曲轴是发动机的重要零部件之一,在工作过程中会受到来自不同激励源的载荷作用,并导致圆角、油孔等部位因为应力集中而产生疲劳破坏。同时由于发动机爆压的提升和轻量化设计,对于曲轴的疲劳强度的要求也是越来越高。传统的试验或者利用疲劳分析软件等疲劳设计方法在研究曲轴的疲劳特性时,往往会导致成本较高或者精度不足等问题。同时一些相关的疲劳损伤模型在实际工程应用当中,其研究对象的应用范围及适用性也缺乏明确的标准和规定。因此选择合适的疲劳损伤模型,在设计阶段对曲轴的疲劳强度进行准确的预测,对于曲轴的结构抗疲劳设计有着重要的意义。针对上述的这些问题,本文主要展开了以下工作:(1)曲轴应力应变状态有限元分析及验证。基于曲轴自身的结构特点,分析各个曲拐的受力历程,在此基础上对曲轴的整轴模型进行合理的简化,利用有限元建立相应的简化模型并以此代替整轴进行疲劳研究,并对分析结果进行试验验证。同时针对现有的曲轴疲劳试验系统,对比分析了不同试验方法的结果及其合理性,为后续的相关研究奠定基础。(2)疲劳缺口系数模型在曲轴疲劳极限载荷预测中的应用研究。将曲轴作缺口件处理,基于曲轴的疲劳破坏类型,选择相应的疲劳缺口系数模型对其进行疲劳极限载荷预测研究。通过对某款已有试验数据的曲轴在其疲劳极限载荷作用下的应力状态进行分析,并基于不同的抗弯截面定义方式和应力集中系数计算方法,对曲轴在相应的定义下的应力集中系数及缺口疲劳系数进行推算,在此基础上对材料属性一致,但是圆角半径不同的曲轴的疲劳极限载荷进行预测,并对预测结果进行试验验证以及应力计算结果误差影响分析。(3)多轴疲劳理论在曲轴疲劳极限载荷预测中的应用研究。基于多轴疲劳理论,通过对曲轴在外载作用下的应力状态进行分析,确定曲轴在该载荷工况下的损伤类型,在此基础上选择合适的多轴疲劳模型,对材料属性一致,但是圆角半径不同的曲轴的疲劳极限载荷进行预测,并对预测结果进行试验验证以及模型相关应力应变参数计算结果误差影响分析。(4)间接定义的临界距离法在曲轴疲劳极限载荷预测中的应用研究。基于传统的间接定义的临界距离法的相关定义以及不同的强度理论,通过对某款曲轴在疲劳极限载荷作用下相应的应力分布状态进行分析,确定该曲轴在不同强度理论下的临界距离值。同时针对传统临界距离修正方法的不足,提出一种新的修正方法,在此基础上分别基于临界点法和临界线法,对圆角半径不同、材料属性一致的曲轴的疲劳极限载荷进行预测,并对预测结果进行试验验证以及模型参数计算结果的误差影响分析。(5)直接定义的临界距离法在曲轴结构疲劳特性预测中的应用研究。基于临界距离法的直接定义法及多轴疲劳理论,通过对某款曲轴在弯矩载荷作用下的应力分布进行分析,利用裂纹模拟法确定曲轴的临界距离值。在此基础上选择合适的强度理论和临界距离法,对圆角半径不同、材料属性一致的曲轴的疲劳极限载荷进行预测,并对预测结果进行试验验证以及模型参数计算结果的误差影响分析。通过上述工作,主要获得了以下结论:(1)曲轴的有限元分析及试验验证。基于曲轴自身的结构特点,分析各个曲拐的受力历程,结果表明各曲拐的受力历程一致,因此可以以某一曲拐代替整轴进行研究。利用有限元法对曲拐在弯矩载荷作用下的应力状态进行分析,结果表明当曲轴有限元模型圆角位置的网格尺寸由2mm减至0.5mm时,最大应力值的仿真结果趋于收敛。