曲轴再制造毛坯剩余寿命无损评估技术基础研究

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1、曲轴再制造毛坯剩余寿命无损评估技术基础研究薛楠2015年1月中图分类号：TG115.28UDC分类号：621曲轴再制造毛坯剩余寿命无损评估技术基础研究作者姓名薛楠学院名称机械与车辆学院指导教师徐滨士教授、张之敬教授答辩委员会主席孙厚芳教授申请学位工学博士学科专业机械制造及其自动化学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月Basicresearchofnon-destructiveevaluationtechnologyofresiduallifeforcrankshaftremanufacturingcoreCandidateName:NanXueScho

2、olorDepartment:MechnicalEngineeringFacultyMentor:Prof.BinshiXu、Prof.ZhijingZhangChair,ThesisCommittee:Prof.HoufangSunDegreeApplied:DoctorofEngineeringMajor:MechnicalManufacturingandAutomationDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:Jan，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指

3、导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要再制造工程是构建循环经济、实现节能减排和可持续发展的有效途径。再制造的生产对象（即再制造毛坯）是回收的废旧零部件，而对其进行剩余寿命的预测是可再制造性评估的关键环节。由于废旧零部件损伤的复杂性、随机性和个体差异性，使得再制造寿命评估成为极

4、具挑战性的难题。本论文以内燃机关键零部件——曲轴为研究对象，在失效分析基础上，采用有限元数值模拟、弯曲疲劳试验研究和信号处理相结合的方法，探索曲轴再制造毛坯剩余疲劳寿命预测的无损评估方法和途径。论文主要研究内容如下：研究了曲轴弯曲疲劳试验台架的动态性能。采用有限元(FEM)模拟和实验模态(EMA)测试相结合的方法，对所设计的力学试验台架的动态性能进行了分析研究。研究结果表明：试验台架的第1阶固有频率约为40Hz，振型为纯弯曲，试验台架能对试验曲轴施加弯曲疲劳载荷，其测量控制系统精度满足曲轴弯曲疲劳试验的要求。在有限元模型中以真实裂纹形状尺寸作为输入参量，获得裂纹萌

5、生区和扩展区的应力强度因子分布特征。结合残余应力测试结果，明确曲轴疲劳裂纹扩展的一般性规律：在疲劳裂纹萌生阶段，裂纹尖端沿轴颈过渡圆角表面扩展速率较快，裂纹沿轴颈心部扩展速率缓慢；当裂纹尺寸超过形状比阈值时，裂纹尖端沿轴颈过渡圆角表面扩展速率减缓，而裂纹沿轴颈心部扩展速率快速增加，裂纹进入快速扩展阶段，曲轴剩余疲劳寿命已严重不足。建立以磁/光/声多传感信息的曲轴再制造毛坯疲劳寿命评估系统。以声发射传感器为辅助，获得曲轴过渡圆角疲劳裂纹萌生信息；以机器视觉的光传感器为基础，采集疲劳裂纹扩展的表面尺度信息；以金属磁记忆的自发射磁传感器为主力，获得疲劳裂纹开裂面的深度扩

6、展信息。系统研究了曲轴疲劳裂纹萌生扩展过程中多传感信息的演化规律。声发射技术最早感知到疲劳裂纹的萌生，为曲轴寿命评估发出预警信息；随裂纹长大，机器视觉和金属磁记忆信号同时对疲劳裂纹产生响应直至曲轴断裂。裂纹扩展深度几何特征与金属磁记忆信号H()y之间具有强关联性。p基于剩余强度理论，提出了基于裂纹深度参量和表面裂纹长度参量的曲轴再制造毛坯剩余疲劳寿命评估模型。采用小波熵算法提取磁记忆信号的相对小波熵表征曲轴I北京理工大学博士学位论文裂纹的扩展深度，结合机器视觉采集的曲轴弯曲疲劳裂纹表面长度参量，初步建立曲轴剩余疲劳寿命的综合评估模型。应用隐马尔可夫函数对比分析了综

7、合评估模型与传统力学模型的预测精度，显示综合评估模型具有更高的预测精度。关键词：曲轴再制造毛坯；剩余疲劳寿命；金属磁记忆检测；小波熵；剩余强度模型II北京理工大学博士学位论文AbstractRemanufactureengineeringisaneffectivewaytobuildcirculareconomy,realizeenergysavingandachievesustainabledevelopment.Remanufactureproductionobject(orremanufacturingcore)istherecoveringwornpart

8、sandi