柴油机曲轴的疲劳强度评定
曲轴弯曲疲劳试验标准
曲轴弯曲疲劳试验标准
曲轴弯曲疲劳试验是用于评估曲轴在长期使用过程中的疲劳寿命和可靠性的试验。
以下是一些常见的曲轴弯曲疲劳试验标准：
1. ISO 281:2007 "滚动轴承 - 内载荷体系的基本参数"：该标准
规定了滚动轴承的负荷、寿命和可靠性评估所需的基本参数。
它可用于评估曲轴弯曲疲劳试验的负荷条件。
2. ASTM E466-07 "标准试验方法用于悬臂梁疲劳试验"：该标
准规定了悬臂梁疲劳试验的基本要求和试验方法。
曲轴弯曲疲劳试验通常采用悬臂梁试验进行，因此该标准可以作为参考。
3. DIN 743-4 "内燃机曲轴锻件的质量要求"：该标准规定了内
燃机曲轴锻件的质量要求，包括弯曲疲劳寿命要求。
曲轴在设计和生产中应满足该标准规定的要求。
4. GB/T 12224-2015 "系统断面旋转相对数目法验证气缸曲轴
和连杆轴的旋转疲劳寿命的试验方法"：该标准规定了用于验
证气缸曲轴和连杆轴旋转疲劳寿命的试验方法。
它可以作为曲轴弯曲疲劳试验的参考方法。
这些标准通常包括试验设备、试验加载方式、试验参数（如载荷振幅、频率等）和试验评估方法等方面的要求。
在进行曲轴弯曲疲劳试验时，应按照相关标准的要求进行试验，并对试验结果进行评估和分析，以确定曲轴的疲劳寿命和可靠性。
曲轴强度疲劳计算的研究及应用
方法等。计算结果采用安全系数表示 。 曲轴的疲劳强度计算 内容 ，主要是计算最危险 处 的安 全 系数 ，如过 渡 圆角 、油孔边 缘 处等 ，并且 是对最危险工况进行计算 ，即找出运转过程 中可能 出现 的应力 变化 最大 幅值 和此 时 的平 均应 力 。 曲轴疲劳强度的计算方法一般按如下 ２ 个步骤 进行 ：一是求出曲轴危险部位 的应力幅值和平均应 力 ；二是在此基础上进行疲劳强度校核 ，即按材料 的疲劳极限，考虑材料强化处理 、 应力循环和尺寸 影 响，求出曲轴上危险部位的最小强度储备 ，通常
１
前言
曲轴是发动机最关键 的零件之一 。它在发动机 运行过程中传递气体爆发压力和惯性载荷 ， 然后将 力矩传递给飞轮端 ，作为发动机的功率输出。曲轴 具有如此功能 ，所以在设计时希望获得 比发动机预 期更长 的寿命 ，即更高的疲劳强度。但是近年来随 着对内燃机动力性能和可靠性的要求不断提高 ，曲 轴的工作条件愈加苛刻 ，曲轴的强度问题变得更加
考虑了减振器 的硅油粘度 、频率 、阻尼等特征。飞 轮 的几何 特 眭具有 一定 规则 性 ，一般 以参 数 的形 式
输 人 ，考虑 了其 质量参 数诸 如 ：惯量 、质量 、位 置
和曲轴旋转惯性力是其主要承受 的载荷 ，其 中油膜 压力的处理是曲轴应力计算 的关键。随着商业 多体 动力学软件的发展 ，能够考虑了机体 的动态耦合 了 非 线性 液压 动力 瓦 的 因素 。这样 对 于 曲轴应 力计 算
（ｈｎ ｈ ｉ ｉ ｅ Ｅ ｇｎ ｏ， ｔ．Ｓ ａ ｇ ａ ２ ０ ３ ， ｈｎ ） Ｓ ａ ｇ ａ Ｄ ｅ ｌ ｎ ｉｅ ．Ｌｄ， ｈ ｎ ｈｉ ０ ４ ８ Ｃ ｉａ ｓ Ｃ
曲轴弯曲疲劳试验标准
曲轴是内燃机的重要部件之一，它承受着发动机高速旋转和往复运动带来的巨大压力和应力。
为了确保曲轴的可靠性和耐久性，需要进行曲轴弯曲疲劳试验。
曲轴弯曲疲劳试验标准是指对曲轴进行弯曲加载，并在一定的试验条件下进行疲劳寿命测试的规范和要求。
下面将详细介绍曲轴弯曲疲劳试验的标准。
一、试验目的曲轴弯曲疲劳试验的主要目的是评估曲轴在长期使用过程中的弯曲疲劳寿命，为曲轴的设计和制造提供依据。
通过试验，可以确定曲轴的疲劳强度和疲劳寿命，为改进曲轴的设计和材料选择提供参考。
二、试验方法1. 试验样品的选择：根据实际情况选择代表性的曲轴样品进行试验。
样品的选择应符合相关标准和规范要求。
2. 试验设备的准备：确保试验设备的准确性和可靠性。
试验设备应能够提供符合要求的弯曲加载条件。
3. 试验参数的确定：根据曲轴的实际使用情况和相关标准，确定试验参数，如载荷幅值、载荷频率、试验温度等。
4. 试验过程的控制：按照设定的试验参数进行试验，并对试验过程进行实时监测和记录。
确保试验过程的准确性和可重复性。
5. 试验结果的评估：通过试验结果的评估，确定曲轴的疲劳强度和疲劳寿命，并与相关标准进行比较和分析。
三、试验标准1. 载荷幅值：根据曲轴的设计要求和使用条件确定载荷幅值。
载荷幅值应能够真实模拟曲轴在实际使用中承受的载荷变化。
2. 载荷频率：根据曲轴的使用情况和相关标准，确定载荷频率。
载荷频率应能够真实模拟曲轴在实际使用中的工作状态。
3. 试验温度：根据曲轴的使用条件和材料特性，确定试验温度。
试验温度应能够真实模拟曲轴在实际使用中的工作温度。
4. 试验次数：确定试验次数时，应考虑曲轴的设计寿命和安全系数。
试验次数应能够真实模拟曲轴在实际使用中的寿命。
5. 试验结果评估：根据试验结果评估曲轴的疲劳强度和疲劳寿命，并与相关标准进行比较和分析。
评估结果应符合相关标准的要求。
四、试验报告完成试验后，应编制试验报告，报告内容应包括试验目的、试验方法、试验过程、试验结果和评估等。
柴油机曲轴静强度分析
柴油机曲轴静强度分析李宁;陈克【摘要】发动机工作中曲轴承受着周期性变化的交变载荷,会引起曲轴的疲劳失效.对曲轴三维模型进行基于有限元法的疲劳强度分析.用HyperMesh建立曲轴网格模型,使用Abaqus加载弹簧约束、余弦载荷,使计算模型更接近于实际工况,得到曲轴应力载荷分布图;计算出曲轴强度安全系数,并对其进行校核,最后提出提高曲轴疲劳强度的措施.【期刊名称】《沈阳理工大学学报》【年(卷),期】2018(037)003【总页数】5页(P75-79)【关键词】曲轴;HyperMesh;Abaqus;疲劳强度【作者】李宁;陈克【作者单位】沈阳理工大学汽车与交通学院,沈阳110159;沈阳理工大学汽车与交通学院,沈阳110159【正文语种】中文【中图分类】TK422大量试验表明,柴油机曲轴失效破坏的主要形式是弯曲疲劳断裂,这与曲轴的结构特点和受力工况有关。
大多数研究采用整体曲轴进行分析,而曲轴静强度分析主要用于概念设计阶段对曲轴的评估,或用在优化设计曲轴时对比曲轴强度的变化,可不必采用整体曲轴模型[1]。
确定曲轴强度的方法有两种:一是试验研究、二是分析计算。
由于试验研究费用高,只能在已制成的曲轴进行,不能在设计阶段进行,并且不能代表整批曲轴强度,因此应采用分析计算[2]。
曲轴强度的计算方法主要有三种,即截断简支梁法、连续梁法和有限元法[3]。
简支梁法计算简单,使用方便;连续梁法计算复杂,但与实测结果比较吻合;有限元法计算精确,可准确地计算出曲轴应力[4]。
