何聯(lián)格，蘇建強，周 藍

（1.重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400054；2.汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054）

內(nèi)燃機是大國重器的核心，隨著內(nèi)燃機向高強化、高功率密度發(fā)展，缸內(nèi)燃氣燃燒所產(chǎn)生的爆發(fā)壓力成倍增加，致使曲軸的工作條件更加苛刻，對曲軸可靠性要求進一步提高。曲軸作為內(nèi)燃機的關鍵結構件，能否準確預測其結構可靠性成為制約內(nèi)燃機整機可靠性的關鍵。目前，采用數(shù)值仿真計算預測曲軸的結構可靠性，是世界上公認的比較有效的方法，可為曲軸結構可靠性設計提供理論基礎，延長內(nèi)燃機的使用壽命、提高整機運行平穩(wěn)性、安全性，其社會和經(jīng)濟效益顯著。

本文中根據(jù)國內(nèi)外內(nèi)燃機曲軸結構可靠性數(shù)值仿真計算的研究進展，主要論述了曲軸的靜力學、模態(tài)、扭振、協(xié)調(diào)變形、疲勞以及考慮強化工藝的結構可靠性數(shù)值仿真計算分析的研究現(xiàn)狀，指出了其發(fā)展趨勢，提出研發(fā)我國自主化曲軸結構可靠性仿真計算標準的急迫性，以期全面提升我國內(nèi)燃機整機結構可靠性水平。

1 曲軸結構可靠性數(shù)值仿真計算的研究現(xiàn)狀

1.1 數(shù)值仿真計算模型

曲軸的結構可靠性數(shù)值計算分析所采用的計算模型主要有3種［1-2］。第1種是1／4或1／2曲拐模型，主要考慮彎曲載荷作用，并認為曲軸的形狀和作用載荷相對于曲拐平面對稱；第2種是單個曲拐模型，用于分析曲軸上受載最嚴重的曲拐，這種模型的優(yōu)點在于計算規(guī)模小，但其很難正確確定主軸頸剖分面處的邊界條件，剖分面距離過渡圓角很近也會影響計算精度；第3種是整體曲軸模型，是進行曲軸結構可靠性數(shù)值計算分析最符合實際的計算模型，計算精度最高，但由于計算復雜，需要對曲軸的整體模型作一定程度的簡化。

1.2 曲軸靜力學分析

有限單元法的應用，可以比較準確地對曲軸進行靜強度分析，找出應力集中源，同時可以優(yōu)化曲軸結構。在靜力學分析過程中，需要對模型施加準確的邊界條件，由于曲軸作用載荷復雜，所以很多學者在處理邊界條件時做了一些簡化。有限元分析中，邊界條件一般有力邊界條件和位移邊界條件，對曲軸進行靜力學分析時，其力邊界條件通常是假設載荷沿連桿軸頸和主軸頸軸線方向按二次拋物線規(guī)律分布，沿軸頸圓周120°范圍內(nèi)按余弦規(guī)律分布［3］。在文獻［3］的研究基礎上，Parasa L等［4］在考慮了曲軸彎曲應力的條件下采用有限元法分析了單缸曲軸強度，并將計算結果與傳統(tǒng)方法進行了比較，驗證了有限元方法的可靠性。對于位移邊界條件，在早期研究中，一般把主軸承視為剛性，對主軸頸施加剛性約束，但這樣施加的邊界條件不夠準確，影響計算結果的可靠性，為了能夠使曲軸的位移邊界更符合實際，徐中明等［5］基于有限元法對曲軸進行靜強度分析時選取了單個曲拐模型，在曲軸兩側(cè)軸承處施加約束，約束了主軸頸在直角坐標系下的3個平動方向的位移，校核了球墨鑄鐵和40Cr兩種材料所對應的曲軸應力集中部位的靜強度安全系數(shù)，結果表明40Cr符合設計要求。楊志慧等［6］在對柴油機曲軸進行有限元分析時，考慮了接觸問題，采用了彈性支撐約束，在曲軸主軸頸上的所有節(jié)點上施加彈簧支座，分析了不同的圓角大小和曲柄臂厚度對曲軸應力應變的影響。Yu S H等［7］應用ANSYS軟件，對某60°夾角V6車用汽油機的錯拐曲軸進行了不同極限工況下的有限元計算，對該曲軸的載荷和約束條件做了較為詳細的討論，得到了該錯拐曲軸的應力分布，并校核了其靜安全強度，計算結果及分析表明，該曲軸靜強度在許用范圍，能滿足運行工況要求。