并且在同一载荷作用下,有限元仿真计算的应力结果与试验值的误差都保持在±10%的误差区间内,因此后续研究中可以利用该模型对曲轴进行疲劳分析。(2)疲劳缺口系数在曲轴疲劳极限载荷预测中的研究应用。基于曲轴的高周疲劳特性和应力集中现象,选择Peterson疲劳缺口系数模型以及不同的抗弯截面定义方式,对曲轴的应力集中系数及缺口疲劳系数进行推算,在此基础上对材料属性一致,但是曲拐结构不同的曲轴的疲劳极限载荷进行预测,并对预测结果进行试验验证。预测结果与试验结果对比表明该方法在基于不同的抗弯截面定义方法时,大部分预测结果的误差都小于10%,具有一定的工程实用价值。同时在对圆角结构不同的曲轴的疲劳极限载荷进行预测时,基于抗弯截面第三定义法的预测结果具有更高的精确度,并且对应力计算结果的误差的敏感度更低,因此更适合在实际工程当中采用。(3)多轴疲劳理论在曲轴疲劳极限载荷预测中的应用研究。通过对曲轴在台架试验时的应力状态进行分析,确定曲轴的在该载荷工况下的破坏类型为剪切型破坏,在此基础上利用KBM和Mc Diarmid这两种剪切型多轴疲劳模型对曲拐结构不同、材料属性一致的曲轴的疲劳极限载荷进行预测,并对预测结果进行了对比以及试验验证。通过对比试验数据发现,当基于Mc Diarmid对曲轴的疲劳极限载荷进行预测时,预测结果受到剪切应力的影响较大;而当基于KBM模型进行预测时,剪切应变的影响较大,分析认为这是由于曲轴自身的疲劳破坏类型决定的。同时后者的预测结果对应力应变计算误差的敏感度更低,并且预测圆角半径不同的曲轴的疲劳极限载荷时具有更高的精确度,具有更好的工程适用性。(4)传统临界距离法在曲轴结构疲劳特性预测中的应用及改进研究。针对传统的间接定义的临界距离法在工程应用当中的不足,基于多轴疲劳相关分析结果,选择第三和第四强度理论对曲轴的疲劳特性进行研究,同时利用应力梯度拟合曲轴在外载作用下的应力分布函数,在此基础上基于不同临界距离法对曲轴的疲劳特性进行预测,并对预测结果进行试验验证。对比结果表明传统的临界距离法在预测圆角半径不同、但是材料属性一致的曲轴的疲劳特性时会导致误差较大,同时相关应力分布函数拟合参数中,待预测曲轴的最大应力值对预测结果的影响最大。针对传统临界距离法预测精确度的不足,提出了一种基于相对应力梯度的修正模型,对曲轴的临界距离进行修正。对比研究结果表明,经过修正后的模型能够更为准确地预测曲轴的疲劳特性,具有更为广泛的工程应用性。同时相比较原始模型,修正后的模型对待预测曲轴的相对应力梯度等参数更为敏感。(5)直接定义的临界距离理论在曲轴结构疲劳特性预测中的应用研究。基于裂纹模拟法,确定该曲轴在不同强度理论下的临界距离值,在此基础上分别基于直接定义的临界点法和临界线法,对圆角半径不同、材料属性一致的曲轴的疲劳极限载荷及载荷分布进行预测,并对预测结果进行试验验证。预测结果与试验结果对比研究表明,当基于这两种强度理论及该种临界距离法对圆角半径不同的曲轴的疲劳极限载荷进行预测时,相比较临界点法,临界线法具有更高的预测精确度。同时临界距离值即使在较大范围内波动(30%),对预测结果影响也有限,对比分析表明该种方法在预测曲轴疲劳极限载荷时对模型参数的计算误差敏感度更低,因此更适合在实际工程当中应用。