本文基于有限元法加载余弦载荷,进行求解计算,得到应力分布情况,使用HyperMesh和Abaqus有限元软件联合对A和B两种不同几何结构的柴油机曲轴模型静强度进行分析。
曲轴简化为1/2曲拐模型,采用不同网格类型对其划分,计算在余弦载荷工况下的曲轴强度,对于曲轴设计及优化具有参考意义。
1 曲轴模型的建立根据柴油机曲轴结构参数,用Pro/E软件画出柴油机1/2 曲轴几何模型A、B,如图1所示。
MSC柴油发动机曲轴疲劳分析示例
曲轴疲劳寿命预测
01
应力-寿命法（S-N法）
通过测试不同应力和循环次数下材料的断裂寿命，建立应力与寿命的关
系曲线，用于预测曲轴的疲劳寿命。
02
局部应变法（ε-N法）
通过测量曲轴局部区域的应变和循环次数，计算材料的疲劳寿命。该方
法考虑了应力集中的影响，更适用于预测曲轴的疲劳寿命。
03
有限元分析（FEA）
曲轴疲劳损伤机制
弯曲疲劳
由于周期性的弯矩作用，曲轴在 应力集中的位置（如轴颈和曲拐 的过渡区域）容易发生弯曲疲劳
断裂。
扭转疲劳
周期性的扭矩作用使曲轴在轴颈和 曲拐的过渡区域产生剪切应力，可 能导致扭转疲劳断裂。
热疲劳
由于温度变化引起的热应力，可能 导致曲轴材料内部产生微裂纹，进 而扩展形成疲劳裂纹。
详细描述
该案例针对曲轴的结构和工艺参数进行了优化设计，如改变曲轴的形状、增加 加强筋等。通过有限元分析和疲劳试验验证了优化设计的有效性，发现这些改 进能够显著提高曲轴的抗疲劳性能和疲劳寿命。
05
结论与展望
疲劳分析在MSC柴油发动机曲轴设计中的重要性
疲劳分析是评估曲轴结构强度和寿命 的关键手段，通过分析可以预测曲轴 在不同工况下的疲劳损伤和断裂风险。
在船舶领域，柴油发动机曲轴作为船 舶推进系统的关键部件，需承受高负 荷和极端环境条件下的运转。
在发电机组领域，柴油发动机曲轴用 于驱动发电机，要求具有高效率和可 靠性。
02
疲劳分析基本原理
疲劳定义与分类
疲劳定义
疲劳是由于材料或结构在循环应力或 应变下逐渐损伤和失效的现象。
疲劳分类
根据应力类型和循环特性，疲劳可分 为高周疲劳和低周疲劳，其中高周疲 劳是指循环次数大于10^4的疲劳，低 周疲劳是指循环次数小于10^4的疲劳 。
基于有限元方法的16PA6STC柴油机曲轴疲劳强度分析
境下 的整体坐 标系 内 。仿真模 型及 各机构 的运 动
副关 系见 图 １ 。
阻尼单元 ， 模拟 机 体 与 曲轴 之 间润 滑 油膜 的 弹性 支 撑及 阻尼 作用 。原 刚体 的质 量 、 心等 固有 属 重
性均 转移 至柔性 体 曲轴 。
３ 仿 真 结 果 分 析
１Ｐ Ｓ ６ Ａ６ ＴＣ型柴 油机 为 四 冲程 中速 机 ， 曲轴
曲柄臂过 渡 圆角处为 应 力集 中最严 重 的部位 。其
应 力值 为 ３０ ５ ５．２ＭＰ 。将 曲轴进 行柔性 ２ ．￣４ ７９ ａ
化 以后 ， 刚体模 型 的 固有特 性 离 散 为柔 性体 的 原
各 阶模 态特 性 ；受各缸 的气 体爆 发压 力及 连杆 惯
图 ２ 曲轴 的 有 限 元模 型
ｒｎ中设 置 曲轴 的外 接 节点 单 元 ， ＭＰ — Ｂ ２ ａ 即 ＣＲ Ｅ 单元 ， 图 ２ 见 。
图 ３ 曲轴 动 态 加 载及 应 力 云 图
可 以看 出在 各缸 发 火 做功 过 程 中 ， 曲轴 应 力
最 大时刻 出现 在仿真 时 间为 ０ １ ９２Ｓ 曲柄销 与 ． ０ ，
』 Ⅵ
Ｋ Ｑ（） ￡
系统 质量 矩 阵 ；
系统 刚度矩 阵 ； 节 点载 荷 向量 。
Ｃ 系统 阻尼 矩 阵 ； ＿
变动性 ， 部又存 在 着高 度 的应力 集 中 ， 接决 定 局 直 了 曲轴 易 产生 疲 劳 破 坏 ｌ 。结 合 多 体 动 力 学 仿 １ 真技术 及 有 限 元 计 算 方 法 ， 用 ＭＳ 采 Ｃ公 司 的 系
ｏ． ８ ｏｏ
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一…
ｎ ｎ ８５ １ｓ 其值 为 一Ｏ （ ４ ｎ ６ ７ ， ・）
单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核
单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核吉林大学材料力学课程设计设计题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核数据号：7.2I16学号：4212XXXX姓名：学长只能帮你到这了指导教师：魏媛2014年9月9日目录：1.设计目的2.设计任务及要求2.1设计计算说明书的要求2.2分析讨论及说明部分的要求2.3程序计算部分的要求3.设计题目及设计内容4.设计的改进意见及措施4.1提高曲轴的弯曲强度 4.2提高曲轴的弯曲刚度 4.3提高曲轴的疲劳强度5.设计体会6.参考文献7.附录7.1 通用程序框图7.2 C语言程序7.3 计算输出结果7.4 标识符1.设计目的本课程设计是在系统学完材料力学课程之后，结合工程实际中的问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合利用材料力学知识解决工程实际问题的目的。
同时，可以使学生将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体，既从整体上掌握了基本理论和现代计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力；既是对以前所学知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等）的综合运用，又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计思路和设计方法，使实际工作能力有所提高。
具体有以下六项：1.使所学的材料力学知识系统化、完整化。
2.在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程实际中的问题。
3.由于选题力求结合专业实际，课程设计可把材料力学与专业需要结合起来。
4.综合运用以前所学的各门课程的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机等），使相关学科的知识有机地联系起来。
5.初步了解和掌握工程实际中的设计思路和设计方法。
6.为后续课程的教学打下基础。
