凸轮轴生命周期残余应力演化分析方法技术

本发明专利技术公开了一种凸轮轴生命周期残余应力演化分析方法，包括：将待分析凸轮轴进行结构分析简化后，建立凸轮轴有限元分析模型并进行网格划分；将待分析凸轮在轴磨削阶段产生的残余应力作为初始条件导入凸轮轴有限元分析模型；根据待分析凸轮轴的服役工况和循环载荷作用下应力应变的棘轮行为特点，构建考虑混合硬化耦合损伤循环塑性本构方程；将待分析凸轮轴在服役过程中受到的循环载荷作为凸轮轴有限元分析模型的自定义载荷程序模块；通过ABAQUS作业模块对待分析凸轮轴进行运行分析，在卸除载荷以及解除边界条件后，提取待分析凸轮轴的应力应变。轮轴的应力应变。轮轴的应力应变。

【技术实现步骤摘要】
凸轮轴生命周期残余应力演化分析方法


[0001]本专利技术涉及应力分析
，具体涉及一种凸轮轴生命周期残余应力演化分析方法。

技术介绍

[0002]凸轮轴作为船用柴油机里的核心零部件之一，控制着进气阀与闭气阀的开启和闭合，准确预估凸轮轴的服役寿命至关重要。凸轮轴受力主要是凸轮在运转过程中的自身的惯性力、燃气压力以及气门弹簧力；在工程上为了方便进行瞬态动力学分析，假设受力形式为集中力。由于测量面积和成本的限制，通过试验的方法全面研究凸轮轴在服役过程中残余应力的演化规律是不现实的；因此，有限元模拟与试验验证相结合已成为一种揭示残余应力演化的趋势。
[0003]目前工程上对凸轮轴的寿命预测往往倾向于排除残余应力的影响，这往往导致对凸轮轴寿命预测的结果不准确，实际疲劳寿命结果与无应力疲劳寿命结果峰值偏差达70％。了解循环载荷作用下的残余应力演变规律是准确预测凸轮轴疲劳寿命的基础，建立一种计算方法来量化残余应力的改变是重中之重。然而，有限元模型又很难准确描述凸轮轴在循环载荷作用下的应力应变的棘轮行为。在凸轮轴服役过程，凸轮型面受到滚轮的循环载荷会进入塑性阶段出现硬化现象，但并不会受到反向加载的循环载荷从而发生包辛格效应导致塑性应变软化、屈服极限降低。在服役过程中，随动硬化是其主要的硬化模式，而经过多次循环后，材料依旧会表现出各向同性的硬化作用，即循环载荷作用下峰值应力会随着循环周次的增加而增加。与此同时，凸轮轴在磨削过程中，曲率时刻变化，磨削深度并不是均匀的，这导致磨削后凸轮型面上残余应力分布不均匀；在凸轮轴服役过程中，各个阶段凸轮轴型面承受的载荷也不一样。
[0004]因此，如何准确预测凸轮轴在不均匀初始应力与不均匀载荷作用下残余应力演变规律，以提高对凸轮轴寿命预测的准确度，成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种凸轮轴生命周期残余应力演化分析方法，以解决现有技术中有限元模型很难准确描述凸轮轴在循环载荷作用下的应力应变的棘轮行为，导致针对凸轮轴寿命预测准确度不高的问题。
[0006]本专利技术实施例提供了一种凸轮轴生命周期残余应力演化分析方法，包括：
[0007]将待分析凸轮轴进行结构分析简化后，建立凸轮轴有限元分析模型并进行网格划分；
[0008]将待分析凸轮在轴磨削阶段产生的残余应力作为初始条件导入凸轮轴有限元分析模型；
[0009]根据待分析凸轮轴的服役工况和循环载荷作用下应力应变的棘轮行为特点，构建考虑混合硬化耦合损伤循环塑性本构方程；
[0010]将待分析凸轮轴在服役过程中受到的循环载荷作为凸轮轴有限元分析模型的自定义载荷程序模块；
[0011]通过ABAQUS作业模块对待分析凸轮轴进行运行分析，在卸除载荷以及解除边界条件后，提取待分析凸轮轴的应力应变。
[0012]可选地，将待分析凸轮轴进行结构分析简化后，建立凸轮轴有限元分析模型并进行网格划分，包括：
[0013]根据待分析凸轮轴的结构特征，在凸轮轴有限元分析模型的不同位置设置相应的踮起角度；
[0014]将凸轮轴有限元分析模型靠近表面的部分划分为细网格；将凸轮轴有限元分析模型远离表面的部分划分为粗网格。
[0015]可选地，凸轮轴有限元分析模型的仿真模拟参数包括凸轮轴密度、杨氏模量、泊松比、棘轮参数和损伤参数。
[0016]可选地，根据待分析凸轮轴的材料常数、棘轮控制参数和损伤参数构建考虑混合硬化耦合损伤循环塑性本构方程。
[0017]可选地，构建考虑混合硬化耦合损伤循环塑性本构方程，还包括：
[0018]根据屈服准则、塑性流动模型和硬化模型，将考虑混合硬化耦合损伤循环塑性本构方程设置为用户材料子程序模块；其中，用户材料子程序模块用于更新应力和解相关的状态变量；用户材料子程序模块还用于在元素每个积分点的每个增量步结束时提供新的雅可比矩阵。
[0019]可选地，考虑混合硬化耦合损伤循环塑性本构方程为：
[0020][0021][0022][0023]ε＝ε
e
+ε
p
[0024]σ＝(1
‑
D)C
e
：ε
e
[0025][0026][0027][0028][0029][0030]其中，a、M0、b、β、C
(i)
、γ
(i)
、b和Q为材料参数；AⅡ为一次循环中八面体剪应力的幅值；σ
