NESSUS® Case Study:
Automotive Engine Crankshaft Reliability
Nessus 软件案例分析
机车曲柄的可靠度分析
发包商：西南研究院某咨询项目
项目目的：定量计算机车曲柄的可靠度和验证其他设计参数。
项目背景：曲轴作为机械部件安装在内燃机车内，会频繁的使用。在弯曲和扭转的作用力下，曲轴常见的故障模式就是疲劳。曲轴的可靠度可以通过Nessus调用有限元分析软件ANSYS计算得到。
概要：本模型是某曲轴的三维参数化模型。ANSYS有限元模型中的关键参数包括轴柱半径和栓圆半径。有限元模型如上图显示。
曲轴在受到弯曲和扭转的负荷下，疲劳断裂首先发生在曲轴的曲柄连接段，并发生扩展。根据Goodman图，采用应力寿命的方法确定故障判定并计算疲劳裕度。假定疲劳裕度小于1.0时发生故障。在该曲轴的整个寿命期内，对作用在曲轴上的载荷进行评估，两个曲柄角所受的疲劳载荷最大，因此对这两个曲柄角进一步分析。作用在曲轴上的弯曲和扭转载荷作为随机变量（连接杆作用力1，2以及扭矩）。 通过这两个步骤运算出均值以及交互应力，并可用Goodman图来评估疲劳裕度。根据均值以及交互应力，在ANSYS可直接计算出疲劳裕度。 随机变量包括关键几何变量,载荷, 以及疲劳特性数据，如下表所示。
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项目
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平均值
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COV
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分布
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轴柱半径(Rc)
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13 mm
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0.5%
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正态
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栓半径 (Rp)
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11.5
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0.5%
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正态
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Connecting Rod Force 1 (F1)
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802 kN
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2%
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正态
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Connecting Rod Force 2 (F2)
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11.8 kN
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2%
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正态
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扭矩(T)
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90. kN-m
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30%
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正态
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耐久强度(SIGe)
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300 MPa
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10%
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对数正态
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极限强度 (SIGu)
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1400 MPa
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10%
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对数正态
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可用改进均值法来计算可靠度和概率敏感性。失效概率为4% (疲劳裕度小于1.0时) 。 随机敏感性因子如图1所示 。 从图1可以看出，扭矩和耐久极限对故障发生的影响最大。 同时表明轴柱半径对于故障的发生影响较小。在制造过程可以对这两个参数进行优化设计，即通过放宽这两个尺寸参数公差来实现削减成本的目的。
参考文献
Shah, C.R., Sui, P., Wang, W., Wu, Y.-T,《机车曲轴概率可靠度分析》1998年
原文引自中国可靠性论坛: 仁者无敌1987 nessus轨道交通机械结构可靠性应用案例.rar (3.55 MB) https://www.kekaoxing.com/club/thread-8901-1-1.html