2.设计任务和要求参加设计者要系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法，独立分析、判断设计题目的已知条件和所求问题，画出受力分析计算简图和内力图，列出理论依据并到处计算公式，独立编制计算机程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。
柴油机曲轴的静强度及疲劳计算分析
2. 强度计算模型
2.1 模型建立 6L280型柴油机曲轴结构复杂，主体结构包括主轴颈、曲柄销、曲柄臂等。因此，曲轴
计算中不仅要考虑各种复杂的载荷，还要尽量模拟对曲轴强度、疲劳有影响的复杂细部结 构，曲轴计算工作量大、复杂性高。为了较准确、经济地模拟曲轴结构的强度、疲劳性能， 首先在ANSYS Mechanical软件的前处理模块中，建立如图1所示的。图中坐标系规定从输出 端指向自由端为Z轴正方向。随后各图的坐标系规定与此相同。
600
57.8
第六主轴颈与第六曲柄臂间的圆根
625
74.1
第五主轴颈与第八曲柄臂间的圆根
645
44.2
第四曲柄销表面横油孔
685
36.1
输出端圆根
安全 系数 9.31 8.56 11.82 12.66 9.83 15.28 14.48 8.54 7.02 10.96 8.18 7.38 8.46 15.65 9.19 13.24 11.02 8.60 14.41 17.64
位置
0
68.4
第一曲柄销与第一曲柄臂间的圆根
35
74.4
第四曲柄销与第八曲柄臂间的圆根
75
53.9
第三主轴颈与第五曲柄臂间的圆根
120
50.3
第五曲柄销内部横油孔
145
64.8 第六曲柄销与第十一曲柄臂间的圆根
180
41.7 第六曲柄销与第十一曲柄臂间的圆根
205
44.0 第六曲柄销与第十一曲柄臂间的圆根
250
74.6
第四主轴颈与第七曲柄臂间的圆根
船用柴油机曲轴疲劳分析
（Ａ Ｃ Ｅ技 术 ）在 产 品 的 设计 中 已经 大 景 地 使 用 。 其 中 有 限 元
技 术 已经 成 为 一 种 不 可 或 缺 的分 析 工 具 。 根 据 有 限 元 技 术 分 析 获 得 的 应 力 应 变 结 果 进 行 进 一 步 的疲 劳 寿 命 设 计 已 经 在 一 些 行 业 （ 汽 车 、船 舶 、航 天 航 空 、 压 力 容 器 等 ） 得 如
线 的 功 率 的 变 化 ， 实 时 功 率 的 测 量 主 要 依 据 于 直 流 母 线 电 流 电 （ 压 ） 该 功 率 变 化 状 况 ， 态 的提 供 了 柴 油 机 组 油 量 的 调 节 信 号 ， ， 动 油
１ 采用 新 的 控 制 装 置 的 Ｒ Ｇ耗 油 ｌＬ 前 者 达 到 了 ５ ％ 的节 油 ８， Ｌ Ｔ １。 ０
曲轴 的疲劳寿命进行评估 ，先利用动力学仿真软件 Ａ ＡＭＳ计算得到 曲轴载荷谱 ，然后基于有 限元分析结 Ｄ
果 的对 曲轴进行疲劳计算 分析。 关键词 ：曲轴 计算机辅助工程 动力学仿真软件 有限元分析
疲概 劳述
曲 轴 是 柴 油 机 主 要 部 件 之 一 ，在 周 期 性 变 化 的 气 体 压 力 、运 动 质 量 惯 性 力 以及 力 矩 的 作 用 下 工 作 ，其 Ｐ 部 产 生 ３ ，
该 系 统 可 用 于 改 造 现 有 砌ｒ 也 可 安 装 在 新 造 Ｒ ｒ 上 。它 将 Ｇ， ］ Ｇ
电机组在轻负荷 状态时仍工作 于全速状况 下造成 的高耗 油状况 。
柴油机曲轴的疲劳强度评定
柴油机曲轴的疲劳强度评定王民摘要：柴油机曲轴强度对保障船舶的安全性有着重要意义，本文首先介绍了柴油机曲轴疲劳强度评定方法，并给出柴油机动力计算中交变弯矩、交变压应力的计算方法。
本文探讨了IACS M53计算方法的合理性，指出强度评定中的常见错误并给出改进建议。
本文中部分意见已被船级社规范采纳，并用于实际曲轴强度校核。
关键词：曲轴强度评定、疲劳强度、IACS M53前言曲轴是影响船舶柴油机可靠性最关键的零部件，柴油机的可靠性在很大程度上依靠曲轴的可靠性。
由于曲轴无法采用冗余设计，不得不提高自身的可靠性，因此国际船级社协会(IACS)制订了曲轴强度校核的统一要求(IACS UR M53)。
曲轴在工作时承受缸内的气体力、往复和旋转质量惯性力、扭转力等的作用。
施加在连杆轴颈上的径向力使曲轴承受弯曲作用，切向力使曲轴承受扭矩，同时轴系带来的扭转振动、纵向振动、曲轴形状弯曲等都影响曲轴强度。
曲轴承受的切向力和径向力都是随时间周期变化的量，曲轴各处的应力也具有周期坏，因此UR M53 采用了疲劳强度评价准则，主要评价曲轴圆根及油孔处的疲劳强度。
本文介绍根据M53及中国船级社规范进行柴油机曲轴强度分析的实用方法，研究实际计算中常见的问题。
通过对比几种曲轴疲劳强度计算方法，对船舶规范和M53提出修改建议。
由于大型低速机计算相对简单，所以本文以V型中速机为例。
IACS曲轴疲劳强度评定方法国际船级社协会IACS UR M53船舶柴油机曲轴疲劳强度校核准则，来源于国际内燃机学会（CIMAC）的通用计算方法，并被各船级社所采纳，广泛应用于船舶柴油机曲轴设计。
通过曲轴疲劳强度计算，可以计算出曲轴在主轴颈、曲柄销颈、油孔处的名义交变弯曲应力、名义压应力、名义交变扭转应力，然后乘以应力集中系数，并根据最大应变能强度理论，合成为一当量交变应力，然后同材料的疲劳强度值进行比较，M53要求该比值（即合格系数）不小于1.15，以评判曲轴强度是否满足要求。
单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核 杨韬讲诉
材料力学课程设计设计题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核班级：铁车三班学号：2014120950姓名：杨韬指导老师：任小平一、 设计目的系统学完材料力学之后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学的知识解决工程实际问题之目的。
同时，可以使学生将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体。
既从整体上掌握了基本理论和现代的计算方法，又提高了分析问题，解决问题的能力；既把以前所学的知识综合运用，又为后继课程打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高二、设计题目某柴油机曲轴可以简化为下图所示的结构，材料为球墨铸铁(QT450-5)，弹性常数为E 、μ，许用应力为[σ]，G 处输入转矩为e M ，曲轴颈中点受切向力t F 、径向力r F 的作用，且r F =2tF 。
