè)曲軸的主要失效機(jī)理；并且得出，曲軸在工作過(guò)程一直旋轉(zhuǎn)，可能產(chǎn)生主軸頸軸承的錯(cuò)位而損壞，因此，曲軸的主軸頸軸承的正確對(duì)準(zhǔn)在提高疲勞壽命方面起著重要作用。

1.5 基于微觀力學(xué)方法的曲軸疲勞仿真計(jì)算

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和材料試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，對(duì)曲軸的疲勞分析方法由宏觀力學(xué)深入到了微觀力學(xué)。微觀力學(xué)主要研究材料內(nèi)部原子的位錯(cuò)與滑移等晶體尺度內(nèi)的斷裂過(guò)程。Li W等［33］從化學(xué)成分、力學(xué)性能、宏觀特征、微觀結(jié)構(gòu)和有限元分析計(jì)算等方面分析了某曲軸斷裂的原因，分析結(jié)果表明：具有明顯疲勞裂紋的曲軸屬于疲勞斷裂，主軸頸錯(cuò)位使過(guò)渡圓角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，可以通過(guò)提高曲軸表面質(zhì)量，降低表面粗糙度提高其可靠性。張國(guó)防等［34］針對(duì)某載重汽車(chē)曲軸發(fā)生斷裂問(wèn)題進(jìn)行了失效分析，通過(guò)斷口宏觀及微觀觀察、金相組織檢驗(yàn)、力學(xué)性能檢驗(yàn)與有限元數(shù)值仿真計(jì)算等綜合分析，得出該曲軸斷裂形式為疲勞斷裂，且斷裂的直接原因是主軸頸表面碰磨使?jié)B氮層產(chǎn)生裂紋，而熱處理后金相組織不符合要求是曲軸疲勞強(qiáng)度降低的重要原因。Mateus J等［35］針對(duì)某渦輪增壓柴油機(jī)曲軸發(fā)生斷裂，通過(guò)斷口分析、金相組織分析以及數(shù)值仿真計(jì)算，分析了曲軸的失效模式及裂紋萌生點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果表明曲軸斷裂為疲勞斷裂，產(chǎn)生斷裂的原因是裂紋萌生點(diǎn)的缺口和曲軸主軸頸軸線的偏移。

1.6 基于細(xì)觀力學(xué)方法的曲軸疲勞仿真計(jì)算

細(xì)觀力學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括細(xì)觀塑性理論和細(xì)觀損傷力學(xué)等。細(xì)觀塑性理論從位錯(cuò)、滑移、單晶和多晶不同層次探討塑性變形的物理規(guī)律，細(xì)觀損傷力學(xué)從孔洞、微裂紋、局部化帶、界面失效等細(xì)觀損傷基元出發(fā)定量地刻劃固體破壞行為的孕育和發(fā)展過(guò)程［36］。Dunand等［37］采用剪切修正GTN（Gurson-Tvergaard-Needleman）細(xì)觀損傷模型模擬并預(yù)測(cè)了具有復(fù)雜應(yīng)力三軸度狀態(tài)的拉伸和沖壓試驗(yàn)板材斷裂行為，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算驗(yàn)證了理論模型的正確性。王虎［38］對(duì)隨機(jī)動(dòng)載荷激勵(lì)下飛行器典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)疲勞壽命分析，提出了一種基于細(xì)觀力學(xué)的損傷模型。該模型基于宏觀單元與細(xì)觀RVE的響應(yīng)映射關(guān)系，將宏觀疲勞問(wèn)題轉(zhuǎn)化為細(xì)觀RVE的損傷破壞問(wèn)題，認(rèn)為振動(dòng)疲勞壽命等于細(xì)觀RVE的失效壽命，并以“九宮格壁板”加筋結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：使用Lemaitre多軸等效準(zhǔn)則確定結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)位置結(jié)果更為準(zhǔn)確，且細(xì)觀損傷模型的壽命預(yù)估結(jié)果誤差更小，二者的結(jié)合使用可以得到更為理想的壽命預(yù)估結(jié)果。

劉金祥等［39］通過(guò)微觀組織觀測(cè)，研究了微觀縮松對(duì)蠕墨鑄鐵材料微觀組織的影響，并基于有限元計(jì)算細(xì)觀力學(xué)方法，建立了含微觀縮松缺陷的材料代表性體積元RVE模型，REV模型實(shí)現(xiàn)了微觀缺陷位置和大小的隨機(jī)性分布，通過(guò)在該模型上施加周期性邊界條件和拉伸位移載荷，研究了微觀縮松對(duì)蠕墨鑄鐵材料宏觀力學(xué)性能的影響。目前，基于細(xì)觀力學(xué)方法對(duì)曲軸進(jìn)行疲勞分析的研究甚少，應(yīng)用細(xì)觀力學(xué)方法對(duì)圓角滾壓后的曲軸進(jìn)行疲勞分析將會(huì)是曲軸疲勞仿真計(jì)算的一個(gè)重要發(fā)展方向。

