車輛結(jié)構(gòu)有限元疲勞(1)

1、.車輛結(jié)構(gòu)有限元分析.第九章 車輛結(jié)構(gòu)有限元疲勞分析結(jié)構(gòu)疲勞分析基礎(chǔ)應(yīng)力疲勞分析典型材料試件應(yīng)力疲勞分析發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的應(yīng)力疲勞分析.一、結(jié)構(gòu)疲勞分析基礎(chǔ) 車輛是運(yùn)動(dòng)并承載的機(jī)械，其結(jié)構(gòu)承受的載荷大部分都是交變載荷。零部件失效中，由疲勞裂紋引起的結(jié)構(gòu)失效斷裂事故占總斷裂事故的70-80以上，約有50-90的機(jī)械結(jié)構(gòu)的破壞屬于疲勞破壞。.一、結(jié)構(gòu)疲勞分析基礎(chǔ) 人們對(duì)車輛結(jié)構(gòu)疲勞的研究主要集中在車輛的承載結(jié)構(gòu)，如懸架、車輪、車架、橫向穩(wěn)定桿、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、傳動(dòng)軸等。.一、結(jié)構(gòu)疲勞分析基礎(chǔ)疲勞失效的原因有哪些呢？1）設(shè)計(jì)原因2）材質(zhì)原因3）制造(工藝)原因4）其他原因（安裝調(diào)試、維修運(yùn)轉(zhuǎn)等）.一、結(jié)構(gòu)疲勞

2、分析基礎(chǔ)1.疲勞分類 疲勞通常分為兩類：第一種是高周疲勞，即：在載荷的循環(huán)次數(shù)（104109）高的情況下產(chǎn)生的，應(yīng)力通常比材料的極限強(qiáng)度低，一般采用應(yīng)力疲勞分析法；第二種是低周疲勞，在循環(huán)次數(shù)相對(duì)較低時(shí)發(fā)生，一般采用應(yīng)變疲勞分析法。塑性變形常常伴隨低周疲勞。 對(duì)于車輛結(jié)構(gòu)的疲勞分析：承載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般采用應(yīng)變疲勞分析，傳動(dòng)系統(tǒng)的零部件一般采用應(yīng)力疲勞分析。.一、結(jié)構(gòu)疲勞分析基礎(chǔ)2.疲勞破壞的特點(diǎn) 1）疲勞發(fā)生的外部原因是擾動(dòng)應(yīng)力；2）疲勞破壞產(chǎn)生于局部；3）疲勞是一個(gè)發(fā)展的過(guò)程 從疲勞裂紋的形成到裂紋擴(kuò)展，以致最后斷裂，是疲勞損傷逐漸累積的過(guò)程。 一般分為三個(gè)階段：裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和最后失穩(wěn)

3、擴(kuò)展斷裂。.一、結(jié)構(gòu)疲勞分析基礎(chǔ)3.疲勞分析的基本流程 材料的疲勞特性S-N曲線 E-N曲線有限元靜力學(xué)分析結(jié)果載荷譜疲勞分析方法疲勞壽命.二、應(yīng)力疲勞分析1.S-N曲線 在ANSYS WB中S-N曲線是通過(guò)點(diǎn)定義的。 .二、應(yīng)力疲勞分析1.S-N曲線 S-N曲線又被稱為材料的疲勞性能，用于描述應(yīng)力S和破壞時(shí)的壽命N之間的關(guān)系。描述循環(huán)應(yīng)力需要兩個(gè)量：應(yīng)力比R=Smin/Smax和應(yīng)力幅Sa=（Smax-Smin）/2。.二、應(yīng)力疲勞分析2.應(yīng)力疲勞分析流程定義S-N曲線設(shè)置疲勞分析類型選擇載荷類型平均應(yīng)力修正應(yīng)力分量的選取疲勞修正應(yīng)力疲勞分析恒幅，比例載荷恒幅，非比例載荷非恒幅，比例載荷非恒