曲柄臂简化为矩形截面，1.4≤h D ≤1.6，2.5≤hb≤4, 3l =1.2r,有关数据如下表：要求： 1. 画出曲轴的内力图。
2. 设计曲轴颈直径d ，主轴颈直径D 。
3. 校核曲柄臂的强度。
4. 校核主轴颈H-H 截面处的疲劳强度，取疲劳安全系数n=2。
键槽为端铣加工，主轴颈表面为车削加工。
5. 用能量法计算A-A 截面的转角y θ,z θ。
数据零件图：单缸柴油机曲轴零件简化图：三、设计内容3.1 柴油机曲轴的内力图（1）受力分析计算简图：计算外力偶矩：Me=9549·Pn=9549×16.4/300=572.94 计算切向力Ft ，径向力Frt F =e M r =9549N r F =2t F=4774.5N 由平衡条件计算反力：在xOy 平面: Ay F =212r F l l l +=2963.5N Fy F =112r F l l l +=1811N在xOz 平面: Az F =212t Fl l l +=5927N Fz F =112t Fl l l +=3622N (3)内力分析：画出内力图。
YT1115型柴油机曲轴疲劳强度分析
文章编号:1000-5080(2001)01-0024-04作者简介:杜发荣(1963-),男,陕西省眉县人,副教授.主要研究方向为现代发动机设计方法.收稿日期:2000-10-18YT1115型柴油机曲轴疲劳强度分析杜发荣1,姬芬竹1,李明辉2,司东宏1(1.洛阳工学院汽车工程系,河南洛阳,471039;2.海南燃气股份有限公司,海南海口,570000)摘要:介绍了利用I 2DE AS 软件的S imulation 功能对Y T 1115柴油机曲轴进行有限元计算。
在确定计算模型时,对曲轴尺寸参数和形状参数没有进行简化,而是采用整根曲轴的三维实体模型,共划分4133个节点,17867个单元。
并同时计算其疲劳安全系数。
针对Y T 1115柴油机曲轴疲劳安全系数偏低,提出了改进意见。
关键词:柴油机;曲轴;疲劳强度分析;有限元法中图分类号:TK 423.3 文献标识码:A0 前言曲轴是柴油机的重要部件之一,其强度和刚度对柴油机的正常运转至关重要。
曲轴强度分析是柴油机设计中的一个关键环节。
由于曲轴的几何形状、边界条件和作用载荷都极其复杂,要想得到精确的计算结果,计算模型的选择极为重要。
传统的截断简支梁法和连续梁法由于作了太多简化,因此难以保证计算精度,有限元法是较好的选择[1]。
如文献[2]用有限元法对曲轴进行了强度分析提出了连续梁法和有限元法结合的方法,文献[3]研究了曲轴各种结构参数变化引起的曲轴弯曲应力,但这些研究工作还存在一些不足之处,如有的计算模型只考虑单一受载情况,忽略了扭矩和惯性力的作用;有的计算把曲轴简化为二维模型等。
而实际曲轴工作时处于复杂受力状态,建模过程中简化不当会使计算结果产生较大误差。
本文首先对曲轴进行了符合实际情况的三维实体有限元建模,模型确定后,为了保证计算精度,单元网格的划分有一定密度,薄弱部分还应进行细分[4～5]。
在此基础上对整根曲轴进行了应力计算,并对曲轴疲劳安全系数进行了校核。
柴油机曲轴的多轴高周疲劳寿命估算
2 μrl3 εω c bearing 3 （ 1 － ε2 ）
2
（ 1）
其中， μ 为润滑油动力黏度； r 为轴颈半径； l 为轴颈长 度； ε 为偏心率， 取值 0. 5 ； ω 为角速度； c bearing 为轴承 间隙。
846
机
械
强
度
2013 年
3
3. 1
曲轴瞬态动力学分析
瞬态动力学分析
图6 Fig． 6
位置 1 的等效应力—时间历程 Equivalent stress history of location 1
a（ t） 、 a（ t） 和 a（ t） 别为系统节点的加速度向量 式中， C、 K、 Q（ t） 分别为系统的质量矩 和节点速度向量； M、 阵、 阻尼矩阵、 刚度矩阵和节点载荷向量， 并由各自的 ， 单元矩阵和向量集成 即
图7 Fig． 7
位置 1 的主应力—时间历程 Principal stress history of location 1
f response 是所关心的最高阶模态振型的频率 。 其中， 3. 2 曲轴瞬态分析结果 将多体系统动力学计算得到的载荷按时间划分成 若干个载荷步。设定时间步长及阻尼进行瞬态动力学 分析， 经计算发现有两个位置应力值比较大 ， 确定为危 2） ， 险位置（ 下文分别简称位置 1 、 分别位于第一主轴 2 的 von 颈和第 二 主 轴 颈 过 渡 圆 角 处， 提 取 位 置 1、 Mises 等效应力和主应力的应力时间历程如图 6 、 图 7、 图 8、 图 9。 从图 6 、 图 7、 图 8、 图 9 可以看出， 位置 1 等效应力 最大值为 308 MPa， 主要表现为压应力的作用形式 （ 图 7 所示） ， 位置 2 等效应力最大值为 242 MPa， 主要表现 为拉应力作用形式 （ 图 9 所示 ） ， 其拉应力最大值为 203 MPa。
8L265柴油机曲轴的疲劳分析及结构优化
农业装备与车辆工程2015年收稿日期：2015－04－07修回日期：2015－04－14doi ：10．3969／j．issn．1673－3142．2015．08．0098L265柴油机曲轴的疲劳分析及结构优化肖森，于学兵，陈小雷（116023辽宁省大连市大连理工大学内燃机研究所）［摘要］以8L265柴油机的曲轴为研究对象，运用Pro ／E 软件对曲轴的整体进行了符合实际情况的建模，然后导入到有限元分析软件ANSYS－Workbench 中对其进行有限元分析，研究了整体曲轴的变形情况及应力分布情况，并对交变载荷作用下的曲轴进行了疲劳强度校核。
以曲轴的单拐模型为研究对象研究了轴颈过渡圆角处半径，轴颈过渡圆角形状等结构参数对应力集中效应的影响。
最后对曲轴整体进行了振动模态分析，分析了曲轴的自由模态振动，为以后的动力学分析打下良好的基础。