曲軸的靜力學分析可以為曲軸的優(yōu)化設計和疲勞強度校核提供理論依據(jù)。董昊軒等［8］對曲軸進行了靜力學計算，對應力最大區(qū)域的疲勞安全系數(shù)進行了校核，得出了連桿軸頸變化與疲勞安全系數(shù)的關系；Thejasreea P等［9］對單拐曲軸模型進行了靜力學分析，發(fā)現(xiàn)應力集中區(qū)域位于曲柄銷和主軸頸的過渡圓角上。

以上研究都在在靜力學分析的基礎上，對曲軸結構進行了優(yōu)化。

1.3 曲軸動力學數(shù)值仿真計算

對曲軸進行模態(tài)分析，可以得到其各階的固有頻率和振型，并且可以為后續(xù)的動力學分析奠定基礎。模態(tài)分析有自由模態(tài)和約束模態(tài)兩種。曲軸的自由模態(tài)振動形式有彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動以及兩者疊加的振動；約束模態(tài)主要為彎曲振動。陳然等［10］使用ANSYS軟件對內(nèi)燃機曲軸進行模態(tài)分析，得到了自由模態(tài)和約束模態(tài)的前8階非零頻率振型，并且做了對比，結果表明約束條件對曲軸本身的固有頻率影響較大，可以通過改變約束方式來提高固有頻率。王啟興等［11］對柴油機曲軸進行了模態(tài)分析，得到了自由模態(tài)和約束模態(tài)的前6階非零頻率振型，發(fā)現(xiàn)曲軸在低階頻率下以彎曲變形為主，高階頻率下以扭轉(zhuǎn)變形和彎曲扭轉(zhuǎn)疊加變形為主。

曲軸扭轉(zhuǎn)振動時，會產(chǎn)生很大的噪音，增加內(nèi)燃機零部件的磨損，嚴重時會導致曲軸斷裂。因此，對曲軸軸系進行扭振分析是非常有必要的，通過扭振分析可以得到其扭轉(zhuǎn)應力、振型以及振幅，評價曲軸工作的可靠性。劉五一［12］建立了礦用車輛內(nèi)燃機曲軸的扭振模型，并且對曲軸扭振特性進行了仿真分析計算，確定了內(nèi)燃機使用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的扭振節(jié)點應力，結果表明，通過降低減振器固有頻率，可以有效提高減振皮帶輪與曲軸連接處螺栓的安全系數(shù)。

為了進一步提高曲軸動力學仿真計算結果的可靠性，需要建立曲軸扭振系統(tǒng)耦合模型進行仿真計算，使仿真計算的邊界條件更加趨于精準。王小莉等［13-14］建立了內(nèi)燃機前端附件驅(qū)動系統(tǒng)和曲軸扭振系統(tǒng)的耦合模型，研究了耦合系統(tǒng)的動態(tài)負載波動對曲軸扭振的影響，結果表明：低頻激勵不會引起曲軸系統(tǒng)的扭振，高頻激勵會同時引起曲軸扭振系統(tǒng)和前端附件驅(qū)動系統(tǒng)的共振，且前端附件驅(qū)動系統(tǒng)對曲軸扭振有一定的衰減作用。同時，又對裝有n級橡膠阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器的內(nèi)燃機曲軸系統(tǒng)進行了扭振分析和計算，得出以控制曲軸在單簡諧激勵下各共振峰最小為目標優(yōu)選出的減振器，對控制內(nèi)燃機曲軸的第一階固有振動較為有效，但這樣會導致減振器固有頻率處的共振，使曲軸的扭振惡化。

