航空发电机弹性轴脉冲负载下疲劳强度分析方法
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船电技术|应用研究
根据弹性轴零件图，在 CATIAV5.R18 中建 立 1：1 的三模型 为了提高计算效率和关键部位的计算精度，
对模型非关键几何特征进行了简化，对剪切径处 的网格进行了细化，剪切段的界面尺寸为 Φ14.5 mm，因此将该处网格尺寸设定为 0.5 mm，是其 直径尺寸 1/23。根据经验，关键部位的网格尺寸 小于其几何尺寸的 1/20 即可保证分析计算的准 确性。划分结果如图 2 所示。
1 发电机弹性轴介绍和建模
1.1 弹性轴介绍 电机弹性轴通过两端花键与发动机传动机
构以及发电机转子连接。发电机发电时，发动机 通过传动机构连接弹性轴带动发电机转子转动发 电。为了在异常情况下保护发动机和电机，在弹 性轴上设计了一处安全剪切段，如图 1 所示。剪 切段保证在发生机械故障时，弹性轴能及时从此 处断裂，使发电机与发动机传动机构脱开，从而 阻止故障的扩大，起到保护发动机和电机的目的。 剪切段要起到保护功能，需要将剪切段设计为整 个零件轴向的最小截面。因此，如果产生疲劳失 效，这里也将是最危险截面。
图 2 模型网格
2 S-N 曲线估计和疲劳载荷的确定
2.1 弹性轴材料 S-N 曲线估计 弹性轴所用材料牌号为 50CrVA 优质弹簧钢
（零件热处理要求为 HRC42～46），查阅《中国 航空材料手册 结构钢》材料主要机械特性见表 1[1]。
表 1 材料属性 剪切强度 疲劳极限 弹性模量 泊松比
τb/MPa -1 /MPa E/GPa
近两年，连续发生的多起电机弹性轴断裂故 障，也说明了弹性轴抗疲劳强度设计的重要性。 为了进一步提高航空发电机的可靠性，研究航空
收稿日期：2019-01-15 作者简介：史晓阳（1987-），男，工程师。研究方向：电 机与控制。E-mail: sxysxy5@
电机弹性轴抗疲劳设计方法，本文以某型航空发 电机为例，使用 CATIAV5.R18 进行三维建模，利 用 MSC 有限元软件进行建模和疲劳分析，探讨 在没有材料疲劳寿命曲线的情况下，发电机弹性 轴脉冲扭转力矩作用下的疲劳强度分析方法。
此时得出的材料疲劳极限为理论值，根据工 程经验，零件在整个生产过程要经历多种工艺过 程，如机械加工、热处理、表面处理等。根据材 料力学的理论可知，影响材料疲劳极限的主要因
素有以下几点: 1）应力集中系数 K [3] 根据弹性轴实际尺寸结构查《机械设计手册》
（第 2 册图 11.4-13）K =1.5。 2）尺寸系数 [4] 根据《材料力学》（下册）中表 13-1 得到
=0.83。 3）表面质量系数 [5] 弹性轴剪切径处采用精加工，表面光洁度为
Vol.39 No.8 2019.8
在个别常用材料的 S-N 曲线。由于无法得到材料 确切的 S-N 曲线，根据《机械工程手册》理论， 零件在扭转应力下取 103 次循环对应疲劳极限为 0.9 b=1326 MPa，取 107 次循环为曲线转折点， 对应疲劳极限为 0.58-1=394 MPa [2]。曲线到转折 点后为一条直线，此时材料为无穷寿命。
Shi Xiaoyang, Wang Lihua
(Naval Equipment Department, Xi’an 710000, China)
Abstract: In order to improve the reliability of aviation generator, taking an aero-alternator as an example and using finite element method, the method of estimating fatigue life and fatigue safety factor of elastic shaft of the generator under pulse torque with out fatigue life curve is discussed. The validity of this method is verified by fatigue life test. Keywords: aviation generator, elastic shaft, fatigue strength
μ
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679.3
206
0.3
材料的 S-N 曲线需要根据相关标准对材料进 行疲劳试验得出，其中不但要规定出不同的交变
载荷，而且还要具有一定量的试验样本，最终对
试验结果进行统计得出存活率，进而确定材料的
S-N 曲线[2]。而这些工作在一般的企业中是无法 完成的，即使在《中国航空材料手册》中也只存
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Vol.39 No.8 2019.8
船电技术|应用研究
航空发电机弹性轴脉冲负载下疲劳强度分析方法
史晓阳，王立华
（海军装备部，西安 710000）
摘要：为了进一步提高航空电机的可靠性，以某型航空交流发电机为例，利用有限元分析，探讨在没有材
料疲劳寿命曲线的情况下，估算脉冲力矩作用下电机弹性轴的疲劳寿命以及疲劳安全系数的方法。并通过
0 引言
为了满足更加复杂的任务需求，新型飞机用 电设备的种类和容量大大增加。尤其是电子战、 预警机等特种飞机，机上装备了多种大功率非线 性用电负载，如大功率雷达、电子干扰设备等。 这些大功率设备在工作中存在周期变化的振荡电 流需求，振荡电流需求会通过机上电网传递到发 电机端，最终表现为在发电机弹性轴上产生脉冲 扭转力矩。脉冲扭转力矩非常容易使弹性轴在应 力集中部位产生疲劳断裂。因此，在新型发电机 设计时，不但要考虑发电机轴的静强度设计，更 要重视轴的抗疲劳强度设计。
电机疲劳寿命试验验证了这种分析方法的有效性。
关键字：航空电机 弹性轴 疲劳强度
中图分类号：TM331+.3
文献标识码：A
文章编号：1003-4862（2019）08-0055-04