［关键词］曲轴；有限元；疲劳分析；优化［中图分类号］TK422［文献标志码］A［文章编号］1673-3142(2015)08-0034-05Fatigue Strength Analysis and Structure Optimization on 8L265Diesel Engine CrankshaftXiao Sen ，Yu Xuebing ，Chen Xiaolei（Institute of Internal Combustion Engine ，Dalian University of Technology ，Dalian City ，Liaoning Province 116023，China ）［Abstract ］In this paper ，the crankshaft of 8L265diesel engine was used as research object．First a 3－D model correspondingto practical conditions was set up by using Pro ／E．And then it was imported into ANSYS－Workbench and analyzed．The state of deformation and stress of the whole crankshaft was researched．The fatigue strength of the crankshaft was checked under alternat-ing loads．At the same time ，the single throw model of the crankshaft was used as research object ，the influence of structure pa-rameters on the stress concentration was studied such as the radius of the journal transition fillet ，the shape of the journal transi-tion fillet and so on．Finally the dynamic analysis was discussed．During the analysis ，the whole crankshaft was used as the tar-get ，and the vibration modal analysis was made．The results indicate the natural frequency and deformation of the crankshaft ，and lay a good foundation for dynamic analysis．［Key words ］crankshaft ；finite element ；fatigue strength analysis ；optimize0引言曲轴是柴油机中受力最复杂的零件之一，它承受着缸内气体的作用力、活塞连杆组往复质量惯性力和旋转质量惯性力，还承受扭转振动以及弯曲振动。
曲轴疲劳强度校核
曲轴疲劳强度校核
曲轴疲劳强度校核是一个重要的过程，以确保曲轴在长期使用中的强度和稳定性。
以下是曲轴疲劳强度校核的步骤：
1.确定载荷情况：首先，需要确定曲轴在实际使用中承受的载荷情况，包括最
大和最小载荷、循环载荷等。
2.选择合适的材料和工艺：根据曲轴的工作条件和性能要求，选择合适的材料
和工艺来制造曲轴。
不同的材料和工艺对曲轴的疲劳强度有不同的影响。
3.建立曲轴疲劳强度校核模型：基于实际的曲轴结构和载荷情况，建立曲轴疲
劳强度校核模型。
该模型应能够准确地模拟曲轴的工作状态和应力分布。
4.进行疲劳强度校核分析：基于建立的模型，使用疲劳强度校核分析方法，如
S-N曲线法、Miner法则等，对曲轴的疲劳强度进行校核。
分析曲轴在不同循环次数下的应力分布、疲劳损伤和寿命预测等情况。
5.优化曲轴设计：根据疲劳强度校核结果，对曲轴的设计进行优化。
优化内容
包括结构优化、尺寸优化和材料选择等。
优化目标是在满足其他性能要求的前提下，提高曲轴的疲劳强度和寿命。
6.实验验证：进行实验验证，以测试优化后曲轴的实际疲劳强度和寿命。
实验
结果与校核结果进行对比，确保曲轴的疲劳强度符合设计要求。
7.持续改进：在实际使用过程中，对曲轴进行持续的监测和维护。
根据实际使
用情况和监测结果，对曲轴的设计和制造工艺进行持续改进，以提高其疲劳强度和寿命。
曲轴疲劳强度校核是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素。
通过科学的
方法和严谨的实验验证，可以确保曲轴的疲劳强度符合要求，从而提高机械设备的安全性和稳定性。
曲轴的可靠性分析及疲劳强度设计探讨
制造 ＞ 一 ——
保证可靠 性箍
使用
、 ：
一
’
安全可 靠运
可 靠 性 词 Ｉ 的
可靠性试验数摊
性、 低重量 、 低成本的设计要求 ， 传统 的有限元分析法 虽为 曲轴 的结构 优化设 计 提供 了一定 的方便 ， 但 均 属 图 １ 机 械 产 品 与 可 靠 性 关 系框 图 于曲轴静强度设计分析的范畴， 而基于可靠性设计理 多 年来 ， 随着 可 靠 性技 术 的迅 速发 展 ， 提 出 了很 津 论开 展 的抗疲 劳设计 才能 真正 反 映 曲轴 的实 际工况 。 多 机械 可 靠性 分 析 与 设 计方 法 ，但是 实 质 上 可 以归 本文通过 比较传统 曲轴强度研究 的方法与基于可靠 于数 学模 型 法与 物理 原 因法 两 大类 ［ ２ ］ 。 经典的可靠性设计理论未能考虑结构系统的动 性设计理论的全过程寿命周期 的可靠性设计方法 的 优劣 ， 为选择合适 的曲轴强度计算方法奠定了基础 。 力学行为 ， 因而发展 了动态可靠性设计理论 。动态可 靠性是指产品在运动或振动状况下 的可靠性 ，主要 基 于 以下事 实 ：
美 国试验与材料 协会（ Ａ Ｓ Ｔ Ｍ ） 在“ 疲劳试验及数 （ Ａ Ｓ Ｔ Ｍ Ｅ ２ ０ ６ — ７ ２ ） 性指标 的实现 。可靠性试验数据是可靠性设计的基 据统计分析之有关术语 的标准定义” 对 疲 劳 的定 义 为 ： “ 在 某 点 或 某 些 点 承 受 扰 动 应 力 ， 础， 但是试验不能提高产品的可靠性 ， 只有设计才能
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ － ０ １ － ０ ７
作者简介 ： 刘 明生（ １ ９ ６ ６ 一） ， 男， 重庆人， 副教授 ， 工程师 ， 工学学士 ， 主要从事机电—体化技术 、 材料成型与控制技术 的教学和科研。 ９ ６
曲轴的疲劳和模态分析
∃p ——圆角弯曲形状系数, 由公式求得 ∃p = 1. 770 2 ∃1—— 因 圆角半 径过小 引起 的固有 应力集 中系 数, 查参考文献[ 6] 得到 ∃1= 2. 2 ∃2——总应力不均匀度系数, 由下式确定:
∃2 = ∃p / ∃1 = 0. 805 这里近似取: K = ∃2= 0. 805
n=
-1
Kk !∀
a+
#
m
=
240. 23
69.
