曲轴滚压过程耐久性优化[外文翻译].doc

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曲轴滚压过程耐久性优化

摘要：曲轴设计时往往带有一个小圆角半径。曲轴的圆角压延是工程上通常采用的方法之一，以便能够改善曲轴的疲劳寿命。圆角的压延过程会导致圆角半径表面周围上下处产生压缩残余应力。因此，曲轴的疲劳寿命得到了改善。一种分析技术方法被用来优化曲轴的压延过程来满足曲轴设计准则对耐久性的要求。非线性有限元分析被用来实现近似表示对由曲轴滚压过程产生的应力分布，同时开发的裂缝建模技术来计算以混合了沿裂缝扩展表面的残余应力和作用应力分布为基础的等效应力强度因子范围。极限等效应力强度因子范围是从之前在曲轴各区域上的阶梯测试获得的。如果极限等效应力强度因子范围超过了最大计算等效应力强度因子范围，那么就满足了耐久性的设计准则。由于模拟压延过程和计算等效应力强度因子的建模技术复杂，一个基于整体设计方法元模型的选择，可以作为表面产生响应的采样点和二次多项式拟合技术。在元模型优化过程中，滚压力，滚压角，圆角半径是控制系数，而在极限等效应力因子变化范围中，滚压力，滚压角，圆角半径则被认为是干扰因素。通过使用Hooke-Jeeves直接模式搜索方法和蒙特卡洛模拟技术，优化设计可以获得最高的可靠性和最小的变动系数(COV)。
关键词：优化，曲轴，整体设计，等效应力强度因子，耐久性，可靠性


1引言
由于组装的限制，曲轴设计时在销和轴的连接出会带有小的圆角。当曲轴受到作用载荷时，在高应力区产生的应力可以引起疲劳裂纹，导致突变失效。圆角滚压工序是改善曲轴疲劳强度常用的技术，因为滚压过程在接触面和次表层产生的压缩残余应力可以抑制疲劳裂纹的产生和扩散。
由圆角滚压过程产生的残余应力及其对曲轴疲劳寿命的影响可以通过实验［1-4］和分析［5-8］的方法来确定。根据Spiteri et al文章[7]，作者研究了在滚压过程中对曲轴疲劳强度影响的关键参数。非线性有限元分析被用来模拟曲轴滚压过程，而裂缝建模技术则用来计算结合了沿潜在裂缝扩展面的残余应力和作用应力。由于模拟滚压过程和计算等效应力强度因子范围的复杂性，采用计算机实验的传统方法研究随机输入输出关系的确是个挑战。本文将曲轴优化过程分为两个阶段进行：建立一个元模型作为等效应力强度因子范围的应用，以及对疲