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1、 参考资料 商用车商用车 EQ1090EQ1090 曲轴裂纹故障分析毕曲轴裂纹故障分析毕 业论文业论文 目录 摘要 I Abstract II 1 绪论 1 1 1 课题的来源与意义 1 1 1 1 课题的来源 1 1 1 2 课题的意义 1 1 2 国外研究现状 1 1 2 1 国研究现状 1 1 2 2 国外研究现状 3 1 3 本课题的主要研究容 4 2 有限元理论基础 6 2 1 有限元的基本思想 6 2 2 有限元的分析步骤 6 2 3 模态分析概述 10 2 4 结构动力学有限元理论 11 3 基于固有频率变化的横向裂纹识别研究 13 3 1 裂纹的存在对轴的固有频率的影响 13
2、3 2 等截面光轴 悬臂梁 的横向裂纹研究 14 3 2 1 有限元分析软件 ANSYS 简介 14 3 2 2 MATLAB 简介 15 3 2 3 系统分析模型 16 3 2 4 裂纹位置与裂纹深度的变化对轴固有频率的影响 20 参考资料 3 2 5 裂纹识别的准确性探究 23 4 曲轴的横向裂纹研究 27 4 1 曲轴实体模型的建立 27 4 1 1 CATIA V5 简介 27 4 1 2 曲轴建模过程 27 4 2 曲轴模态分析结果 30 4 2 1 曲轴实体模型有限元网格划分 31 4 2 2 无裂纹自由模态曲轴振动特性 31 4 2 3 无裂纹约束模态曲轴振动特性 34 4 2
3、4 含裂纹自由模态曲轴振动特性 37 4 2 5 模态频率识别横向裂纹的局限性 40 5 结论与展望 41 5 1 结论 41 5 2 展望 41 致谢 43 参考文献 44 附表附表 不同位置与深度光轴有无裂纹固有频率变化分布表 不同位置与深度光轴有无裂纹固有频率变化分布表 45 附表附表 含裂纹曲轴频率大于零的前 含裂纹曲轴频率大于零的前3 3阶固有频率差值表阶固有频率差值表 64 附录附录 电子文档清单 电子文档清单 65 参考资料 1 绪论 1 1 课题的来源与意义 1 1 1 课题的来源 本课题来源于汽车工业学院汽车工程系 基于曲轴实际使用过程中 因疲劳破坏 而导致疲劳裂纹进而引起断
4、裂的事故 利用有限元模态分析研究曲轴的横向裂纹识别 1 1 2 课题的意义 曲轴是发动机的重要零部件之一 承受着复杂 交变的冲击载荷 随着发动机的 发展和强化 曲轴的工作条件也愈加苛刻 因而 保证曲轴的工作可靠性是至关重要 的 也是发动机设计中的重点与难点 实际工作过程中 由于曲轴承受着周期性载荷 力作用 因而 在发动机工作转速围可能会发生共振现象 导致动应力急剧增大 从 而致使曲轴过早的出现弯曲疲劳和扭转疲劳破坏 使得曲轴部产生疲劳裂纹 而疲劳 裂纹会使材料应力水平急剧降低 导致曲轴在力的作用下很容易发生断裂 但是 传 统的静力学设计与经验设计已不能满足实际设计要求 而动力学设计却能很好的满
5、足 所要求的曲轴动力学特性 所以 对曲轴进行动态特性分析是必要的 基于有限元模 态分析用于确定设计机构或机器部件的振动特性 即承受动态载荷结构设计中的重要 参数 结构的固有频率和振型 因此 利用有限元模态分析来获取不同状态下曲轴的 动态特性规律以达到识别及控制预防曲轴所产生疲劳裂纹的目的 降低事故发生的频 率 所以 对曲轴的模态分析及裂纹故障分析具有重要的意义 1 2 国外研究现状 1 2 1 国研究现状 在我国 大量的学者在这一领域进行了深入地研究 虽然 他们所采用的方法不 尽相同 但是 取得了一定的研究成果 唐小兵等人阐述了结构裂纹位置识别的模态应变能法 利用模态应变能法 研究 参考资料