91
×
1. 1.
55 45
× ×
0. 0.
8 05 7 02
+
0. 333 3 × 36. 92
= 2. 45
考虑到多缸发动机曲轴一般扭转振动以及动载荷
r
2=
2. 1 ×
60 192
×(1
+
0. 3125) × 0. 06
×
(
2
800 × 60
2
)2 =
333 3. 4 N
( 2)
Pr2 =
mjz ( 1 +
R L
)
r
2=
1. 83 × 1. 312 5
×
0.
06
×
(
2800 × 60
2
)2 =
12390. 1 N
( 3)
3) 连杆大头的旋转惯性力 P r 3:
2003 年第 5 期
·25·
设计与计算
水平对置柴油机曲轴动应力及疲劳分析
０ 引 言
现 代动 力 装 备 发 展 要 求 动 力 源 功 率 高 、体 积 小 ，而采用 二 冲程原 理 、提高转 速 等措施 是实 现功
率密度 提 升的重 要手段 之 一 。新 型水 平对 置二 冲程 柴油机 的 曲柄连 杆机 构为全 平衡 运动 机构 ，同样 的 曲轴 转速下 活塞 平均 速度 相对较 小 ，可 以使 柴 油机 转速 成倍 提高 ，原理 上功 率密度 相应 成倍 增加 ；具
ｔｎ ｅ ｅ ｅ ｃ ｏ ｈｅ ｏ ｉ ａ ｔｒ ｆｒ ｎ ｅ ｆｒ ｔ ｐｔ ｍｕｍ ｅ ｉ ｎ ｏ ｒ ｎ ｈａｔ． ｄ ｓｇ ｆｃ ａ ｋｓ ｆｓ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ ｓ：ｄ ｕ ｌ — ｐ ｏ ｅ ｉ ｓ ｌｅ ｇｎ ；ｃａ ｋ ｈ ｆ ；Ｆ ｏ ｂ ｅ ｏ ｐ ｓ ｄ ｄ ｅ ｅ ｎ ｉ ｅ ｒ ｎ ｓ ａ ｔ ＥＭ ；ｄ ｎ ｍｉ ｔ ｓ ；ｆ ｔ ｕ ｙ ａ ｃ ｓｒ ｓ ａ ｉ ｅ ｅ ｇ
有结构 简 单 ，工作平 稳 ，噪声小 等特 点 ，在功 率密 度方 面具 有进一 步 改善 的潜力 。
计 算 机辅 助 工 程 设 计 （ Ａ 技 术 是 现 代 设 计 Ｃ Ｅ） 中普遍 采用 的方 法 ，用于 发动机 研 制计划 的整 个设 计 阶段 。多体 系统分 析用 于 了解 运 转发 动机 的运动
Ｉ ｈ ｅ ｉｎ ｏ ｈ ｏ ｂ ｅ ｏ ｐ ｓ ｄ ｄ ｅ ｅ ｎｇｎ ｎ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｆｔ ｅ ｄ ｕ ｌ — ｐ ｏ ｅ ｉ ｓ ｌｅ ｉ ｅ，ｃ ｎ ｉ ｅ ｉｇ ｔ ｐ ｃａ ｔｕ ｔ ｅ ｏ ｒ ｎ ｒｉ ｏ ｓｄ ｒｎ ｈｅ ｓ ｅ ｉｌｓｒ ｃｕｒ ｆｃ ａ ｋ ｔａｎ，ＣＡＥ ｔｃ ｎ ｌｇ ｓａ ｏ ｅ ｎ ｔ ｈ ｉ ｅ ｔｃ ａ ｙ ａ ｃ ａ ａｙ ｉ ｅ ｕ ｔ ，ｕ ｉ ｇ Ａｂ ｑ ｓ ｓ ｆｗａ ｅ ｔ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｗａ ｄ ｐｔｄ ａ ｄ ｗｉ ｔ ｅ ｋ ｎ ｍａｉ ｎｄ ｄ ｎ ｍｉ ｎ ｌｓｓ ｒ ｓ ｌｓ ｓｎ ａ ｕ ｏｔ ｒ ｏ ｈ ｃ ｒｙ ｏ ｔＦＥＭ ｙ ａ ｃ ｓｒ ｓ ａｃ ｌｔｏ ａｒ ｕ ｄ ｎ ｍｉ ｔｅ ｓｃ ｌｕ ａｉ ｎ，ｔ ｅ ｓｒ ｓ ｉｔｉ ｕ ｉｎ ａ ｉ ｅ ｅ ｔｔｍｅ ｗａ ｔ ｄ ｅ ｈ ｔｅ ｓｄ ｓｒｂ ｔｏ ｔｄｆ ｒ ｎ ｉ ｓｓｕ ｉｄ．Ｍｏ ｅ ｖ ｒ ｆ ｒｏ ｅ ， ｗｉｈ ｔ ａ ｃ ｌ ｔｄ ｄ ｎ ｍｉ ｔｅ ｓｍａ ｔ ｈｅ ｃ ｌｕ ａ ｅ ｙ ａ ｃ ｓｒ ｓ ｐ，ｆｔｇ ｎ ｌｓｓｗａ ｏ ｄｕ ｔ ｄ．Ａｌ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｒ ｖ ｄ ｓｉ ｏ － ａｉｕｅ ａ ａｙ ｉ ｓｃ ｎ ｃｅ ｌ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｐ ｏ ｉ ｅ ｍｐ ｒ
(整理)单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核
吉林大学材料力学课程设计设计题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核数据号：7.2I16学号：4212XXXX姓名：学长只能帮你到这了指导教师：魏媛2014年9月9日目录：1.设计目的2.设计任务及要求2.1设计计算说明书的要求2.2分析讨论及说明部分的要求2.3程序计算部分的要求3.设计题目及设计内容4.设计的改进意见及措施4.1提高曲轴的弯曲强度4.2提高曲轴的弯曲刚度4.3提高曲轴的疲劳强度5.设计体会6.参考文献7.附录7.1 通用程序框图7.2 C语言程序7.3 计算输出结果7.4 标识符1.设计目的本课程设计是在系统学完材料力学课程之后，结合工程实际中的问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合利用材料力学知识解决工程实际问题的目的。
同时，可以使学生将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体，既从整体上掌握了基本理论和现代计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力；既是对以前所学知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等）的综合运用，又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计思路和设计方法，使实际工作能力有所提高。
具体有以下六项：1.使所学的材料力学知识系统化、完整化。
2.在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程实际中的问题。
3.由于选题力求结合专业实际，课程设计可把材料力学与专业需要结合起来。
4.综合运用以前所学的各门课程的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机等），使相关学科的知识有机地联系起来。
5.初步了解和掌握工程实际中的设计思路和设计方法。
6.为后续课程的教学打下基础。
