曲軸滾壓關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)理論與數(shù)值模擬

前言

　　曲軸作為內(nèi)燃機(jī)中最重要的部件之一，其結(jié)構(gòu)參數(shù)以及加工工藝水平不僅影響著整機(jī)的尺寸和重量，而且在很大程度上影響著內(nèi)燃機(jī)的可靠性與壽命。近年來(lái)隨著對(duì)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性、可靠性要求的不斷提高，曲軸的工作條件愈加苛刻，曲軸的強(qiáng)度問(wèn)題變得更加重要。為了使曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)更加科學(xué)，在曲軸的強(qiáng)度和曲軸的合理強(qiáng)化問(wèn)題上國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，但歸納起來(lái)仍存在著以下幾方面的問(wèn)題：①有限元技術(shù)是一種計(jì)算曲軸疲勞強(qiáng)度的行之有效的方法，但目前曲軸有限元分析模型采用了形式各異的簡(jiǎn)化原則與方法，邊界條件處理方法千差萬(wàn)別，針對(duì)具體型號(hào)產(chǎn)品的重復(fù)研究問(wèn)題較為嚴(yán)重；②由于曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模時(shí)間較長(zhǎng)，為了提高效率，印度汽車工業(yè)研究院的Athavale等人提出了曲軸幾何模型參數(shù)化的概念，但遺憾的是其僅僅對(duì)曲軸的少量結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了參數(shù)化處理，對(duì)有限元模型的載荷與邊界條件、材料性能參數(shù)和網(wǎng)格劃分參數(shù)卻只能手工處理，并且通用化程度低——只能針對(duì)小型風(fēng)冷汽油機(jī)曲軸；③曲軸圓角滾壓強(qiáng)化工藝是一種理想的曲軸表面強(qiáng)化手段，在曲軸強(qiáng)化的工藝方法上有著廣闊的發(fā)展前途，但國(guó)內(nèi)外在曲軸滾壓強(qiáng)化工藝研究上局限于試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)方法和理論研究的欠缺導(dǎo)致滾壓刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、滾壓工藝參數(shù)選擇無(wú)據(jù)可依，在很大程度上限制了滾壓質(zhì)量的提高；④曲軸的強(qiáng)度和強(qiáng)化方法、工藝的選擇是密不可分的，然而，已有的曲軸強(qiáng)度分析模型都沒(méi)有考慮曲軸的強(qiáng)化效應(yīng)，而只能在疲勞強(qiáng)度或壽命計(jì)算時(shí)以一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的強(qiáng)化系數(shù)來(lái)予以修正，這顯然在很大程度上影響了曲軸強(qiáng)度分析的準(zhǔn)確性和可靠性，也不利于對(duì)曲軸的強(qiáng)化效果進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)。

內(nèi)容概要

　　《曲軸滾壓關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)理論與數(shù)值模擬》為國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“曲軸滾壓關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)理論研究”的主要研究成果。作者圍繞曲軸的強(qiáng)度分析和滾壓強(qiáng)化問(wèn)題進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，提出了曲軸滾壓刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和載荷參數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與方法；對(duì)曲軸滾壓強(qiáng)化的表面硬化層的深度和殘余應(yīng)力進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，探討滾壓工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力與變形層分布及數(shù)值上的影響；在對(duì)曲軸有限元，模型規(guī)范化研究的基礎(chǔ)上，提出了通用化的分析模塊劃分方法、模型參數(shù)化方法和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法；通過(guò)顯式-隱式求解手段將滾壓強(qiáng)化和強(qiáng)度分析模型有機(jī)地融合在一起，形成統(tǒng)一的分析模型，研究考慮滾壓強(qiáng)化效應(yīng)的曲軸有限元建模與分析方法，對(duì)曲軸滾壓后的殘余變形進(jìn)行了分析計(jì)算。《曲軸滾壓關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)理論與數(shù)值模擬》內(nèi)容在一定程度上解決了工程上滾壓工藝參數(shù)和刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇無(wú)據(jù)可依的問(wèn)題，為科學(xué)評(píng)價(jià)滾壓強(qiáng)化效果提供了方法和依據(jù)?！　　肚S滾壓關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)理論與數(shù)值模擬》建立的圓弧接觸線回轉(zhuǎn)體摩擦傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型不僅為曲軸園角滾壓運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，也為該類傳動(dòng)提供了一種減小滑動(dòng)、提高傳動(dòng)效率的新方法。作者將應(yīng)力狀態(tài)和軟性系數(shù)等概念引入了接觸問(wèn)題，對(duì)加工硬化現(xiàn)象中的表層、亞表層和深層給出了公式化的量化描述。書中提出的多項(xiàng)式插值的加權(quán)平均法推導(dǎo)過(guò)程簡(jiǎn)單、思路清晰，具有明確的物理意義并簡(jiǎn)化了三角形單元和四邊形等參元的形函數(shù)推導(dǎo)過(guò)程?！　　肚S滾壓關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)理論與數(shù)值模擬》可供企業(yè)中從事曲軸強(qiáng)度和強(qiáng)化研究與實(shí)踐的專業(yè)技術(shù)人員參考使用，亦可供機(jī)械設(shè)計(jì)、汽車與動(dòng)力機(jī)械工程、應(yīng)用力學(xué)等相關(guān)專業(yè)的科研人員、工程技術(shù)人員和碩士、博士研究生參考。

