激光熔化沉积柴油机凸轮轴裂纹扩展及疲劳数值模拟研究
激光熔化沉积技术作为激光增材制造技术的一种，是集信息技术、材料技术、激光技术于一体的跨学科先进制造技术。凸轮轴是柴油机上重要的回转部件，大型复杂凸轮轴的加工一直是工程上的难点问题。激光熔化沉积技术凭借其在加工大型复杂结构方面的独特优势，为柴油机凸轮轴的生产加工提供了新的选择。本论文根据国家重点研发计划“高性能合金钢构件激光增材制造控形控性研究”(项目编号:2016YFB1100200)的要求，结合激光熔化沉积技术的特点，对激光熔化沉积凸轮轴服役工况下的裂纹扩展行为及疲劳寿命展开了研究。研究内容主要分为三部分: (1)设计并改进了12CrNi2材料熔化沉积成形工艺路线，制备了标准拉伸试样和CCT试样;实施了标准拉伸试样的拉伸实验，测定了激光熔化沉积12CrNi2材料弹性模量及抗拉强度;依据标准实施了激光熔化沉积12CrNi2材料疲劳裂纹扩展速率实验，并结合理论方法，对材料中速扩展阶段的裂纹扩展曲线进行拟合，得到材料在中速扩展阶段的Paris模型参数C和m;依据标准，对激光熔化沉积12CrNi2材料疲劳裂纹扩展的门槛值ΔKth进行了计算。 (2)运用载荷离散法对凸轮轴上裂纹的应力强度因子变化曲线进行研究，并结合实验得到的激光熔化沉积12CrNi2材料的Paris模型求解凸轮轴上裂纹的疲劳扩展速率;对比了方向、深度、位置等因素对凸轮轴上初始裂纹疲劳扩展速率的影响。 (3)结合ABAQUS静强度求解结果，运用MSC.Fatigue疲劳分析软件对凸轮轴构件的疲劳寿命进行研究;对比了平均应力、残余拉应力、裂纹等因素对凸轮轴疲劳寿命的影响;依据激光熔化沉积残余应力正交各向异性的特点，提出针对构件实际受载选取合理打印方向的思路;对比了基于应力集中系数的修正S-N曲线法和常规计算方法在求解带裂纹构件疲劳寿命方面的异同，为带有初始裂纹的激光熔化沉积构件疲劳寿命预测提供了新的方法。
合金钢凸轮轴;激光熔化沉积;裂纹扩展;疲劳裂纹;扩展速率;柴油机
北京化工大学
硕士
动力工程及工程热物理
段成红
2019
中文
TG665
2019-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）