2.设计任务和要求参加设计者要系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法，独立分析、判断设计题目的已知条件和所求问题，画出受力分析计算简图和内力图，列出理论依据并到处计算公式，独立编制计算机程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。
单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核(24)
单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核(24)材料力学课程设计设计计算说明书设计题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核图号：7-2数据号：II-11学号：卡号：姓名：井子源指导教师：魏媛目录1、设计目的 (2)2、设计任务和要求 (2)2.1、设计计算说明书的要求 (2)2.2、分析讨论及说明书部分的要求 (3)2.3、程序计算部分的要求 (3)3、设计题目 (4)3.1、画出曲轴的内力图 (6)3.2、设计曲轴颈直径d和主轴颈D (9)3.3、校核曲柄臂的强度 (10)3.4、校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度 (12)3.5、用能量法计算A-A截面的转角yθ，θ (13)z4、分析讨论及必要说明 (17)5、设计的改进措施及方法 (18)6、设计体会 (18)7、参考文献 (19)一、设计目的本课程设计是在系统学完材料力学课程之后，结合工程实际中的问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合利用材料力学知识解决工程实际问题的目的。
同时，可以使学生将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体，既从整体上掌握了基本理论和现代计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力；既是对以前所学知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等）的综合运用，又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计思路和设计方法，使实际工作能力有所提高。
具体有一下六项：(1).使所学的材料力学知识系统化、完整化。
(2).在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程实际中的问题。
(3).由于选题力求结合专业实际，因而课程设计可把材料力学与专业需要结合起来。
(4).综合运用以前所学的各门课程的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机等），使相关学科的知识有机地联系起来。
(5).初步了解和掌握工程实际中的设计思路和设计方法。
(6).为后续课程的教学打下基础。
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轴颈圆角 EMBED Equation.3
油孔出口 EMBED Equation.3
2.3 曲柄疲劳强度值 EMBED Equation.3
该公司认为M53过于保守，通过对曲轴进行了有限元分析和应力集中系数实测后，认为M53考虑了最恶劣的边界条件，且有限元分析和应力实测表明，应力集中系数远小于M53计算值。
循环工作应力的计算方法有很多种，如简支梁法、连续梁法、三维有限元法等。我们对比了M53和同样采用简支梁模型的著名的Ricardo柴油机设计咨询公司计算结果，以及柴油机设计公司的有限元计算和应力实测结果，见表5。
平均38.7 幅值217.5
平均17.5 主轴颈 275.42 幅值215.5
平均19.5 280 曲柄销 258.95 幅值221.43
平均40.13 幅值212.9
平均82.65 主轴颈 259.73 比曲柄销小 270 曲柄销 255.6 220.4 安全系数1.3 主轴颈 285.3 183.4 M53对主轴颈和曲柄销采用了不同的处理方法引起质疑，理由是曲柄在主轴颈和曲柄销圆根处应同样考虑。 但M53作为一种公认的成熟方法，不应该有此明显错误。分析如图2所示曲拐的应力分布云图，可以看出，在主轴颈圆角上部位置的交变弯曲压应力最大，曲柄销圆角下部位置为交变弯曲拉应力最大点。交变压应力值可能在主轴颈圆角处和交变弯矩产生的压应力同时达到最大值，所以对主轴颈处采用了二者的合成值。曲柄销处由于应力方向相反，所以不考虑压应力影响。
本文介绍根据M53及中国船级社规范进行柴油机曲轴强度分析的实用方法，研究实际计算中常见的问题。通过对比几种曲轴疲劳强度计算方法，对船舶规范和M53提出修改建议。由于大型低速机计算相对简单，所以本文以V型中速机为例。
IACS曲轴疲劳强度评定方法
国际船级社协会IACS UR M53船舶柴油机曲轴疲劳强度校核准则，来源于国际内燃机学会（CIMAC）的通用计算方法，并被各船级社所采纳，广泛应用于船舶柴油机曲轴设计。
上述分析表明，M53计算方法是倾向于安全，所以M53要求的合格系数也比较小。
3.2 实际曲轴应力计算和测量结果比较分析
某4种柴油机计算数据见表5，结果表明M53计算值明显大于Ricardo和有限元分析值，更明显大于应力测量值，对钢轴最少高20%，对球铁轴高了75%，这是由于M53的应力集中系数计算公式对球铁轴不适用造成的。可见M53隐含有约30%左右的安全系数，所以要求的合格系数只有1.15。其他方法的安全系数通常要达到1.5或以上，基本上可认为是合理的。
关键词：曲轴强度评定、疲劳强度、IACS M53
前言
曲轴是影响船舶柴油机可靠性最关键的零部件，柴油机的可靠性在很大程度上依靠曲轴的可靠性。由于曲ห้องสมุดไป่ตู้无法采用冗余设计，不得不提高自身的可靠性，因此国际船级社协会(IACS)制订了曲轴强度校核的统一要求(IACS UR M53)。
曲轴在工作时承受缸内的气体力、往复和旋转质量惯性力、扭转力等的作用。施加在连杆轴颈上的径向力使曲轴承受弯曲作用，切向力使曲轴承受扭矩，同时轴系带来的扭转振动、纵向振动、曲轴形状弯曲等都影响曲轴强度。曲轴承受的切向力和径向力都是随时间周期变化的量，曲轴各处的应力也具有周期变化的性质。对曲轴断裂事故进行实际分析证明，大多数断轴事故是疲劳破坏，因此UR M53 采用了疲劳强度评价准则，主要评价曲轴圆根及油孔处的疲劳强度。
