曲轴激光喷丸强化数值仿真

２００８年１月农业机械学报第３９卷第１期曲轴激光喷丸强化数值仿真高立【摘要】采用数值仿真的方法，研究了激光冲击强化对１７５犃型柴油机曲轴疲劳寿命的影响，取得了数值仿真条件下曲轴过渡圆角处残余应力场的数据，数值仿真结果和实验结果的对比分析表明：数值仿真结果和实验结果较为接近，从而验证所采用的材料本构模型、冲击波峰值压力和冲击波作用时间是精确的。通过此类激光冲击强化仿真分析，可优化激光冲击的相关参数，使曲轴过渡圆角产生有利的残余应力场，从而为激光冲击强化曲轴提供优化的工艺参数。关键词：曲轴激光喷丸强化仿真中图分类号：犜犌６６８；犜犓４１３３＋１；犜犖２４９文献标识码：犃犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀狅狀犔犪狊犲狉犛犺狅犮犽犘犲犲狀犻狀犵狅犳犆狉犪狀犽狊犺犪犳狋犌犪狅犔犻（犠犲犻犳犪狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔）犃犫狊狋狉犪犮狋犔犪狊犲狉狊犺狅犮犽狆犲犲狀犻狀犵犻狊犪狋犲犮犺狀犻狇狌犲狊犻犿犻犾犪狉狋狅狊犺狅狋狆犲犲狀犻狀犵．犔犪狊犲狉狊犺狅犮犽狆犲犲狀犻狀犵犻犿狆犪狉狋狊犮狅犿狆狉犲狊狊犻狏犲狉犲狊犻犱狌犪犾狊狋狉犲狊狊犲狊犻狀犿犪狋犲狉犻犪犾狊狋狅犻犿狆狉狅狏犲狋犺犲犳犪狋犻犵狌犲狉犲狊犻狊狋犪狀犮犲．犇狌狉犻狀犵犪犾犪狊犲狉狊犺狅犮犽狆犲犲狀犻狀犵犲狏犲狀狋，狆狉犲狊狊狌狉犲狑犲犾犾犪犫狅狏犲狋犺犲犱狔狀犪犿犻犮狔犻犲犾犱狊狋狉犲狀犵狋犺狅犳狋犺犲犿犪狋犲狉犻犪犾犻狊犻犿狆犪狉狋犲犱狅狀狋犺犲狋犪狉犵犲狋狑犻狋犺犻狀犪犿犻犮狉狅狊犲犮狅狀犱．犜犺犲狊犲狏犲狉犻狋狔狅犳狋犺犲犾狅犪犱犻狀犵犮犪狌狊犲狊犾狅犮犪犾狆犾犪狊狋犻犮犱犲犳狅狉犿犪狋犻狅狀，狑犺犻犮犺狌犾狋犻犿犪狋犲犾狔狉犲狊狌犾狋狊犻狀狋犺犲犱犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋狅犳狋犺犲犳犪狏狅狉犪犫犾犲狉犲狊犻犱狌犪犾狊狋狉犲狊狊犲狊．犉犻狀犻狋犲犲犾犲犿犲狀狋犪狀犪犾狔狊犻狊狋犲犮犺狀犻狇狌犲狑犪狊犪狆狆犾犻犲犱狋狅狆狉犲犱犻犮狋狋犺犲狉犲狊犻犱狌犪犾狊狋狉犲狊狊犻狀犱狌犮犲犱犳狉狅犿犾犪狊犲狉狊犺狅犮犽狆犲犲狀犻狀犵．犜犺犲犮狅犿狆犪狉犻狊狅狀犫犲狋狑犲犲狀狋犺犲狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀犪狀犱犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾狉犲狊狌犾狋狊狑犪狊犮犪狉狉犻犲犱狅狌狋犪狀犱狋犺犲犿狅犱犲犾狑犪狊狏犪犾犻犱犪狋犲犱狊狌犫狊犲狇狌犲狀狋犾狔．犜犺犲狉犲狊狌犾狋狊狊犺狅狑犲犱狋犺犪狋狋犺犲狀狌犿犲狉犻犮犪犾狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀狅狀犾犪狊犲狉狊犺狅犮犽狆犲犲狀犻狀犵狑犪狊犲犳犳犲犮狋犻狏犲犳狅狉狋犺犲犮狉犪狀犽狊犺犪犳狋犱犲狊犻犵狀犪狀犱狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊狅狆狋犻犿犻狕犪狋犻狅狀．