曲轴是内燃机最为重要的部件之一，曲轴裂纹甚至断裂是发生频率较高故障，为了提高内燃机的维修性、避免重大事故的发生及减小事故的危害性，开展关于曲轴裂纹故障诊断的研究非常必要，这是一个有着实用意义的课题。大量的研究已经证明振动分析法对于内燃机故障而言是非常有效的途径，于是我们利用此方法分析裂纹出现后以及随着裂纹加深时曲轴动态振动特性的变化特点，探索并从中提取能够表征裂纹故障的特征参数。经过参考目前的研究现状并考虑到实验研究的局限性，本研究主要立足于理论，目的是为实验研究提供参考与指导，为最终实现曲轴裂纹在线监测与诊断奠定基础。 采用振动分析法进行故障诊断首先要检测振动信号，在这里我们获取曲轴振动信号的途径是通过模拟计算。但由于曲轴的几何形状、边界条件和作用载荷都非常复杂，要得到精度足够的结果并保证运算规模适当，建立合理的计算模型是问题关键所在。从以前研究的状况来看，空间实体有限元法能得到精度较高的结果，但因为受到运算规模的限制，它目前多被应用于静力学分析或简单的模态分析；以Euler梁理论为基础建立的某些模型取得了一定的成果，但曲轴的各部分的细长比明显超出Euler梁理论的允许范围，因而其精度有限；其它的某些建模方法因为过于简化或适用范围太窄，所计算的结果与实际相差较大。综合考虑运算规模与结果精度，结合曲轴的结构与运行特点，提出以一种基于Timoshenko梁理论(考虑了剪切变形与转动惯量)的空间梁单元(以后简称为Timoshenko梁单元)基础建立曲轴有限元模型，并详细演示建立曲轴—飞轮—支撑为一体的系统模型的全部过程。 为了证明计算模型的合理性与有效性，首先以一单缸发动机曲轴为研究对象，分别采用上述方法与实体有限元法进行模态计算，对比结果后表明二者在精度上非常接近。随后采用该方法给一四缸发动机曲轴建立模型并对其进行振动模态分析，将所计算得到的结果与其它研究结果及实验数据进行对比，比较的结果明确显示该方法计算的结果更为接近实验数据。其间，考虑到飞轮的结构通常为薄体，且其质量在曲轴系统中占有的比例较大，于是采用实体单元对其进行网格剖分，采用合理的方法连接实体单元与梁单元而构成轴系细分模型。针对具体实例分析后的结果显示细分模型使结果精度得到丁更大的改善，并找出了部分误差产生的原因，从而进一步在另一个侧面证明了采用Timoshenko梁单元模拟曲轴体的合理性。紧接着，利用该方法为此四缸发动机曲轴建立谐响应分析与动力响应分析模型，模拟计算的结果取得了前后一致。 在确立了曲轴系统计算模型的基础上，我们提出采用含有45°角斜向裂纹的矩形截面梁单元模拟在内接合圆角处出现裂纹的曲柄臂；采用含有45°角斜向裂纹的圆形截面梁单元来模拟油孔边缘出现裂纹的曲柄销，并建立裂纹曲轴模型。裂纹梁单元的刚度矩阵是综合运用材料力学、断裂力学及固体力学方面的基础知识，经推导、演绎而得到，其准确度经过了对比验证。运用所建立的裂纹模型，首先分析了裂纹深度、位置及数量对曲轴振动模态的影响。其结果表明：随着裂纹的深度加深、裂纹数量的增多，系统的各阶固有频率会降低，但是各阶之间降低的幅度不一样，振型的变化也会越来越明显；当裂纹的位置变动时，各阶频率的变化幅度会随之改变；虽然裂纹深度、位置及数量与振动模态有着密切的联系，大连理工大学博士学位论文但是其规律却难于统计特别是裂纹较小时，其变化的幅度很小。其次分析了裂纹对系统频响特性的影响，并得出结论:各点的振动响应峰值以及峰值所对应的频率值都随着裂纹的加深而出现不同程度的变化，但除了自由端扭振的各峰值随着裂纹的加深而增大外，其它各峰值的变化并没有特定的规律:在裂纹较小时，各点各向的振动峰值对裂纹并不是特别敏感(变化幅度较小)，尤其是自由端的扭振与纵振更不明显。这些现象说明仅通过模态分析或频响特性分析是很难达到诊断裂纹故障的目的。鉴于此，最后建立了基于呼吸裂纹的非线性动力学运动方程，模拟计算裂纹曲轴的非线性振动响应，以获取各点各方向的振动信号。 故障特征的提取是机械故障诊断中极为重要的一步，利用振动分析法中常用的时域分析、频域分析、时频分析以及分维计算等手段，仍然以同一四缸发动曲轴为例，以曲轴自由端所对应的节点的扭转振动加速度、纵向振动加速度，以及轴承支撑所对应的节点在水平方向和垂直方向的振动加速度为分析对象，经过对存在不同深度、不同位置裂纹的各种情况进行大量的分析、比较及统计后得出结论:在时域中，除扭振的幅域参数因不同深度裂纹引起的变化比较有规律外，其它几项参数的振动变化在裂纹较小时没有明显特征;扭振、纵振的幅域参数对裂纹有感应但变化幅度很小，相对而言轴承支撑点处振动的幅域参数变化的幅度较大。在频域中，各项参数的振动变化除了有其自身特点外，它们都在裂纹出现后会产生高频成份，并随着裂纹的加深呈现出高频成份幅值增大的规律;但增大的幅度各不相同，比较后发现:离裂纹最近的支撑点在水平方向的振动对裂纹最为敏感:基于小波变换的时频分?