曲轴
转角 法向支反力1 法向支反力2 总法向
支反力 法向力
弯矩 切向支
反力1 切向支反力2 总切向
支反力 切向力
弯矩 合成
弯矩 度 kN kN kN kN-m kN kN kN kN-m kN-m 0 385.40 -15.42 369.98 59.91 0.00 22.18 22.18 3.59 59.91 5 406.94 -20.66 386.28 62.55 44.57 23.98 68.55 11.10 62.55 … 720 385.40 -15.42 369.98 59.91 0.00 22.18 22.17 3.59 59.91 名义交变弯矩 40.08 2.2曲柄销主轴颈圆角及油孔处交变合成应力 EMBED Equation.3 的计算
表格 SEQ 表格 \* ARABIC 5 几种机型应力计算和实测对比
机型(缸径) M53 Ricardo 有限元计算 动应力测量 240（球铁）
曲柄销 260.95 幅值149
平均59.9 幅值147.8
平均23.15 主轴颈 229.7 265 曲柄销 264.25 幅值220.34
M53计算方法的合理性探讨
在对几种柴油机的曲轴强度评定中，遇到了评估结果不能满足船级社规范和M53的问题。特别是某国际著名柴油机公司的270系列的柴油机，计算结果表明主轴颈、曲柄销、油孔处合格系数分别只有：0.996，1.074，1.232，但该机型已有数百台的安全使用经历，并经多家IACS权威船级社认可。
通过曲轴疲劳强度计算，可以计算出曲轴在主轴颈、曲柄销颈、油孔处的名义交变弯曲应力、名义压应力、名义交变扭转应力，然后乘以应力集中系数，并根据最大应变能强度理论，合成为一当量交变应力，然后同材料的疲劳强度值进行比较，M53要求该比值（即合格系数）不小于1.15，以评判曲轴强度是否满足要求。
进行曲轴疲劳强度评价包括三个方面，即循环工作应力、对称循环疲劳强度、评价准则。
总结和规范改进建议
4.1 柴油机动力计算是曲轴强度评定的基础和关键
M53没有给出具体的计算曲柄臂交变径向压力和交变弯矩的计算公式，但该计算模型是M53所规定的，是和所提供的应力集中系数计算方法相关联的。这要求正确理解M53中关于力、力臂、截面积等的定义，在强度评定中很多错误发生在这个阶段，常见的错误包括力和力臂取值、弯矩合成、V型机两个连杆力没有合成等错误。
曲柄销疲劳强度值，即曲柄销圆角能持久承受的在最高应力点处的交变弯曲应力值，可对全尺度曲柄进行疲劳试验而测出，或根据公式计算得出。主轴颈也有类似计算公式。
EMBED Equation.3
2.4 合格系数Q
EMBED Equation.3
表格 SEQ 表格 \* ARABIC 1 柴油机连杆推力计算数据
曲轴角 气缸
气体力 运动件惯性力 活塞
合成力 连杆
推力 活塞
侧向力 连杆力切向力 连杆力径向力 Deg kgf/cm^2 kN kN kN kN kN kN 0 140.360 -141.290 640.664 640.664 0.000 0.000 640.664 5 147.280 -140.431 680.352 680.514 14.842 74.082 676.469 … 720 140.360 -141.290 640.664 640.664 0.000 0.000 640.664 动力计算的第二步，是以动力计算得出的连杆力为基础，计算出曲柄臂交变径向压力和交变弯矩。M53简支梁模型中力和弯矩的定义，按照图1，某V型柴油机计算见表格2和3，分别计算出了曲柄臂交变压力和弯矩值以及曲柄销油孔交变弯矩值。
3.1 两种简支梁法的区别
表格 SEQ 表格 \* ARABIC 4 简支梁法比较
参数 RICARDO方法 M53和各船级社规范 连杆作用力 根据气缸力曲线，并和惯性力合成。 支点距离 主轴承中心距减轴承宽度一半 主轴承中心距 曲柄力矩 支点至连杆厚度中心线 曲柄抗弯截面模数 曲柄臂斜截面，有计算公式 曲柄臂横截面，宽度乘以厚度 名义弯曲应力 曲柄弯矩/曲柄抗弯截面模数 弯曲应力集中系数 有效应力集中系数 弯曲应力集中系数公式 附加弯曲应力 无 10MPa 名义扭转应力 扭振计算或取扭振应力许用值 扭转应力集中系数 有效应力集中系数 扭转应力集中系数计算公式 名义压缩应力 无 支反力/曲柄横截面积 压缩应力集中系数 无 压缩应力集中系数计算公式 合成应力 用最大应变能量强度理论合成，最大应力同时出现在同一点上。 虽然同样采用简支梁法，但二者有些区别：
综上分析，可以认为M53计算方法本身没有明显的问题，是可行的。某270柴油机通过有限元分析得到的安全系数只有1.3，和常规的安全系数以及Ricardo选择的1.5倍的安全系数有一定的差距，该机之所以能够安全使用，也和其工作状况、应用船舶种类、材料疲劳强度储备等因素有关。作为高可靠性要求的船用柴油机曲轴计算方法，M53本身偏于安全是合理的。
柴油机曲轴的疲劳强度评定
王民
摘要：柴油机曲轴强度对保障船舶的安全性有着重要意义，本文首先介绍了柴油机曲轴疲劳强度评定方法，并给出柴油机动力计算中交变弯矩、交变压应力的计算方法。本文探讨了IACS M53计算方法的合理性，指出强度评定中的常见错误并给出改进建议。本文中部分意见已被船级社规范采纳，并用于实际曲轴强度校核。
曲柄抗弯截面模数不同，对有重复度的曲拐，Ricardo考虑最小截面为斜截面，显得更加合理。但考虑到如果在应力集中系数测试中使用同样的抗弯截面模数作为基准，由于二者应力集中系数不同，可以认为没有实质区别。
M53考虑了曲轴弯曲附加应力，并要求制造厂据此制定强制修理拐档差标准。
对于主轴颈，M53中考虑了名义压缩应力，但对曲柄销则没有考虑压缩应力。
表格 SEQ 表格 \* ARABIC 2 曲柄臂交变压力和弯矩计算
曲轴角 连杆1
径向力 连杆1
支反力 连杆2
径向力 连杆2
支反力 总支反力
QR 曲柄臂
弯矩MBR 度 kN kN kN kN kN kN-m 0 640.664 360.13 -38.6979 -14.41 345.72 39.10 5 676.469 380.25 -51.8492 -19.31 360.95 40.82 … 720 640.664 360.13 -38.6979 -14.41 345.72 39.10 名义交变值 231.299 26.160 表格 SEQ 表格 \* ARABIC 3 曲柄销油孔处弯矩