作者簡(jiǎn)介

　　劉榮昌，男，1970年6月生，1993年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)汽車拖拉機(jī)專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2001年3月畢業(yè)于西安理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，獲工學(xué)碩士學(xué)位，2005年6月畢業(yè)于西安理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、車輛工程等方面的研究工作，完成河北省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目和河北省教育廳項(xiàng)目各一項(xiàng)，獲河北省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)一項(xiàng)，主講的2門課程被評(píng)為省級(jí)精品課程，現(xiàn)主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目一項(xiàng)，主研河北省教育廳項(xiàng)目2項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，其中18篇被EI收錄。現(xiàn)為河北科技師范學(xué)院副教授，機(jī)電工程學(xué)院院長(zhǎng)。機(jī)械工程類專業(yè)帶頭人。校級(jí)學(xué)術(shù)骨干，受聘擔(dān)任《內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)》特邀編委。秦皇島市第七批專業(yè)技術(shù)拔尖人才。　　馬淑英，女，1952年10月生，河北科技師范學(xué)院教授。曾任農(nóng)業(yè)機(jī)械化專業(yè)教研室主任，現(xiàn)任農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化專業(yè)帶頭人，碩士研究生導(dǎo)師。1975年畢業(yè)以來(lái)，一直從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化本科專業(yè)的教學(xué)與科研工作。主講《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)》、《農(nóng)業(yè)機(jī)械化管理學(xué)》、《汽車?yán)碚摗贰ⅰ镀囘\(yùn)用工程》、《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修》等課程。獲河北省教學(xué)成果二、三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，省優(yōu)秀多媒體課件二等獎(jiǎng)和學(xué)院教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。主編國(guó)家規(guī)劃教材《農(nóng)機(jī)檢測(cè)技術(shù)》、《農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)》和《栽培設(shè)施工程技術(shù)》。省級(jí)精品課負(fù)責(zé)人和省級(jí)教學(xué)名師。科研方面。主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)檢測(cè)等方面的研究。先后取得科研成果14項(xiàng)；獲得河北省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。中國(guó)職業(yè)教育學(xué)會(huì)一等獎(jiǎng)，多次獲得市（廳）級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇；現(xiàn)承擔(dān)國(guó)家自然基金、省科技廳和省教育廳科研項(xiàng)目6項(xiàng)。2004年被評(píng)為秦皇島市優(yōu)秀教師，2007年被評(píng)為河北省模范教師，2008年被評(píng)為學(xué)校教學(xué)名師和巾幗建功標(biāo)兵，2009年評(píng)為河北省教學(xué)名師。　　馬國(guó)清，男，1970年12月生，1993年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)汽車拖拉機(jī)專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位。2001年3月畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)。獲工學(xué)碩士學(xué)位，2005年3月畢業(yè)于天津大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位。2005年4月至2008年8月在河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程博士后流動(dòng)站和中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司從事博士后研究工作。主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、車輛工程等方面的研究工作。參與國(guó)家863項(xiàng)目及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目各一項(xiàng)，主持完成中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司項(xiàng)目一項(xiàng)。成功申請(qǐng)一項(xiàng)實(shí)用新型專利，與他人合作編寫教材一部。發(fā)表學(xué)術(shù)論文15篇。其中被三大索引收錄論文五篇?，F(xiàn)為煙臺(tái)大學(xué)副教授，機(jī)電汽車工程學(xué)院副院長(zhǎng)。