曲軸在內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)過程中承受著隨時間周期性變化的交變載荷，這種交變載荷的作用使得曲軸和主軸承受到不同程度的變形，且關系到內(nèi)燃機的安全性和穩(wěn)定性，對曲軸和主軸承結構之間的動力學特性特別是彼此之間變形的協(xié)調(diào)性分析已成為內(nèi)燃機可靠性工程中的重要課題［15］。何芝仙等［16］采用ADAMS軟件和ANSYS軟件，輔以手工編程相結合的方法，研究了計入軸瓦變形時某四缸柴油機曲軸動應力分析和疲勞強度計算問題，研究表明：計入軸瓦變形，主軸承最小油膜厚度大幅度下降，最大油膜壓力大幅度上升，曲軸動力學響應和危險點的動應力也發(fā)生變化，曲軸疲勞壽命下降了15.6%。

1.4 基于宏觀力學方法的曲軸疲勞仿真計算

內(nèi)燃機實際運行的過程中，曲軸主要承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，而曲軸的主要失效形式為彎曲疲勞破壞。國內(nèi)外很多學者對曲軸的疲勞極限、疲勞壽命、疲勞斷裂等方面做了一定的研究。

Chen X P等［17］針對曲軸疲勞極限載荷預測問題，提出了疲勞分析的有限元建模方法與分析策略，該方法可以對曲軸進行靜態(tài)、模態(tài)、疲勞和多體動態(tài)響應分析，有助于改進疲勞極限載荷分析方法。孫嵩松等［18］使用有限元法對曲軸進行彎矩載荷作用下的應力分析，確定曲軸彎曲疲勞的臨界平面和疲勞損傷類型，通過對比多軸疲勞模型和名義應力法對同種材料、不同結構的曲軸疲勞極限載荷進行預測的試驗數(shù)據(jù)，得出基于KBM（Kandil-Brown-Miller）的多軸疲勞模型，能夠準確地預測不同圓角半徑的曲軸疲勞極限載荷。鮑珂等［19］針對諧振式曲軸彎曲疲勞試驗系統(tǒng)兩自由度等效簡化模型，進行受迫振動響應的理論分析和試驗系統(tǒng)的有限元模態(tài)計算，進一步采用模態(tài)疊加法進行曲軸彎曲疲勞試驗瞬態(tài)動力學計算，得到系統(tǒng)位移響應，最后通過模態(tài)擴展計算得到圓角危險截面圓弧上各點在疲勞試驗過程中的彎曲正應力幅值，從而獲得試驗中不易準確測定的曲軸彎曲疲勞應力。Yang J等［20］對某汽油機工作條件最差的曲柄臂進行有限元分析，采用強制位移法計算曲柄循環(huán)應力過程，然后基于有限元的分析結果和荷載歷程進行疲勞分析，該疲勞分析方法通過計算最惡劣條件下工作的曲柄臂的強度，來表征整個曲軸的疲勞強度，并且根據(jù)疲勞試驗結果與計算結果的一致性，驗證了該方法在工程中的可行性。

在曲軸疲勞數(shù)值仿真計算中，能夠準確預測曲軸的疲勞壽命對曲軸結構可靠性至關重要?；诿x應力的應力-壽命（S-N）方法是目前應用范圍最廣泛的疲勞分析方法，其準確性高、可用性強。馮國勝等［21］建立了內(nèi)燃機缸內(nèi)燃氣最大爆發(fā)壓力分別為15.5 MPa和16.5 MPa、一缸點火及二缸點火共4個工況下曲軸有限元模型，通過分析計算得出了4個工況下曲軸的疲勞壽命，發(fā)現(xiàn)曲軸疲勞破壞最先產(chǎn)生在曲柄臂和曲柄銷的過渡圓角處。Witek L等［22-23］采用有限元法對曲軸進行非線性靜力分析，結果表明內(nèi)燃機工作期間，高應力區(qū)位于裂紋萌生區(qū)，得出了曲柄銷圓角區(qū)域材料的高周疲勞是造成早期疲勞失效的主要原因，且提出了提高曲軸疲勞壽命的措施。同時，又對柴油機曲軸分別進行了失效分析、應力分析以及模態(tài)分析，結果表明：當柴油機以最大功率工作時，曲軸高應力區(qū)位于裂紋源以外的另一個區(qū)域，早期失效的主要原因是曲軸發(fā)生共振，且與共振振動有關的高周疲勞使曲軸的疲勞壽命降低。Joao G等［24］在整個燃燒循環(huán)中對船用柴油機曲軸的應力集中區(qū)域進行有限元分析，并采用應力-壽命理論預測了曲軸的疲勞壽命，得出可以通過增加曲柄臂寬度提高曲軸的疲勞性能，且指出在曲軸設計中要考慮過渡圓角處滾壓或噴丸等工藝強化產(chǎn)生的殘余應力。