犓犲狔狑狅狉犱狊犆狉犪狀犽狊犺犪犳狋，犔犪狊犲狉狊犺狅犮犽狆犲犲狀犻狀犵，犛狋狉犲狀犵狋犺犲狀犻狀犵，犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀收稿日期：２００６１０２３国家自然科学基金资助项目（项目编号：５０２７５０６８）和国家“８６３”高技术研究发展计划资助项目（项目编号：２００２犃犃４２１１２０）高立潍坊学院机电工程系工程师博士，２６１０６１山东省潍坊市引言曲轴材质要求具有较高的刚性和抗疲劳强度以及良好的耐磨性能。球墨铸铁的铸造工艺不断发展，性能不断提高，已成为取代锻钢制造曲轴的首选材料［１～２］。市场竞争迫使愈来愈多的企业采用了扩缸、增压或增加冲程等技术措施，以提高发动机的动力性和经济性。但首先遇到的就是曲轴强度不足的问题，如果在不改变曲轴原设计结构尺寸及材料的前提下，采用表面强化技术，就能满足曲轴的使用要求，无疑是一个有效的方法。到目前为止，最有效而成熟的措施是曲轴圆角滚压强化，经合理圆角滚压之后其弯曲疲劳强度可提高８０％以上；其次是圆角淬火及渗氮。圆角滚压强化是利用滚轮（球）对轴颈圆角部位施加较大的力，当滚压力撤除后，在圆角部位形成残余压应力，可抵消（或部分抵消）曲轴圆角部位的工作拉应力，从而大幅度提高曲轴的疲劳强度。但在滚压过程中，滚轮工作情况较复杂，滚轮既滚动又滑动，如果滚压速度过大，则有可能造成滚压表面烧伤、撕痕；又由于曲轴圆角结构的特殊性以及滚压接触应力分布的不均匀性，如滚压次数过多，将会使曲轴圆角产生接触疲劳，表面形成鱼鳞状甚至脱落。本文采用数值仿真的方法，研究激光冲击强化对１７５犃型柴油机曲轴疲劳寿命的影响，取得数值仿真条件下曲轴过渡圆角处残余应力场的数据，并将数值仿真结果和实验结果做对比性分析。１数值仿真的关键技术１１材料本构模型选择球墨铸铁材料的机械性能列于表１中，关于材料行为，在激光冲击过程中材料被压缩并产生动态变形，应变率超过１０６狊－１，在这种情况下静态的应力应变关系已不能反映材料的真实响应，必须用动态的弹性极限取代。犑狅犺狀狊狅狀犆狅狅犽在１９８３年综合硬化和应变率对屈服强度的影响，提出了一个材料模型用来描述材料的这种动态行为。其本构关系为［３］σ＝（σ０＋犅ε）（１＋犮犾狀ε·狀）（１）式中犅、狀、犮———材料常数ε———等效塑性应变ε·———等效塑性应变率表１球墨铸铁材料的机械性能犜犪犫．１犕犲犮犺犪狀犻犮犪犾狆狉狅狆犲狉狋犻犲狊狅犳狀狅犱狌犾犪狉犮犪狊狋犻狉狅狀性能参数密度／犽犵·犿－３泊松比弹性模量／犌犘犪剪切模量／犌犘犪静态屈服强度／犕犘犪断裂屈服强度／犕犘犪数值７３０００２８６１６９６１４２０７００１２冲击波加载确定在整个光斑范围内激光场强呈近似均匀的分布，但冲击波施加于靶的压力却随时间而变化。确定冲击波峰值压力的经验公式为［４］狆＝００１αα＋２犣犐槡０（２）式中α———内能转化为热能的系数犐０———入射激光功率密度犣———靶材与约束层间的冲击波折合声阻抗将α＝０２５、犐０＝３１２犌犠／犮犿２、犣＝０３１５×１０６犵／（犮犿２·狊）代入式（２）中求出冲击波的峰值压力狆＝２７５犌犘犪。