Analysis Method about Fatigue Strength of Aviation Generator Elastic Shaft with Pulse Torque
船电技术|应用研究
根据弹性轴零件图，在 CATIAV5.R18 中建 立 1：1 的三模型 为了提高计算效率和关键部位的计算精度，
对模型非关键几何特征进行了简化，对剪切径处 的网格进行了细化，剪切段的界面尺寸为 Φ14.5 mm，因此将该处网格尺寸设定为 0.5 mm，是其 直径尺寸 1/23。根据经验，关键部位的网格尺寸 小于其几何尺寸的 1/20 即可保证分析计算的准 确性。划分结果如图 2 所示。
1 发电机弹性轴介绍和建模
1.1 弹性轴介绍 电机弹性轴通过两端花键与发动机传动机
构以及发电机转子连接。发电机发电时，发动机 通过传动机构连接弹性轴带动发电机转子转动发 电。为了在异常情况下保护发动机和电机，在弹 性轴上设计了一处安全剪切段，如图 1 所示。剪 切段保证在发生机械故障时，弹性轴能及时从此 处断裂，使发电机与发动机传动机构脱开，从而 阻止故障的扩大，起到保护发动机和电机的目的。 剪切段要起到保护功能，需要将剪切段设计为整 个零件轴向的最小截面。因此，如果产生疲劳失 效，这里也将是最危险截面。
图 2 模型网格
2 S-N 曲线估计和疲劳载荷的确定
2.1 弹性轴材料 S-N 曲线估计 弹性轴所用材料牌号为 50CrVA 优质弹簧钢
（零件热处理要求为 HRC42～46），查阅《中国 航空材料手册 结构钢》材料主要机械特性见表 1[1]。
表 1 材料属性 剪切强度 疲劳极限 弹性模量 泊松比
τb/MPa -1 /MPa E/GPa
近两年，连续发生的多起电机弹性轴断裂故 障，也说明了弹性轴抗疲劳强度设计的重要性。 为了进一步提高航空发电机的可靠性，研究航空
收稿日期：2019-01-15 作者简介：史晓阳（1987-），男，工程师。研究方向：电 机与控制。E-mail: sxysxy5@
电机弹性轴抗疲劳设计方法，本文以某型航空发 电机为例，使用 CATIAV5.R18 进行三维建模，利 用 MSC 有限元软件进行建模和疲劳分析，探讨 在没有材料疲劳寿命曲线的情况下，发电机弹性 轴脉冲扭转力矩作用下的疲劳强度分析方法。
此时得出的材料疲劳极限为理论值，根据工 程经验，零件在整个生产过程要经历多种工艺过 程，如机械加工、热处理、表面处理等。根据材 料力学的理论可知，影响材料疲劳极限的主要因
素有以下几点: 1）应力集中系数 K [3] 根据弹性轴实际尺寸结构查《机械设计手册》
（第 2 册图 11.4-13）K =1.5。 2）尺寸系数 [4] 根据《材料力学》（下册）中表 13-1 得到
=0.83。 3）表面质量系数 [5] 弹性轴剪切径处采用精加工，表面光洁度为
Vol.39 No.8 2019.8
在个别常用材料的 S-N 曲线。由于无法得到材料 确切的 S-N 曲线，根据《机械工程手册》理论， 零件在扭转应力下取 103 次循环对应疲劳极限为 0.9 b=1326 MPa，取 107 次循环为曲线转折点， 对应疲劳极限为 0.58-1=394 MPa [2]。曲线到转折 点后为一条直线，此时材料为无穷寿命。
Shi Xiaoyang, Wang Lihua
(Naval Equipment Department, Xi’an 710000, China)
Abstract: In order to improve the reliability of aviation generator, taking an aero-alternator as an example and using finite element method, the method of estimating fatigue life and fatigue safety factor of elastic shaft of the generator under pulse torque with out fatigue life curve is discussed. The validity of this method is verified by fatigue life test. Keywords: aviation generator, elastic shaft, fatigue strength
μ
1474
679.3
206
0.3
材料的 S-N 曲线需要根据相关标准对材料进 行疲劳试验得出，其中不但要规定出不同的交变
载荷，而且还要具有一定量的试验样本，最终对
试验结果进行统计得出存活率，进而确定材料的
S-N 曲线[2]。而这些工作在一般的企业中是无法 完成的，即使在《中国航空材料手册》中也只存
56
Vol.39 No.8 2019.8
船电技术|应用研究
航空发电机弹性轴脉冲负载下疲劳强度分析方法
史晓阳，王立华
（海军装备部，西安 710000）
摘要：为了进一步提高航空电机的可靠性，以某型航空交流发电机为例，利用有限元分析，探讨在没有材
料疲劳寿命曲线的情况下，估算脉冲力矩作用下电机弹性轴的疲劳寿命以及疲劳安全系数的方法。并通过
0 引言
为了满足更加复杂的任务需求，新型飞机用 电设备的种类和容量大大增加。尤其是电子战、 预警机等特种飞机，机上装备了多种大功率非线 性用电负载，如大功率雷达、电子干扰设备等。 这些大功率设备在工作中存在周期变化的振荡电 流需求，振荡电流需求会通过机上电网传递到发 电机端，最终表现为在发电机弹性轴上产生脉冲 扭转力矩。脉冲扭转力矩非常容易使弹性轴在应 力集中部位产生疲劳断裂。因此，在新型发电机 设计时，不但要考虑发电机轴的静强度设计，更 要重视轴的抗疲劳强度设计。
电机疲劳寿命试验验证了这种分析方法的有效性。
关键字：航空电机 弹性轴 疲劳强度
中图分类号：TM331+.3
文献标识码：A
文章编号：1003-4862（2019）08-0055-04
Analysis Method about Fatigue Strength of Aviation Generator Elastic Shaft with Pulse Torque