由于S-N方法只適用于彈性應力和應變狀態(tài)，不考慮彈塑性循環(huán)應力-應變，而應變-壽命理論可以對應力集中部位和危險點進行定量的壽命評估。鮑珂等［25］針對圓角滾壓鑄鐵曲軸，建立了與其對應的滾輪-階梯軸三維柔-柔接觸有限元模型，并且在模擬滾壓過程中得到了圓角滾壓殘余應力，然后對曲軸單拐進行了試驗彎曲載荷下的有限元受力分析，最后將計算得到的滾壓殘余應力處理為平均應力，利用材料應變-壽命理論進行局部應力應變法疲勞分析，得到了裂紋萌生位置和疲勞壽命，計算結果與彎曲疲勞試驗結果相符。孫楠楠等［26］運用應變-壽命理論預測了曲軸在彎曲疲勞試驗條件下的疲勞壽命，并且考慮了曲軸的淬火殘余應力，將計算結果與實驗結果進行對比，證明了應變 壽命理論能夠應用于曲軸的壽命預測中，并且對模型進行修正，且后者的計算結果優(yōu)于原模型。Fonte M等［27］運用應變-壽命理論分析了某四缸柴油機曲軸的失效原因，發(fā)現(xiàn)曲軸在交變彎曲載荷作用下發(fā)生疲勞斷裂，主要位置為曲柄銷與主軸頸的過渡圓角處，在該位置產(chǎn)生了疲勞裂紋。

為了克服疲勞試驗周期長、成本高的問題，國內(nèi)外研究者們提出了等效標準缺口件的方法，該方法可以將經(jīng)過特殊工藝處理的實際構件等效為相同材料、相同工藝處理的標準缺口件，從而消除材料分散性和制造加工工藝等因素對等效疲勞分析結果的影響，能夠更準確、更有效地預測曲軸疲勞極限［28］。李建鋒等［28］采用有限元方法分析了曲軸的受力狀態(tài)，且以此為基礎分別設計了適用于該曲軸的圓形缺口件和橢圓形缺口件，通過優(yōu)選設計后對橢圓形缺口件有限元計算，并與曲軸疲勞試驗中圓角應力測試結果進行對比，驗證了應用橢圓形缺口件進行曲軸疲勞分析的可行性。劉震濤等［29］針對曲軸疲勞極限載荷難以在設計階段快速準確獲取的問題，利用有限元法和缺口疲勞的相關理論，將曲軸作缺口件處理，建立了相應的缺口疲勞系數(shù)模型，分析了2款材料屬性一致、結構不同的曲軸的疲勞特性，結果表明：基于Peterson缺口疲勞模型預測曲軸的疲勞極限載荷具有一定的精確度，該方法能夠較快地確定曲軸的疲勞極限載荷，具有很高的工程價值。

應用斷裂力學方法亦可以對曲軸疲勞壽命進行預測分析。Metkar R M等［30］對單缸柴油機曲軸的疲勞斷裂壽命預測的3種方法進行了比較研究，即斷裂力學方法、線彈性斷裂力學方法（linear elastic fracture mechanics，LEFM）和臨界距離法（critical distance approach，CDA），這些方法可以預測裂紋增長、失效所需時間以及壽命評估的其他重要參數(shù)。研究結果表明：在預測曲軸壽命時，與CDA方法相比，LEFM的預測低估了部件的壽命。常志剛［31］通過測量裂紋萌生區(qū)的幾何特征，并將其作為曲軸裂紋體的仿真建模輸入，應用有限元數(shù)值仿真計算方法獲得了萌生區(qū)裂紋前緣的應力強度因子，結果表明裂紋萌生階段，裂紋表面點的應力強度因子大于中心點且裂紋沿表面擴展速率高于中心。Fonte M等［32］對某柴油機和汽油機的2種曲軸進行了失效分析，結果表明，裂紋都是從曲柄銷過渡圓角處擴展而來，且裂紋前緣形狀都為對稱的半橢圓形，斷口分析表明疲勞斷裂是2個曲軸的主要失效機理；并且得出，曲軸在工作過程一直旋轉(zhuǎn)，可能產(chǎn)生主軸頸軸承的錯位而損壞，因此，曲軸的主軸頸軸承的正確對準在提高疲勞壽命方面起著重要作用。