H,mean
为一次循环中的静水压力平均值；S
ij,max
和S
ij,min
分别为循环中偏应力张量ij分量的最大值和最小值；σ
kk,max
和σ
kk,min
分别为循环中静水压力的最大值和最小值；ε为应变张量；ε
e
和ε
p
分别为弹性应变张量和塑性应变张量；C
e
为弹性模量四阶张量；S和α表示柯西应力和背应力的偏差部分；为塑性乘数；f为屈服准则；为塑性流动准则；μ为棘轮控制参数；D为损伤参数。
[0031]可选地，还包括：
[0032]在凸轮轴有限元分析模型中采用跳入循环程序；在跳入循环程序中，假设应力、累积塑性应变和损伤变量在循环周期内保持不变。
[0033]可选地，将待分析凸轮轴在服役过程中受到的循环载荷作为凸轮轴有限元分析模型的自定义载荷程序模块，包括：
[0034]根据赫兹接触理论将待分析凸轮轴的接触载荷进行等效换算，以等效载荷的形式替代有限元分析模型的滚轮。
[0035]可选地，根据赫兹接触理论将待分析凸轮轴的接触载荷进行等效换算，以等效载荷的形式替代有限元分析模型的滚轮，包括：
[0036]根据待分析凸轮轴与滚轮之间的接触力、滚轮接触长度、滚轮半径、待分析凸轮轴与滚轮接触时的接触半径、待分析凸轮轴的泊松比、待分析凸轮轴的弹性模量、滚轮的泊松比和滚轮的弹性模量，建立赫兹公式。
[0037]本专利技术实施例的有益效果：
[0038]本专利技术实施例提供了一种凸轮轴生命周期残余应力演化分析方法，在考虑凸轮轴磨削过程中残余应力的基础上，对凸轮轴服役过程中应力应变棘轮行为进行了分析与推导，提出了考虑混合硬化耦合损伤循环塑性本构方程，并将其编写为ABAQUS中用户材料子程序UMAT，并在建立的凸轮轴服役有限元模型中进行了有限元模拟，准确得出了凸轮轴残余应力在服役过程中的演变规律。该方法对分析凸轮轴在服役过程中的残余应力演变情况提供了一种参考。
附图说明
[0039]通过参考附图会更加清楚的理解本专利技术的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本专利技术进行任何限制，在附图中：
[0040]图1示出了本专利技术实施例中一种凸轮轴生命周期残余应力演化分析方法的流程图；
[0041]图2示出了一种凸轮轴磨削加工现场图(a)与凸轮型面位置示意图(b)；
[0042]图3示出了凸轮轴服役本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种凸轮轴生命周期残余应力演化分析方法，其特征在于，包括：将待分析凸轮轴进行结构分析简化后，建立凸轮轴有限元分析模型并进行网格划分；将所述待分析凸轮在轴磨削阶段产生的残余应力作为初始条件导入所述凸轮轴有限元分析模型；根据所述待分析凸轮轴的服役工况和循环载荷作用下应力应变的棘轮行为特点，构建考虑混合硬化耦合损伤循环塑性本构方程；将所述待分析凸轮轴在服役过程中受到的循环载荷作为所述凸轮轴有限元分析模型的自定义载荷程序模块；通过ABAQUS作业模块对所述待分析凸轮轴进行运行分析，在卸除载荷以及解除边界条件后，提取所述待分析凸轮轴的应力应变。2.根据权利要求1所述的凸轮轴生命周期残余应力演化分析方法，其特征在于，将待分析凸轮轴进行结构分析简化后，建立凸轮轴有限元分析模型并进行网格划分，包括：根据所述待分析凸轮轴的结构特征，在所述凸轮轴有限元分析模型的不同位置设置相应的踮起角度；将所述凸轮轴有限元分析模型靠近表面的部分划分为细网格；将所述凸轮轴有限元分析模型远离表面的部分划分为粗网格。3.根据权利要求1所述的凸轮轴生命周期残余应力演化分析方法，其特征在于，所述凸轮轴有限元分析模型的仿真模拟参数包括凸轮轴密度、杨氏模量、泊松比、棘轮参数和损伤参数。4.根据权利要求1所述的凸轮轴生命周期残余应力演化分析方法，其特征在于，根据所述待分析凸轮轴的材料常数、棘轮控制参数和损伤参数构建所述考虑混合硬化耦合损伤循环塑性本构方程。5.根据权利要求4所述的凸轮轴生命周期残余应力演化分析方法，其特征在于，构建考虑混合硬化耦合损伤循环塑性本构方程，还包括：根据屈服准则、塑性流动模型和硬化模型，将所述考虑混合硬化耦合损伤循环塑性本构方程设置为用户材料子程序模块；其中，所述用户材料子程序模块用于更新应力和解相关的状态变量；所述用户材料子程序模块还用于在元素每个积分点的每个增量步结束时提供新的雅可比矩阵。6.根据权利要求5所述的凸轮轴生命周期残余应力演化分析方法，其特征在于，所述考虑混合硬化耦合损伤循环塑性本构方程为：虑混合硬化耦合损伤循环塑性本构方程为：虑混合硬化耦合损伤循环塑性本构方程为：ε＝ε
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【专利技术属性】
技术研发人员：李国超，柏小祥，彭志诚，周宏根，吴恒恒，史肖娜，孙丽，陈建志，刘勇，冯丰，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：