1.7 曲軸的工藝強(qiáng)化數(shù)值仿真計(jì)算

為了保證內(nèi)燃機(jī)工作的可靠性，使曲軸有足夠的強(qiáng)度、剛度以及耐磨性，必須對(duì)曲軸進(jìn)行表面強(qiáng)化工藝處理，而滾壓、噴丸、感應(yīng)淬火、滲碳、磨削等強(qiáng)化處理工藝已成為企業(yè)應(yīng)用的主流工藝。

在圓角滾壓工藝研究中，馮美斌等［40］采用切線滾壓、半精磨后滾壓和沉割滾壓對(duì)曲軸過(guò)渡圓角進(jìn)行強(qiáng)化，結(jié)果表明，這3種方法都可以提高曲軸的疲勞強(qiáng)度且沉割滾壓強(qiáng)化效果最好。Spiteri P等［41］對(duì)滾壓后的曲軸進(jìn)行三維彈塑性有限元分析，得到了圓角表面到深度的正應(yīng)力分布，以及圓角滾壓過(guò)程中曲軸圓角附近的殘余應(yīng)力分布，通過(guò)曲軸圓角表面上的SWT（smith-watson-topper）等效應(yīng)力和有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍評(píng)估曲軸的疲勞極限，結(jié)果表明，基于裂紋建模技術(shù)得到的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有合理的相關(guān)性。Gül?evik等［42］基于曲軸試驗(yàn)臺(tái)的有限元建模，對(duì)球墨鑄鐵曲軸在圓角滾壓和非圓角滾壓條件下的疲勞極限進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)圓角滾壓工藝顯著提高了疲勞強(qiáng)度，而引起疲勞強(qiáng)度提高的主要因素是滾壓過(guò)程引起的殘余壓應(yīng)力、表面硬度增加和位錯(cuò)密度增加。Ho S等［43］提出了一種新的、高效的曲軸滾壓工藝優(yōu)化方法，采用非線性有限元分析方法對(duì)曲軸滾壓過(guò)程中的應(yīng)力分布進(jìn)行了近似計(jì)算，采用裂紋建模技術(shù)估算等效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍，基于均勻設(shè)計(jì)方法建立了響應(yīng)面有限元模型，采用蒙特卡羅模擬技術(shù)得到了可靠性最高、變異系數(shù)最小的最優(yōu)設(shè)計(jì)。劉榮昌等［44］借助曲軸圓角滾壓顯式動(dòng)力學(xué)分析模型，通過(guò)控制滾輪繞曲軸軸頸的旋轉(zhuǎn)模擬曲軸圓角滾壓的實(shí)際工況，得到了圓角部位應(yīng)力沿層深的應(yīng)力分布規(guī)律，研究了進(jìn)給量和滾壓道次對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響，結(jié)果表明：圓角滾壓后產(chǎn)生了足夠強(qiáng)度和分布區(qū)域的軸向壓應(yīng)力，有利于抵消曲軸工作狀態(tài)下承受彎曲載荷所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，顯著提高曲軸彎曲疲勞強(qiáng)度。張小紅等［45］選用氣體軟氮化+表面滾壓、離子氮化+表面滾壓強(qiáng)化、高頻淬火+表面滾壓強(qiáng)化3種曲軸復(fù)合強(qiáng)化工藝，通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)比分析了3種復(fù)合強(qiáng)化工藝對(duì)提高曲軸疲勞極限的影響，發(fā)現(xiàn)氣體軟氮化+表面滾壓對(duì)提高曲軸疲勞極限效果最好。

在噴丸強(qiáng)化工藝研究中，尹建君等［46］應(yīng)用ABAQUS軟件進(jìn)行曲軸圓角噴丸仿真計(jì)算，同時(shí)對(duì)噴丸前后以及拋光后的曲軸圓角進(jìn)行了殘余應(yīng)力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)噴丸處理后圓角應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，可有效地提高曲軸的疲勞壽命。孫獻(xiàn)凱等［47］為了提高曲軸的疲勞強(qiáng)度，提出了一種中頻淬火后進(jìn)行噴丸處理的工藝強(qiáng)化方法，該方法可以顯著提高軸頸平直段的表面壓應(yīng)力，且能改變圓角處的殘余應(yīng)力狀態(tài)，從而提高曲軸的疲勞強(qiáng)度。由于裂紋萌生經(jīng)常沿著彎曲區(qū)域或結(jié)構(gòu)部件的圓角發(fā)生，Anoop Vasu等［48］建立了曲軸圓角凹凸幾何模型，研究了圓角激光噴丸對(duì)曲軸疲勞壽命的影響，并與平面幾何模型比較，研究了曲率對(duì)激光噴丸處理的影響，結(jié)果表明，增加凹模型中的曲率半徑會(huì)減小圓角中產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力，增加凸模型的曲率半徑會(huì)增加圓角中產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力。