6、结构裂纹的位置识别问题 首先 他们采用有限元方法分析了裂纹位置及深度对结构 固有频率的影响 并绘制了固有频率随裂纹位置的变化曲线 其次 他们将该曲线与 有限元分析所获得的模态应变能分布曲线及应变模态振型进行了对比研究 最后 利 用结构固有频率的改变量对裂纹位置进行识别 讨论了不同单元划分和不同模态阶数 对裂纹位置识别的影响 他们以悬臂梁结构分析为算例 证明该方法能较好的识别具 有单个裂纹结构的裂纹位置 王璋奇 贾建援以带有边界表面裂纹的 Euler Bernoulli 悬臂梁 如图 1 1 其中 L1 表示裂纹距离固定端的距离 L 表示悬臂梁的全长 作为分析模型 将含有裂纹的 梁的振动问题转化
7、为由弹性铰链结的两个弹性梁系统的振动问题 并从中得出理论计 算含裂纹梁振动频率的特征方程 从而 依据得到的特征方程计算出裂纹的位置与深 度变化对悬臂梁振动固有频率的影响变化规律 并以此得出裂纹的所在位置及其深度 其实质是梁结构中存在的裂纹引起梁结构的刚度变化 结构导致梁的振动频率变化 从而 根据梁振动的频率来推算裂纹的相关参数 图 1 1 含裂纹的 Euler Bernoulli 悬臂梁模型 杜彦卫等人基于断裂理论确定含裂纹结构的柔度 采用开闭模型 推导了固定坐 标系中含裂纹轴的运动微分方程 分析研究了含横向裂纹Jeffcott转子 如图1 2所示 在裂纹深度发生变化时的动力学行为 并以此为基
8、础进行了数值计算 他们的研究结 论是 当裂纹深度较小时 振动响应中就出现了两倍及三倍等倍频分量 并产生分频共 振现象 当裂纹转子在临界转速以上运行时 其转轴频率响应和涡动幅值对裂纹深度变 化不甚敏感 但高频分量还会出现 crack L1 L 参考资料 图 1 2 Jeffcott 转子模型 同样 正茂 肖锡武则是以水平放置的Jeffcott裂纹转子为研究对象 建立了弯 扭耦合振动的非线性运动微分方程 并采用数值方法分析了该转子系统的动力响应 结果表明 弯扭耦合振动是通过不平衡量来实现的 不平衡偏心较大时 扭转对弯曲振 动的影响主要体现在高转速部分 且随着裂纹深度的增加 受影响的转速下限降低 当
9、裂纹较深 转速较高时 扭转对弯曲振动有明显的影响 使频谱图和轴心轨迹都发 生较大的变化 且对转速的变化极为敏感 通过以上的结论 作者告诫说 在故障诊 断时必须对扭转耦合作用高度重视 1 2 2 国外研究现状 在国外 对于结构物的破损诊断研究早己是一个研究热点 许多的学者致力于该 领域的研究 Y Narkis E Elmalah 1 根据前人提出的利用含横向裂纹悬臂梁前后两种状态下 其固有频率的变化来识别裂纹在梁上的位置的多种方法 指出 在这两种状态之间因为 夹具刚度的变化 采用通过固有频率的变化来识别裂纹在悬臂梁上位置的各种方法有 可能产生很大的误差 他们提出了在夹具刚度未知并可能随时间变化的
10、情形下 只要 监测三个自然弯曲频率 就可以识别出悬臂梁横向裂纹在轴上的位置 并通过实验证 明了他们方法的正确性 Colin P Ratclifer 2 探讨了在对未破损结构缺乏先验知识的情况下 如何定位结 构破损的方法 其实质是利用试验所测得的频率响应获取位移关于频率的相关函数 并将该函数转变为曲率函数 以进一步的处理 从而得到一个破坏指数 该指数即显 crack 参考资料 示了不同的频率所对应的破损位置 T G Chondros A D Dimarogonas将带有裂纹的悬臂梁看作一维连续体 利用Hu Washizu梁振动公式发展了该微分公式和边界条件 使用断裂力学方法所建立的裂纹附 近的位
11、移区域 将裂纹建模为一个连续柔度 通过实验 他们发现将裂纹建模为一个 连续柔度较之建模为集总柔度 更加接近于实验的结果 G Meng R Gasch研究了被不同的径向轴承所支撑的带有裂纹的扰性转轴的稳定性 和稳定度的问题 他们发现无论使用哪种轴承 由转轴裂纹位置所引起的不稳定区域 总是和转轴的旋转速度有关 综合以上各位学者的研究 我们不难发现他们从以下几个方面进行相关研究 1 轴上的横向裂纹数学描述 如 将裂纹模拟为弹性铰链或将裂纹模拟为一个连 续柔度 2 不同条件下含横向裂纹的轴的动态特性研究 如 研究含裂纹轴的弯扭耦合振 动特性或研究径向轴承支撑下的裂纹轴的稳定度和稳定性 3 轴上的横向裂