1.5 基于微觀力學方法的曲軸疲勞仿真計算

隨著計算機技術和材料試驗測試技術的發(fā)展，對曲軸的疲勞分析方法由宏觀力學深入到了微觀力學。微觀力學主要研究材料內(nèi)部原子的位錯與滑移等晶體尺度內(nèi)的斷裂過程。Li W等［33］從化學成分、力學性能、宏觀特征、微觀結構和有限元分析計算等方面分析了某曲軸斷裂的原因，分析結果表明：具有明顯疲勞裂紋的曲軸屬于疲勞斷裂，主軸頸錯位使過渡圓角處產(chǎn)生應力集中，可以通過提高曲軸表面質(zhì)量，降低表面粗糙度提高其可靠性。張國防等［34］針對某載重汽車曲軸發(fā)生斷裂問題進行了失效分析，通過斷口宏觀及微觀觀察、金相組織檢驗、力學性能檢驗與有限元數(shù)值仿真計算等綜合分析，得出該曲軸斷裂形式為疲勞斷裂，且斷裂的直接原因是主軸頸表面碰磨使?jié)B氮層產(chǎn)生裂紋，而熱處理后金相組織不符合要求是曲軸疲勞強度降低的重要原因。Mateus J等［35］針對某渦輪增壓柴油機曲軸發(fā)生斷裂，通過斷口分析、金相組織分析以及數(shù)值仿真計算，分析了曲軸的失效模式及裂紋萌生點的應力狀態(tài)，結果表明曲軸斷裂為疲勞斷裂，產(chǎn)生斷裂的原因是裂紋萌生點的缺口和曲軸主軸頸軸線的偏移。

1.6 基于細觀力學方法的曲軸疲勞仿真計算

細觀力學的研究內(nèi)容包括細觀塑性理論和細觀損傷力學等。細觀塑性理論從位錯、滑移、單晶和多晶不同層次探討塑性變形的物理規(guī)律，細觀損傷力學從孔洞、微裂紋、局部化帶、界面失效等細觀損傷基元出發(fā)定量地刻劃固體破壞行為的孕育和發(fā)展過程［36］。Dunand等［37］采用剪切修正GTN（Gurson-Tvergaard-Needleman）細觀損傷模型模擬并預測了具有復雜應力三軸度狀態(tài)的拉伸和沖壓試驗板材斷裂行為，通過數(shù)值模擬計算驗證了理論模型的正確性。王虎［38］對隨機動載荷激勵下飛行器典型結構進行振動疲勞壽命分析，提出了一種基于細觀力學的損傷模型。該模型基于宏觀單元與細觀RVE的響應映射關系，將宏觀疲勞問題轉(zhuǎn)化為細觀RVE的損傷破壞問題，認為振動疲勞壽命等于細觀RVE的失效壽命，并以“九宮格壁板”加筋結構為例進行了驗證，結果表明：使用Lemaitre多軸等效準則確定結構危險位置結果更為準確，且細觀損傷模型的壽命預估結果誤差更小，二者的結合使用可以得到更為理想的壽命預估結果。

劉金祥等［39］通過微觀組織觀測，研究了微觀縮松對蠕墨鑄鐵材料微觀組織的影響，并基于有限元計算細觀力學方法，建立了含微觀縮松缺陷的材料代表性體積元RVE模型，REV模型實現(xiàn)了微觀缺陷位置和大小的隨機性分布，通過在該模型上施加周期性邊界條件和拉伸位移載荷，研究了微觀縮松對蠕墨鑄鐵材料宏觀力學性能的影響。目前，基于細觀力學方法對曲軸進行疲勞分析的研究甚少，應用細觀力學方法對圓角滾壓后的曲軸進行疲勞分析將會是曲軸疲勞仿真計算的一個重要發(fā)展方向。

