傳動(dòng)系疲勞計(jì)算及CAE分析

1、傳動(dòng)系疲勞計(jì)算及CAE分析趙 勇2014.3.12目錄一疲勞計(jì)算基礎(chǔ)知識(shí)二疲勞計(jì)算實(shí)例三CAE應(yīng)用簡(jiǎn)介四CAE計(jì)算實(shí)例一.疲勞計(jì)算基礎(chǔ)知識(shí) 疲勞定義及特點(diǎn)（ASTM E206-72）在在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋裂紋或完全斷裂的材料中所或完全斷裂的材料中所發(fā)生的發(fā)生的局部局部永久結(jié)構(gòu)變化的永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過(guò)程發(fā)展過(guò)程，稱為疲勞。，稱為疲勞。擾動(dòng)應(yīng)力，高應(yīng)力局部，裂紋，發(fā)展過(guò)程。擾動(dòng)應(yīng)力，高應(yīng)力局部，裂紋，發(fā)展過(guò)程。N=Ni i+Np p 裂紋萌生裂紋萌生+ + 擴(kuò)展擴(kuò)展SSmax0Smint恒幅循環(huán)

2、恒幅循環(huán)應(yīng)力水應(yīng)力水平的基本量：平的基本量： Smax SminSmSaSa 循環(huán)應(yīng)力 (cycle stress)的描述0StR= -1對(duì)稱循環(huán)0StR=1靜載0StR=0脈沖循環(huán) 疲勞計(jì)算分類應(yīng)力疲勞應(yīng)力疲勞: Smax104， 也稱也稱高周疲勞高周疲勞。應(yīng)變疲勞應(yīng)變疲勞: SmaxSy， Nf104， 也稱也稱低周低周應(yīng)變應(yīng)變疲勞。疲勞。應(yīng)力應(yīng)力 s s應(yīng)變應(yīng)變 e eSyo疲勞計(jì)算需要用到：疲勞計(jì)算需要用到：1. 材料疲勞特性（材料疲勞特性（S-N曲線）曲線）2. 外部載荷譜外部載荷譜用用一組標(biāo)準(zhǔn)一組標(biāo)準(zhǔn)試件，試件，在在R=-1下，下，施加不同的施加不同的Sa，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，進(jìn)行疲勞試

3、驗(yàn)，可得到可得到S-N曲線。曲線。 基本S-N曲線S103104105106107NfSNSf m與與C是與材料、應(yīng)力比、加載方式等有關(guān)的參是與材料、應(yīng)力比、加載方式等有關(guān)的參數(shù)。數(shù)。 二二邊取對(duì)數(shù)，有邊取對(duì)數(shù)，有:lg S=A+B lgN S-N間有間有對(duì)數(shù)線性對(duì)數(shù)線性關(guān)系；關(guān)系；參數(shù)參數(shù) A=LgC/m, B=-1/m。Lg S34567Lg NSf S-N曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式StR=-1R=-1/3R=0SmSNSm0aR增大 平均應(yīng)力Sm的影響SS-1aSuSmN=104N=107Sa/S-110 1 Sm/Su N=107 Haigh 圖如圖，在等壽命線上，如圖，在等壽命線上， Sm ，

4、Sa ； Sm Su。GerberGoodman Sa-Sm關(guān)系（等壽命曲線）典型載荷塊典型載荷塊：“100100起落起落”SN(起落次數(shù)起落次數(shù))100200某飛機(jī)主輪轂實(shí)測(cè)載荷譜滑行滑行滑行拐彎拐彎著陸著陸載荷譜分實(shí)測(cè)譜和設(shè)計(jì)譜。載荷譜分實(shí)測(cè)譜和設(shè)計(jì)譜。SS1S2S30n設(shè)計(jì)載荷譜 外部載荷譜 Miner線性累積損傷理論nD0n1D1N1 Miner線性累積損傷理論二.疲勞計(jì)算實(shí)例齒數(shù)齒寬變位系數(shù) 螺旋角 法向壓力角 法向模數(shù)Motor Pinion20400.318853017.51.5Motor Wheel9540-4.33E-02Output Pinion2050-9.64E-021

5、5202.25Output Wheel6750-0.46516輸入軸轉(zhuǎn)速(rpm)傳遞功率(kW) 持續(xù)時(shí)間(h)工況1200089000工況21500101000幾何參數(shù)列表設(shè)計(jì)載荷譜Romax模型 齒輪疲勞計(jì)算lg32.6012lg111.2435NS HPH32.6012lg111.243532.6012lg111.24352:101059.114%Load caseDamage因此，Motor Pinion齒輪壽命為：10000/61.189%=16342.8 (h) 軸承疲勞計(jì)算Output Shaft Left Bearing： 36101ISO1ISO103478.511158.

6、3=11633.4=7150010410486010.163466709.71000/14.9%nmnmARPXRYACCLnPaaLa aLDL因此， Output Shaft Left Bearing壽命為：10000/49.7%=20120.7 (h)三.CAE應(yīng)用簡(jiǎn)介 靜強(qiáng)度分析 主要用來(lái)分析由于穩(wěn)態(tài)外載荷所引起的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等。應(yīng)力云圖變形云圖 疲勞分析 主要用來(lái)分析構(gòu)件受外載荷（恒幅、隨機(jī)變幅）作用下產(chǎn)生的疲勞損傷、壽命。應(yīng)力云圖損傷云圖壽命云圖 接觸分析 主要用來(lái)分析相接觸的兩構(gòu)件之間的接觸應(yīng)力大小及分布情況。應(yīng)力云圖接觸應(yīng)力云圖 模態(tài)分析 主要用來(lái)求解結(jié)構(gòu)件的固有頻率及其振

7、型。前5階固有頻率1 15 54 43 32 2 溫度場(chǎng)分析 主要用來(lái)分析溫度的分布及其產(chǎn)生的熱應(yīng)力情況。溫度分布云圖表淬壓應(yīng)力云圖 碰撞分析 用于對(duì)碰撞、沖擊過(guò)程進(jìn)行模擬，查看碰撞過(guò)程中的最大應(yīng)力及變形。應(yīng)力云圖能量變化曲線四.CAE計(jì)算實(shí)例 拖拉機(jī)輸出前軸CAE分析危險(xiǎn)截面不考慮應(yīng)力集中時(shí)，危險(xiǎn)截面處最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為光軸切應(yīng)力云圖原輸出前軸切應(yīng)力云圖可見(jiàn)，危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力集中較嚴(yán)重，由于應(yīng)力集中，最大切應(yīng)力由93.29MPa增大到260.65MPa。 靜強(qiáng)度分析改后輸出前軸切應(yīng)力云圖改進(jìn)后，危險(xiǎn)截面處最大切應(yīng)力由260.65MPa降為209.97MPa，應(yīng)力水平降低了19.4%。安全系數(shù)由1.036增大到1.286。改前改后 疲勞分析lg5.6789lg19.0673NS 經(jīng)計(jì)算，原輸出前軸危險(xiǎn)截面處經(jīng)20000次脈動(dòng)循環(huán)載荷作用后造成的損傷為1.0172，構(gòu)件已發(fā)生破壞。構(gòu)件實(shí)際壽命為20000/1.0172=19661次循環(huán)損傷云圖壽命云圖損傷云圖壽命云圖改后的輸出前軸危險(xiǎn)截面處經(jīng)20000次脈動(dòng)循環(huán)載荷作用后造成的損傷為0.17027，構(gòu)件實(shí)際壽命為20000/0.17027=1.1746e5次循環(huán)，壽命提高了