根据犉犪犫犫狉狅犚［４］等人的研究结果，激光诱导冲击波的作用时间大约为激光脉宽的２～３倍甚至更高。因此在进行成形过程的有限元模拟时，对于激光脉冲的作用时间可先按照激光脉宽的３倍来确定，实验采用的激光脉宽τ＝２３狀狊，这样每一次冲击加载的作用时间就为７０狀狊左右，模拟时取为７０狀狊。文献［５］在实验的基础上，已确定了冲击波压力随时间变化的图形，图１所示为冲击波的压力幅值变化曲线，犃犅犃犙犝犛的加载模块将按这条曲线给曲轴加载。图１冲击波加载曲线犉犻犵１犛犺狅犮犽狑犪狏犲犾狅犪犱犻狀犵犮狌狉狏犲１３有限元仿真软件选择由于冲击波压力作用下板料的变形是一个高速动态的过程，不仅产生大位移、大转动和大应变现象，而且还有高应变率现象。这既涉及到几何非线性问题也涉及到材料非线性问题，因此在数值计算中应尽可能计及这些因素，以提高计算精度。目前可用于仿真分析高速冲击下所涉及的几何非线性和材料非线性的软件有犃犖犛犢犛和犃犅犃犙犝犛［６］等。相对于犃犖犛犢犛软件，犃犅犃犙犝犛的非线性力学（几何、材料、接触）分析功能具有世界领先水平，所以选择犃犅犃犙犝犛作为仿真软件。１４模型建立和网格划分根据图２所示的１７５犃型柴油机曲轴简图，在犃犅犃犙犝犛的犆犃犈模块里建立如图３所示的三维曲轴模型，在曲轴的过渡圆角处施加如图１所示的前后光斑位置相切的冲击加载，光斑直径８犿犿。对实际使用中断裂的曲轴统计发现，大部分断裂事故都发生在该处圆角。对曲轴的应力分析应主要关心图２１７５犃型柴油机曲轴简图犉犻犵．２犇犻犪犵狉犪犿狅犳１７５犃犱犻犲狊犲犾犲狀犵犻狀犲犮狉犪狀犽狊犺犪犳狋图３１７５犃型柴油机曲轴犆犃犈几何模型图犉犻犵．３犆犃犈犿狅犱犲犾狅犳１７５犃犱犻犲狊犲犾犲狀犵犻狀犲犮狉犪狀犽狊犺犪犳狋７７１第１期高立：曲轴激光喷丸强化数值仿真该处的应力分布，因此将该处的网格细化。把圆角部分手工划分为６００多个６节点五面体单元，单元较密且形状较好，最小单元为０２犿犿×０４犿犿×０６犿犿。其余部分用有限元程序自动生成为１０００多个四面体单元，然后再和手工划分的部分组合到一起，最后划分的有限元分析网格如图４所示。图４有限元分析网格模型犉犻犵．４犌狉犻犱犳狅狉狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀１５边界条件的处理将曲轴主轴颈所承受轴承的弹性支承作用离散为作用在支承面每个节点上的弹性边界元，通过弹性边界元使主轴颈在半径方向的位移为零。考虑到激光光斑与轴的几何尺寸相比很小，曲轴的另一端让其处于悬空状态，这不会对仿真结果有太大影响。２有限元计算结果图５为沿着曲轴过渡圆角顺次激光冲击一圈后的等效残余应力分量犛１１仿真结果图，图６为犕犻狊犲狊等效残余应力分量犛２２仿真结果图。在１３平面内沿着过渡圆角，每隔１犿犿的弧长处取一个点，共选择１１个点，如图７所示。由犃犅犃犙犝犛的后处理输出，将各测试点处的犕犻狊犲狊表面残余应力仿真结果列于表２中，由表２中图５等效残余应力分量犛１１图犉犻犵．５犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀狉犲狊狌犾狋狅犳犲狇狌犻狏犪犾犲狀狋狉犲狊犻犱狌犪犾狊狋狉犲狊狊犮狅犿狆狅狀犲狀狋犛１１图６等效残余应力分量犛２２图犉犻犵．６犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀狉犲狊狌犾狋狅犳犲狇狌犻狏犪犾犲狀狋狉犲狊犻犱狌犪犾狊狋狉犲狊狊犮狅犿狆狅狀犲狀狋犛２２的数据可看出曲轴曲柄与连杆轴颈之间的圆角横截面冲击强化后残余应力分布比较规律，出现了２个区：压应力区和拉应力区。在曲柄部分生成残余拉应力，在连杆轴颈部分生成压应力。拉、压应力交界处过渡平稳，应力的数值比未冲击的试样高，说明激光斜冲击强化起到了强化和硬化作用。将表２中的仿真结果和文献［７］中的曲轴激光冲击强化实验结果作对比性分析，可以发现，从产生８７１农业机械学报２００８年图７残余应力测试点分布示意图犉犻犵．７犜犲狊狋狆狅犻狀狋狊犳狅狉狉犲狊犻犱狌犪犾狊狋狉犲狊狊的拉应力区和压应力区的分布以及残余应力的大小变化情况来看，排除由于冲击波的峰值压力受实验中黑漆涂层和流动约束水层厚度变化影响所引起的冲击波加载波动，而造成实验和仿真结果两者之间误差的影响因素之外，仿真结果和实验比较吻合。３结论（１）鉴于仿真的结果与实验测得的数据比较一致，因此数值仿真在预测激光冲击曲轴过渡圆角处表２表面残余应力仿真分析结果犜犪犫．２犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀狉犲狊狌犾狋狊狅犳狉犲狊犻犱狌犪犾狊狋狉犲狊狊犪狋狋犺犲狋犲狊狋狆狅犻狀狋狊犕犘犪测试点编号１２３４５６仿真结果２２４３５６７２７１８４５９７９２６５８－２０３３测试点编号７８９１０１１仿真结果－１８７６－２５４７－８０４６－２４１１－４８９６残余应力分布的技术对实验方案的安排和激光工艺参数的选择有一定的指导意义。（２）实验和仿真结果对于后续进行的曲轴激光冲击强化多次／搭接冲击中工艺参数和冲击路径的优化研究具有一定的指导和参考作用。参考文献１陈耀廉，行涛，王海防，等．４１０５发动机球墨铸铁曲轴安全性评估［犑］．拖拉机与农用运输车，２０００（３）：３７～３９．２陈鹭滨，秦可，徐英，等．农用车发动机球墨铸铁曲轴断裂失效分析［犑］．山东机械，２００１（５）：１５～１７．３犣犺犪狀犵犠犲狀狑狌，犢犔犪狑狉犲狀犮犲犢犪狅．犕犻犮狉狅狊犮犪犾犲犾犪狊犲狉狊犺狅犮犽狆狉狅犮犲狊狊犻狀犵狅犳犿犲狋犪犾犾犻犮犮狅犿狆狅狀犲狀狋狊［犑］．犑狅狌狉狀犪犾狅犳犕犪狀狌犳犪犮狋狌狉犻狀犵犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，２００２，１２４：３６９～３７８．４犉犪犫犫狉狅犚，犉狅狌狉狀犻犲狉犑，犅犪犾犾犪狉犱，犲狋犪犾．犘犺狔狊犻犮犪犾狊狋狌犱狔狅犳犾犪狊犲狉狆狉狅犱狌犮犲犱狆犾犪狊犿犪犻狀犮狅狀犳犻狀犲犱犵犲狅犿犲狋狉狔［犑］．犃狆狆犾．犘犺狔狊．，１９９０，６８（２）：７７５～７８４．５犅犲狉狋犺犲犔，犉犪犫犫狉狅犚，犘犲狔狉犲犘，犲狋犪犾．犛犺狅犮犽狑犪狏犲狊犳狉狅犿犪狑犪狋犲狉犮狅狀犳犻狀犲犱犾犪狊犲狉犵犲狀犲狉犪狋犲犱狆犾犪狊犿犪［犑］．犃狆狆犾．犘犺狔狊．，１９９７，８２（６）：２８２６～２８３２．６犃犅犃犙犝犛狌狊犲狉’狊犿犪狀狌犪犾［犕］狏犲狉狊犻狅狀５．７．犘犪狑狋狌犮犽犲狋（犚犐）：犎犻犫犫犻狋狋，犓犪狉犾