1.7 曲軸的工藝強化數(shù)值仿真計算

為了保證內(nèi)燃機工作的可靠性，使曲軸有足夠的強度、剛度以及耐磨性，必須對曲軸進行表面強化工藝處理，而滾壓、噴丸、感應淬火、滲碳、磨削等強化處理工藝已成為企業(yè)應用的主流工藝。

在圓角滾壓工藝研究中，馮美斌等［40］采用切線滾壓、半精磨后滾壓和沉割滾壓對曲軸過渡圓角進行強化，結果表明，這3種方法都可以提高曲軸的疲勞強度且沉割滾壓強化效果最好。Spiteri P等［41］對滾壓后的曲軸進行三維彈塑性有限元分析，得到了圓角表面到深度的正應力分布，以及圓角滾壓過程中曲軸圓角附近的殘余應力分布，通過曲軸圓角表面上的SWT（smith-watson-topper）等效應力和有效應力強度因子范圍評估曲軸的疲勞極限，結果表明，基于裂紋建模技術得到的有效應力強度因子范圍與試驗數(shù)據(jù)有合理的相關性。Gül?evik等［42］基于曲軸試驗臺的有限元建模，對球墨鑄鐵曲軸在圓角滾壓和非圓角滾壓條件下的疲勞極限進行了評估，發(fā)現(xiàn)圓角滾壓工藝顯著提高了疲勞強度，而引起疲勞強度提高的主要因素是滾壓過程引起的殘余壓應力、表面硬度增加和位錯密度增加。Ho S等［43］提出了一種新的、高效的曲軸滾壓工藝優(yōu)化方法，采用非線性有限元分析方法對曲軸滾壓過程中的應力分布進行了近似計算，采用裂紋建模技術估算等效應力強度因子范圍，基于均勻設計方法建立了響應面有限元模型，采用蒙特卡羅模擬技術得到了可靠性最高、變異系數(shù)最小的最優(yōu)設計。劉榮昌等［44］借助曲軸圓角滾壓顯式動力學分析模型，通過控制滾輪繞曲軸軸頸的旋轉(zhuǎn)模擬曲軸圓角滾壓的實際工況，得到了圓角部位應力沿層深的應力分布規(guī)律，研究了進給量和滾壓道次對殘余應力分布的影響，結果表明：圓角滾壓后產(chǎn)生了足夠強度和分布區(qū)域的軸向壓應力，有利于抵消曲軸工作狀態(tài)下承受彎曲載荷所產(chǎn)生的拉應力，顯著提高曲軸彎曲疲勞強度。張小紅等［45］選用氣體軟氮化+表面滾壓、離子氮化+表面滾壓強化、高頻淬火+表面滾壓強化3種曲軸復合強化工藝，通過仿真計算對比分析了3種復合強化工藝對提高曲軸疲勞極限的影響，發(fā)現(xiàn)氣體軟氮化+表面滾壓對提高曲軸疲勞極限效果最好。

在噴丸強化工藝研究中，尹建君等［46］應用ABAQUS軟件進行曲軸圓角噴丸仿真計算，同時對噴丸前后以及拋光后的曲軸圓角進行了殘余應力測試，發(fā)現(xiàn)噴丸處理后圓角應力狀態(tài)發(fā)生改變，可有效地提高曲軸的疲勞壽命。孫獻凱等［47］為了提高曲軸的疲勞強度，提出了一種中頻淬火后進行噴丸處理的工藝強化方法，該方法可以顯著提高軸頸平直段的表面壓應力，且能改變圓角處的殘余應力狀態(tài)，從而提高曲軸的疲勞強度。由于裂紋萌生經(jīng)常沿著彎曲區(qū)域或結構部件的圓角發(fā)生，Anoop Vasu等［48］建立了曲軸圓角凹凸幾何模型，研究了圓角激光噴丸對曲軸疲勞壽命的影響，并與平面幾何模型比較，研究了曲率對激光噴丸處理的影響，結果表明，增加凹模型中的曲率半徑會減小圓角中產(chǎn)生的壓縮殘余應力，增加凸模型的曲率半徑會增加圓角中產(chǎn)生的壓縮殘余應力。