4、幅，非比例載荷GoodMan法Soderberg法Gerber法None不進(jìn)行修正Mean Stress CurvesX方向應(yīng)力/Y/ZXY平面應(yīng)力YZ平面應(yīng)力XZ平面應(yīng)力Von Mises應(yīng)力帶符號(hào)的Von Mises應(yīng)力最大剪應(yīng)力最大主應(yīng)力最大主應(yīng)力最大值定義有限壽命數(shù)值疲勞強(qiáng)度系數(shù)載荷縮放系數(shù).二、應(yīng)力疲勞分析2.應(yīng)力疲勞分析流程.二、應(yīng)力疲勞分析3.材料基本的S-N曲線裂紋萌生 裂紋擴(kuò)展 最后失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂 材料疲勞性能試驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)試件一般是小尺寸(3-10mm）光滑圓柱試件。材料的基本S-N曲線，給出的是光滑材料在恒幅對(duì)稱應(yīng)力作用下的裂紋萌生壽命。.二、應(yīng)力疲勞分析S-N曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)

5、式有：（1）冪函數(shù)式 SmN=C lgS=A+BlgN (Log-Log)（2）指數(shù)式 emsN=C S=A+BlgN (Semi-Log)A=lgC/m B=-1/m m和C與材料、應(yīng)力比、加載方式有關(guān)。（3）三參數(shù)式 （S-Sf）mN=C（4）S-N曲線的近似估值定義S-N曲線.二、應(yīng)力疲勞分析4.設(shè)置疲勞分析類型設(shè)置疲勞分析類型應(yīng)力疲勞分析 Stress Life應(yīng)變疲勞分析 Strain Life高周疲勞低周疲勞.二、應(yīng)力疲勞分析5.載荷類型載荷類型Zero-BasedFully ReversedR=0R=-1Ratio指定應(yīng)力比R=XHistory指定載荷時(shí)間歷程非恒定幅值比例載荷.

6、二、應(yīng)力疲勞分析6.平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響 平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響就是考慮應(yīng)力比R的變化對(duì)疲勞壽命會(huì)產(chǎn)生影響，從而需要對(duì)S-N曲線進(jìn)行修正。ANSYS WB提供了平均應(yīng)力修正的五個(gè)選項(xiàng)：GoodMan法Soderberg法Gerber法None不進(jìn)行修正Mean Stress Curves.二、應(yīng)力疲勞分析7.應(yīng)力分量的選取 在進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的過(guò)程中，得到的是多軸應(yīng)力。但在試驗(yàn)過(guò)程中得到的一般是單軸應(yīng)力。在ANSYS WB應(yīng)力疲勞分析中可以選擇X、Y、Z三個(gè)方向的應(yīng)力分量，Von Mises應(yīng)力，帶符號(hào)Von Mises應(yīng)力等。在考慮壓縮平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響中，帶符號(hào)Von Mise

7、s應(yīng)力是非常有用的，X方向應(yīng)力/Y/ZXY平面應(yīng)力YZ平面應(yīng)力XZ平面應(yīng)力Von Mises應(yīng)力帶符號(hào)的Von Mises應(yīng)力最大剪應(yīng)力最大主應(yīng)力最大主應(yīng)力最大值.二、應(yīng)力疲勞分析8.疲勞強(qiáng)度系數(shù)Kf Kf是疲勞強(qiáng)度系數(shù)，又稱為疲勞強(qiáng)度縮減系數(shù)（fatigue strength reduction factor）。通過(guò)這一系數(shù)對(duì)S-N曲線進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)疲勞強(qiáng)度系數(shù)用于反映表面加工狀態(tài)等因素對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。疲勞修正定義有限壽命數(shù)值疲勞強(qiáng)度系數(shù)載荷縮放系數(shù).二、應(yīng)力疲勞分析9.載荷譜 進(jìn)行疲勞分析時(shí)，首先必須確定零部件或結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)下所承受的載荷譜。載荷譜的確定通常有兩種方法：1）借助已有的類似