書籍目錄

第1章 概論1.1 曲軸的強(qiáng)度研究回顧1.2 提高曲軸疲勞壽命的方法和途徑1.3 曲軸圓角滾壓工藝1.4 本書的主要內(nèi)容第2章 曲軸的參數(shù)化建模與有限元分析2.1 有限元法的理論基礎(chǔ)和計(jì)算平臺(tái)2.2 曲軸CAE模型的規(guī)范化2.3 曲軸CAE模型的參數(shù)化2.4 參數(shù)化曲軸有限元分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)2.5 直列四缸曲軸分析示例2.6 結(jié)論第3章 滾壓基本工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)方法3.1 圓角滾壓運(yùn)動(dòng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)3.2 加載范圍與原則的選擇和確定3.3 滾壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本計(jì)算3.4 加工硬化層深度的軟性系數(shù)描述3.5 曲軸滾壓加工的數(shù)值模擬第4章 確定最佳滾壓參數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法4.1 最佳殘余應(yīng)力理論4.2 曲軸具體工況有限元模擬4.3 曲軸圓角滾壓的正交試驗(yàn)4.4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)4.5 最佳滾壓參數(shù)的確定第5章 多項(xiàng)式插值的加權(quán)平均法及其應(yīng)用5.1 引言5.2 加權(quán)平均法的物理意義5.3 單自變量的情況5.4 兩自變量的情況5.5 在有限元形函數(shù)推導(dǎo)中的應(yīng)用5.6 結(jié)論第6章 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的曲軸系動(dòng)力學(xué)分析6.1 基于Kane-Huston方法的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)建模及仿真6.2 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的曲軸系動(dòng)力學(xué)分析6.3 曲軸的固有動(dòng)力學(xué)特性分析6.4 曲軸系受迫振動(dòng)分析第7章 曲軸滾壓的顯式動(dòng)力學(xué)分析7.1 滾壓過(guò)程的顯式動(dòng)力學(xué)模擬7.2 考慮滾壓強(qiáng)化效應(yīng)的曲軸強(qiáng)度分析7.3 滾壓加工殘余變形的有限元分析參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章 概論　　曲軸是汽車、拖拉機(jī)動(dòng)力裝置的核心零件之一，在內(nèi)燃機(jī)的五大件（機(jī)體、缸蓋、曲軸、連桿、凸輪組）中，曲軸具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工制造困難、承受載荷較大并且受力狀態(tài)復(fù)雜等特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)以及加工工藝水平不僅影響著整機(jī)的尺寸和重量，而且很大程度上影響著內(nèi)燃機(jī)的可靠性與壽命。由于曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性較差，在制造過(guò)程中又受到冷熱加工等各種因素的影響，因此，處于工作狀態(tài)的曲軸各部分應(yīng)力分布是不均勻與交變的，尤其是在曲柄臂和過(guò)渡圓角部位會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。同時(shí)，曲軸的主軸頸、連桿軸頸及其軸承副高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也會(huì)造成磨損和發(fā)熱燒損。曲軸的主要失效形式是疲勞斷裂和軸頸嚴(yán)重磨損，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)正?？煽康毓ぷ?，要求曲軸有足夠的強(qiáng)度、剛度、耐磨性和平衡精度，所以有必要提高曲軸的強(qiáng)度?！　“l(fā)動(dòng)機(jī)曲軸圓角滾壓工藝、設(shè)備及其相關(guān)技術(shù)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前汽車工業(yè)發(fā)展，特別是轎車工業(yè)發(fā)展不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。但是到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)曲軸滾壓的工藝研究尚不十分充分，如曲軸材料、殘余應(yīng)力狀態(tài)、滾壓工藝參數(shù)等因素對(duì)滾壓層和曲軸疲勞強(qiáng)度的影響方面還缺乏系統(tǒng)的研究，曲軸滾壓參數(shù)的選取、滾壓效果的評(píng)價(jià)還沒(méi)有一套科學(xué)合理的方法。針對(duì)上述問(wèn)題，本書作者于2007年申報(bào)了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“曲軸滾壓關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)理論研究”，本書在總結(jié)曲軸強(qiáng)度分析和滾壓強(qiáng)化已有成果的基礎(chǔ)上，主要介紹作者在此方面所取得的工作成果。

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