在淬火強化工藝研究方面，杜永辰等［49］對某曲軸單拐淬火前后圓角處的應力狀態(tài)進行模擬，結果發(fā)現(xiàn)，通過表面強化電磁感應加熱淬火后產(chǎn)生殘余壓應力，提高了曲軸的疲勞強度，為曲軸的抗疲勞設計提供依據(jù)。張曉陽等［50］研究發(fā)現(xiàn)材質(zhì)為20Cr的曲軸滲碳后直接淬火不能細化鋼的晶粒，表面殘留奧氏體較多，硬度較低，表面應力較大，容易在噴砂后產(chǎn)生裂紋，于是改進了強化工藝，滲碳后緩冷至室溫，重新加熱淬火+低溫回火，改善了滲層組織，細化了晶粒，這樣雖增加了生產(chǎn)周期和成本，但可以提高曲軸的使用壽命。

叢建臣等［51］對曲軸加工工藝進行了研究，主要分析了不同磨削參量對曲軸圓角和側(cè)臺殘余應力分布的影響規(guī)律，試驗研究表明，磨削速度、磨削進給量和磨削余量對曲軸圓角殘余應力影響較小，對側(cè)臺殘余應力影響較大。但此研究只能通過試驗進行，需要耗費一定的時間和成本，如果能夠采用數(shù)值仿真計算方法對其進行仿真計算分析，可以降低生產(chǎn)成本并縮短時間。

內(nèi)燃機中的大多數(shù)曲軸采用鍛鋼制造，由球墨鑄鐵材料鑄造而成的空心曲軸在降低曲軸質(zhì)量的同時可以降低生產(chǎn)成本，如果能夠保證其具有足夠的強度和良好的抗疲勞性能，空心曲軸在未來內(nèi)燃機上的應用將更為廣泛。目前，已有采用高強度球墨鑄鐵的空心鑄造曲軸應用于汽油機中，但對柴油機來說，仍是一個挑戰(zhàn)。BASIC M等［52］采用數(shù)值仿真計算的方法，研究了瞬態(tài)條件下空心曲軸的局部變形，及該變形對耐久性和滑動軸承性能的影響，分析時考慮了空心銷與連桿、軸頸和發(fā)動機之間的全彈性面對面接觸，并將此研究方法與結合了有限元分析和多軸疲勞評估的標準方法進行對比，結果表明，標準方法低估了銷孔內(nèi)表面的拉伸應力和壓縮應力，指出了在空心曲軸的孔區(qū)域耐久性研究中采用面-面彈性流體滑動軸承模型的必要性。

2 結束語

1）曲軸結構可靠性仿真計算的發(fā)展趨勢

曲軸結構可靠性數(shù)值仿真計算總體上呈現(xiàn)邊界條件精準化、計算方法多樣化和學科知識交叉化的發(fā)展趨勢。

隨著內(nèi)燃機向高強化和高功率密度方向的發(fā)展，在保證曲軸結構可靠性數(shù)值仿真計算效率的前提下，如何提高仿真真實性以及提升仿真精度已成為曲軸結構可靠性數(shù)值仿真計算亟需解決的關鍵問題。同時，不同類型曲軸的數(shù)值仿真計算邊界條件、不同仿真類型的計算方法和多學科知識的交叉將推動曲軸結構可靠性仿真計算的多樣化，以適應未來曲軸結構可靠性仿真的復雜、個性化工程需求。

2）我國自主化曲軸結構可靠性仿真計算能力

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，我國曲軸結構可靠性仿真計算水平相對比較落后，其原始技術幾乎從國外引進，不僅耗資巨大，而且技術核心仍然掌握在國外企業(yè)手中，這同時影響到我國內(nèi)燃機制造業(yè)。為此，必須立足國情，針對我國汽車保有量大的特點，集中產(chǎn)學研用等行業(yè)優(yōu)質(zhì)資源，完善協(xié)同創(chuàng)新體系，在已有基礎上開展持久、全面、深入的理論研究和技術攻關工作，以打破國外技術封鎖，全面提升我國曲軸結構可靠性仿真計算能力。