12、纹的识别方法研究 如 应用模态应变能法识别横向裂纹的位置 虽然 以上的研究对于我们清楚认识轴上的裂纹有所帮助 但是 这些研究却也 存在以下几方面的局限性 1 研究所采用的模型不一致 研究所采用的分析模型都很简单 不外乎悬臂梁模 型 Jeffcott转子模型或者是等截面梁模型 虽然对这几种模型上的裂纹进行了比较 充分的研究 也提出了许多识别这几种模型裂纹的方法 但是研究所得出的结论和方 法只适用于特定的对象 揭示的是特定对象的特性 因而 其通用性 普遍性很难保 证 2 针对单个结构进行研究 现实中 所要识别裂纹的结构往往处在某个系统中 对结构裂纹的识别往往涉及到整个系统的动态特性 1 3 本课题
13、的主要研究容 本课题是在参考其他学者研究方法的基础上 以机械振动模态理论为指导 基于 CATIA 软件创建的曲轴三维实体模型 在 ANSYS 9 0 软件平台上研究曲轴含横向裂纹前 参考资料 后两种状态下的动力学特性 用以探讨曲轴的裂纹识别 课题的研究容均是线性结构条 件下曲轴的动态特性 根据课题所要达到的研究目的 拟从如下三个方面进行研究 1 悬臂梁形式下的等截面光轴动态特性研究 主要目的是研究等截面光轴上不同 位置 深度的裂纹对等截面光轴固有频率的影响 基于含裂纹等截面光轴的固有频率 变化规律来识别等截面光轴上裂纹的具体位置与深度 2 研究无裂纹曲轴自由 约束两种状态下模态应力图 主要目的
14、是研究无裂纹曲 轴在两种状态下其主要集中应力部位 应避免出现裂纹的部位 为后续工作的含裂纹 曲轴的裂纹开口的位置选择提供依据 3 研究一个固定位置处 不同深度的裂纹对自由约束条件下含横向裂纹的曲轴固 有特性的影响 主要目的是找出不同深度的裂纹对曲轴固有频率影响的变化规律 得 出一定的结论 为曲轴的裂纹识别提供参考 虽然 本课题仅针对曲轴横向裂纹进行了研究 但是 研究过程中所采用的方法 和所得出的相关结论对相应领域的研究还是有所参考与借鉴的 参考资料 2 有限元理论基础 有限元法是最近三四十年来随着计算机的发展而发展起来的用于各种结构分析的 数值计算方法 它运用离散概念 把弹性连续体划分为一个由
15、若干有限单元组成的集 合体 通过单元分析和组合 得到一组联立代数方程组 最后求解数值解 2 1 有限元的基本思想 有限元的基本思想 3 可概括为 先分后合 或 化整为零又积零为整 具体地说 就是先将连续的求解域离散为有限个单元体 使其只在有限和指定的节点上相互连结 然后 针对每个单元选择一个比较简单的函数作近似表达的物理量 如单元的应力后 位移 并由问题所描叙的基本方程建立单元节点的平衡方程组 再将所有单元的方程 组组集成表示整个结构力学特性的整体代数方程组 最后引入边界条件求解代数方程 组获得数值解 如结构的应力分布和位移分布等 有限元是在力学模型上近似的数值方法 其近似性表现在两个方面 1
16、 单元与单元之间只通过节点连结 力通过节点传递 2 每个单元上物理量的分布规律是近似假定的 2 2 有限元的分析步骤 有限元法的实质是把具有无限多个自由度的弹性连续体理想化为只有有限个自由 度的单元集合体 使问题简化为适合于数值解法的结构型问题 其计算步骤概括起来 可分为以下七步 1 结构离散 有限元前处理 结构离散是将实际结构划分为有限个单元 使力学模型变为离散结构 如图 2 1 所示 它既是有限元法分析的第一步 也是最重要的一步 因为它关系到计算精度和 计算效率 如图 2 2 所示 参考资料 图 2 1 力学模型的离散 图 2 2 结构离散与计算精度的关系 单元类型的选择是有限元离散化过程中的一个重要环节 应根据被分析结构的几 何形状特点 结合载荷 约束 计算精度要求以及描述该问题所必需的独立空间坐标 的数目等全面考虑 除杆单元外 平面问题常用的单元有简单三角形单元 轴对称三 角形环单元 矩形单元 八节点任意四边形单元以及曲边形单元 空间问题常用的单 元有四面体单元 长方体单元 任意六面体单元以及曲面六面体单元等 选择单元类型后 接着要考虑单元的大小 即网格密度 着重要根据精度的要