在淬火強(qiáng)化工藝研究方面，杜永辰等［49］對(duì)某曲軸單拐淬火前后圓角處的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)表面強(qiáng)化電磁感應(yīng)加熱淬火后產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，提高了曲軸的疲勞強(qiáng)度，為曲軸的抗疲勞設(shè)計(jì)提供依據(jù)。張曉陽(yáng)等［50］研究發(fā)現(xiàn)材質(zhì)為20Cr的曲軸滲碳后直接淬火不能細(xì)化鋼的晶粒，表面殘留奧氏體較多，硬度較低，表面應(yīng)力較大，容易在噴砂后產(chǎn)生裂紋，于是改進(jìn)了強(qiáng)化工藝，滲碳后緩冷至室溫，重新加熱淬火+低溫回火，改善了滲層組織，細(xì)化了晶粒，這樣雖增加了生產(chǎn)周期和成本，但可以提高曲軸的使用壽命。

叢建臣等［51］對(duì)曲軸加工工藝進(jìn)行了研究，主要分析了不同磨削參量對(duì)曲軸圓角和側(cè)臺(tái)殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律，試驗(yàn)研究表明，磨削速度、磨削進(jìn)給量和磨削余量對(duì)曲軸圓角殘余應(yīng)力影響較小，對(duì)側(cè)臺(tái)殘余應(yīng)力影響較大。但此研究只能通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行，需要耗費(fèi)一定的時(shí)間和成本，如果能夠采用數(shù)值仿真計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算分析，可以降低生產(chǎn)成本并縮短時(shí)間。

內(nèi)燃機(jī)中的大多數(shù)曲軸采用鍛鋼制造，由球墨鑄鐵材料鑄造而成的空心曲軸在降低曲軸質(zhì)量的同時(shí)可以降低生產(chǎn)成本，如果能夠保證其具有足夠的強(qiáng)度和良好的抗疲勞性能，空心曲軸在未來(lái)內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用將更為廣泛。目前，已有采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵的空心鑄造曲軸應(yīng)用于汽油機(jī)中，但對(duì)柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。BASIC M等［52］采用數(shù)值仿真計(jì)算的方法，研究了瞬態(tài)條件下空心曲軸的局部變形，及該變形對(duì)耐久性和滑動(dòng)軸承性能的影響，分析時(shí)考慮了空心銷(xiāo)與連桿、軸頸和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的全彈性面對(duì)面接觸，并將此研究方法與結(jié)合了有限元分析和多軸疲勞評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)方法低估了銷(xiāo)孔內(nèi)表面的拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力，指出了在空心曲軸的孔區(qū)域耐久性研究中采用面-面彈性流體滑動(dòng)軸承模型的必要性。

2 結(jié)束語(yǔ)

1）曲軸結(jié)構(gòu)可靠性仿真計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)

曲軸結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算總體上呈現(xiàn)邊界條件精準(zhǔn)化、計(jì)算方法多樣化和學(xué)科知識(shí)交叉化的發(fā)展趨勢(shì)。

隨著內(nèi)燃機(jī)向高強(qiáng)化和高功率密度方向的發(fā)展，在保證曲軸結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算效率的前提下，如何提高仿真真實(shí)性以及提升仿真精度已成為曲軸結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。同時(shí)，不同類(lèi)型曲軸的數(shù)值仿真計(jì)算邊界條件、不同仿真類(lèi)型的計(jì)算方法和多學(xué)科知識(shí)的交叉將推動(dòng)曲軸結(jié)構(gòu)可靠性仿真計(jì)算的多樣化，以適應(yīng)未來(lái)曲軸結(jié)構(gòu)可靠性仿真的復(fù)雜、個(gè)性化工程需求。

2）我國(guó)自主化曲軸結(jié)構(gòu)可靠性仿真計(jì)算能力

從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，我國(guó)曲軸結(jié)構(gòu)可靠性仿真計(jì)算水平相對(duì)比較落后，其原始技術(shù)幾乎從國(guó)外引進(jìn)，不僅耗資巨大，而且技術(shù)核心仍然掌握在國(guó)外企業(yè)手中，這同時(shí)影響到我國(guó)內(nèi)燃機(jī)制造業(yè)。為此，必須立足國(guó)情，針對(duì)我國(guó)汽車(chē)保有量大的特點(diǎn)，集中產(chǎn)學(xué)研用等行業(yè)優(yōu)質(zhì)資源，完善協(xié)同創(chuàng)新體系，在已有基礎(chǔ)上開(kāi)展持久、全面、深入的理論研究和技術(shù)攻關(guān)工作，以打破國(guó)外技術(shù)封鎖，全面提升我國(guó)曲軸結(jié)構(gòu)可靠性仿真計(jì)算能力。