8、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或其模型，在使用條件或模擬使用條件下進(jìn)行測(cè)量，得到各典型工況下的載荷譜，再將各工況組合起來(lái)得到的載荷譜，稱為實(shí)測(cè)載荷譜；2）在沒(méi)有適當(dāng)?shù)念愃平Y(jié)構(gòu)或模型時(shí)，依據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)分析工作狀態(tài)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)估計(jì)載荷譜，這樣給出的是設(shè)計(jì)載荷譜。.二、應(yīng)力疲勞分析 9.載荷譜例如：有臺(tái)商用車，設(shè)計(jì)壽命50萬(wàn)km，前軸上的設(shè)計(jì)承載為70kN，我們推導(dǎo)前輪輪軸的設(shè)計(jì)載荷譜。 輪軸承受靜態(tài)垂直載荷為Fv，star=70/2=35 kN。（1）直線行駛的動(dòng)態(tài)載荷譜垂直動(dòng)態(tài)力：取動(dòng)載荷系數(shù)為2.28，則為80 kN。側(cè)向動(dòng)態(tài)力Fy=Fv，star0.3512 kN縱向動(dòng)態(tài)力Fx=Fv，star0.5018 kN.二

9、、應(yīng)力疲勞分析（2）轉(zhuǎn)彎行駛的最大動(dòng)態(tài)力側(cè)向動(dòng)態(tài)力Fy=Fv，star1.550 kN縱向動(dòng)態(tài)力Fx=Fv，star0.931 kN（3）制動(dòng)行駛的最大動(dòng)態(tài)力制動(dòng)時(shí)最大垂直力Fv=Fv，star2.277 kN制動(dòng)時(shí)最大垂縱力Fx=Fv，star1.449 kN.二、應(yīng)力疲勞分析9.載荷譜 在上述力的作用下。輪軸的關(guān)鍵部位的最大應(yīng)力幅值應(yīng)力比確定如下：設(shè)計(jì)壽命50萬(wàn)km，每1km輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)300次，故總循環(huán)次數(shù)為500000300=1.5108。直線行駛：96%1.5108=1.44108轉(zhuǎn)彎行駛： 2%1.5108=3106制動(dòng)：1.5108-1.44108-3106=3106 實(shí)際工況比需要

10、根據(jù)行駛路況具體定，70%:20%:10%。.二、應(yīng)力疲勞分析9.載荷譜 通過(guò)有限元靜態(tài)分析計(jì)算，得到車輛在三種工況下的應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的分布如下表：.二、應(yīng)力疲勞分析10.Miner線性累積損傷理論 對(duì)載荷譜（載荷時(shí)間歷程）計(jì)數(shù)，得到載荷（S）循環(huán)次數(shù)（n）圖： 構(gòu)件在應(yīng)力水平Si作用下，經(jīng)受ni次循環(huán)損傷為Di=ni/Ni。若在k個(gè)應(yīng)力水平Si作用下，則其總損傷為： D= .三、典型材料試件應(yīng)力疲勞分析實(shí)例1：Q235鋼材斷裂強(qiáng)度為439MPa，S-N曲線的數(shù)據(jù)表達(dá)式為lgNp=ap+bplgS，99.9%概率下的ap=19.8662，bp=-6.2982。交變載荷F=94200N，求該件的

11、疲勞壽命。.三、典型材料試件應(yīng)力疲勞分析.三、典型材料試件應(yīng)力疲勞分析劃分網(wǎng)格.三、典型材料試件應(yīng)力疲勞分析施加載荷和約束.三、典型材料試件應(yīng)力疲勞分析定義分析分析結(jié)果.三、典型材料試件應(yīng)力疲勞分析疲勞分析設(shè)置.三、典型材料試件應(yīng)力疲勞分析求解結(jié)果.四、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的應(yīng)力疲勞分析實(shí)例2：連桿受載荷幅值為4500N，為恒幅載荷，平均載荷為0（R=-1）。材料默認(rèn)為Structure Steel。求發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的安全系數(shù)。.四、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的應(yīng)力疲勞分析 直接打開(kāi)Conrod-fatigue.wbpj文件，導(dǎo)入ConRod.x_t，并對(duì)Geometry進(jìn)行編輯。.四、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的應(yīng)力疲勞分析打開(kāi)Model（A4），進(jìn)入Mechanical界面： 按照目錄樹要求，對(duì)未完成項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)充