考虑应力梯度将过高的应力修正到接近实际的水平
过高的缺口应力
接近实际水平的缺口应力
Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermü dungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007 22
计算疲劳损伤参量变(例如Pswt)同时考虑平均应力的影响
试验测定的材料疲劳特性曲线 (S-N曲线或应变E-N曲线以及 循环应力应变曲线) 计算有效循环次数 (Rainflow counting)
计算疲劳损伤积累(一般采用Miner准则)
输出计算结果(损伤值D, 或称疲劳目标值) D≥1 表示可能出现疲劳破坏
金属材料的SN曲线试验曲线拟合技术要点
• 采用双对数线性回归 • 以疲劳寿命N为因变量, 应力幅度为自变量 • 在同一应力幅水平试验点太少时, 以回归中线为纵轴使所有试验点参加统计分布(如红线所示) • 考虑存活概率 (50%为中线)
A
50% 90% 10%
A
90%
50% 10%
N
Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermü dungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007
2
汽车疲劳测试方法、分析方法的现状及发展趋势
汽车耐久性道路试验
汽车耐久性台架试验
汽车零部件耐久性台架试验
测试方法
分析方法
Source: nCode 2004 • FE-Fatigue Overview – Release 6.0 3
疲劳分析在汽车开发流程中的定位
在第一阶段: 评价各种设计方案是否满足疲劳耐久性要求. 在第二阶段: 尽早发现疲劳危险部位, 及时采取措施, 使样车顺利通过汽车耐久性台架试验和汽车耐久性道路试验. 在第三阶段: 发现前两个阶段漏判的局部问题还来得及改进, 如果必须进行大的改动则说明疲劳耐久性分析尚须改进.
20
Neuber修正 目的: 以线弹性应力应变估算弹塑性应力应变 线弹性应力应变
弹塑性应力应变
Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermü dungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007 21
金属材料的SN曲线试验曲线拟合技术要点
• 采用双对数线性回归 • 以疲劳寿命N为因变量, 应力幅度为自变量 • 在同一应力幅水平试验点太少时, 以回归中线为纵轴使所有试验点参加统计分布(如红线所示)
Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005 24
15
应变寿命 寿命方法
Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005
16
应变寿命 寿命方法
Source: Seminar Betriebsfestigkeit auf der Grundlage ö rtlicher Beanspruchungen, TU Darmstadt, 11.-13.03.2003 17
汽车疲劳耐久性技术现状及发展趋势
张式程 全德华人机电工程学会
主要内容 (分别见“疲劳耐久性-1,-2,-3 ”三个PPT文件)
汽车疲劳耐久性技术现状及发展趋势 1) 目前疲劳分析所能达到的精度 2） 疲劳分析在汽车开发流程中的定位 3） 汽车疲劳测试方法、分析方法的现状及发展趋势 4) 疲劳耐久性技术究竟要解决什么问题（课堂讨论与问答） 汽车疲劳 疲劳耐久性分析理论基础及关键技术 1) 疲劳寿命预测的基本理论 2) 等效应力选取原则与多轴疲劳分析 3) 疲劳目标值的设定 4) 整车CAE中的焊点焊缝模型 5) 焊点焊缝疲劳分析方法 6) 焊点焊缝疲劳试验设计 7) 能否以及如何建立一套适合自己产品的疲劳分析方法（课堂讨论与问答） 汽车疲劳耐久性分析工具(软件软件)的选择 1) 汽车开发常用疲劳分析软件简介 2) 疲劳分析与其他分析(刚度,强度,振动,碰撞)的关系 3) 如何选择疲劳分析软件（课堂讨论与问答）
汽车多体动力学模型
排列组合不同路谱, 压缩无效成份为 零部件与整车台架加速试验提供试验载荷
为耐久性计算或 试验提供虚拟路谱
汽车耐久性疲劳计算, 输出损伤值 D
各环节之间需要大量经验积累, 并无严格的定量关系.
6
目前疲劳分析所能达到的精度 非常满意的精度: 损伤值 1<D<10 例如, 如果根据经验可以确定如下当量关系: 30万公里正常使用寿命大致相当于2000公里汽车耐久性道路试验行使里程, 而针对2000公里汽车耐久性道路试验行使里程的疲劳耐久性计算 得出的被试验证实的疲劳破坏部位的损伤值D大约在1.0和10之间.
考虑各种影响因素后的SN曲线
Miner original Miner modified Miner elementary
Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005 14
疲劳载荷描述
Smax
Smin
最大应力 最小应力
Smax
Smean 平均应力
Smean
Smin
R=
Smin Smax
应力比
时间
Smax
应力
Smin
Source: Christoph Bach, Dissertation, “Beitrag zur Modellierung des Schwingermüdungsverhaltens und zur rechnerischen Lebensdaueranalyse von endlos kohlenstofffaserverstä rkten Vinylester-Matrixsystemen“, TU Kaiserslautern, 2007
7
疲劳计算主要环节
单位载荷作用下线弹性静载应力计算 (获得应力分量和单位载荷的关系) 载荷谱 (实际载荷与时间的关系) 线性叠加原理 找出最大等效应力 (危险截面上的最大正应力或最大剪应力) 对于尖锐缺口附近应力过高等情况 通过考虑应力梯度将过高的应力修正到接近实际的水平
用Neuber修正将线弹性最大等效应力 转换成最大线弹性最大等效应力应变
Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermü dungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007
应力寿命方法, 计算疲劳寿命时常用的一些近似处理 寿命方法
光滑试件SN曲线
缺口应变
断裂力学 积分) (J积分
断裂力学 应力强度因子) (应力强度因子
汽车结构疲劳分析常用等效应力参量 多轴疲劳分析: 危险截面法
Source: IIW document XIII-2151-07 / XV-1254-07
12
损伤积累计算的Miner方法则
ni
Ni
损伤值:
ni D= Ni
13
N
25
汽车计算常用软件包
CAD： CATIA Pro/Engineer Pre-/Postprocessor: Medina ANSA HyperMesh FE-Solver： NASTRAN (MSC.NASTRAN, NX.NASTRAN) ABAQUS MARC ANSYS PERMAS LS-DYNA PAM-CRASH RADIOSS STAR-CD(STAR-CCM+), FLUERENT, POWERFLOW
8
疲劳分类
LCF: 低周疲劳 HCF: 高周疲劳
疲劳极限
Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005 9
高周疲劳与低周疲劳 高周疲劳: • 应力较高, 应变较低 • 一般采用应力S-N曲线 (只需测试相对简单的S-N曲线 ) • 汽车疲劳计算多为高周疲劳
应变寿命 寿命方法 应力应变循环曲线: 每个循环所包围的面积 为该循环的能量损耗
Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005
第一阶段
第二阶段
第三阶段
Source: Automotive Circle Internaional Conferrence, 13-14 March 2007, Bad Nauheim, Germany
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疲劳分析与其他分析(刚度刚度,强度强度,振动 碰撞等)的关系 振动,碰撞等
Source: EuroCarBody 2007, 16-18 Oct. 2007, Bad Nauheim, Germany
10
疲劳破坏机理
Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005 11