第六章工程機械疲勞設(shè)計理念

1、第五章 汽車與工程機械疲勞設(shè)計理念及實例 第一節(jié) 工程機械產(chǎn)品抗疲勞設(shè)計 一、工程機械抗疲勞設(shè)計的現(xiàn)狀 隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對工程機械設(shè)備的需求非常旺盛，大大促進(jìn)了工程機械行業(yè)的快速發(fā)展。中國本土企業(yè)的設(shè)計水平大都停留在仿制國外先進(jìn)產(chǎn)品的階段，離自主創(chuàng)新還有一段距離。 如何對工程機械進(jìn)行抗疲勞設(shè)計，提高產(chǎn)品的耐久性，可靠性，并降低成本，縮短開發(fā)周期現(xiàn)在還沒有完整的思路。 本章介紹國外先進(jìn)的疲勞耐久性、可靠性設(shè)計理念以及產(chǎn)品開發(fā)體系，并對一些主要的工程任務(wù)作一闡述。 工程機械的使用環(huán)境通常非常嚴(yán)酷，工作載荷的變化很大并且很復(fù)雜，它可能使得工程機械產(chǎn)生疲勞失效。疲勞失效是金屬材料零部件、結(jié)構(gòu)件

2、最常見的一種失效形式。 疲勞失效的外因是載荷的變化，只要載荷有變化，即使這種變化使得結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力低于材料的屈服極限，它也能使得材料產(chǎn)生疲勞裂紋，或者使得已經(jīng)存在的裂紋繼續(xù)擴展，直至結(jié)構(gòu)的斷裂。載荷的變化越大越頻繁，結(jié)構(gòu)越容易發(fā)生疲勞破壞。 工程機械所承受的高載荷，高沖擊工況很容易使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞。所以，對于工程機械的產(chǎn)品設(shè)計，必須考慮這一最為常見的失效形式。 二、常用的疲勞及壽命預(yù)測方法 1、S-N 法是名義應(yīng)力法，是應(yīng)用最廣泛的一種方法。 2、-N 法是一種基于局部應(yīng)變變化的、預(yù)測裂紋起始壽命的疲勞分析方法，通常稱之為低周疲勞分析法。 3、疲勞裂紋擴展壽命法是基于線彈性斷裂力學(xué)的一種方法

3、，廣泛應(yīng)用于預(yù)測結(jié)構(gòu)中已有裂紋的剩余壽命，比如焊縫中缺陷或裂紋的擴展壽命。da/dN=A(K)m 疲勞分析框圖 上述的三種疲勞分析方法，都需要較為合理并準(zhǔn)確的載荷變化、幾何數(shù)據(jù)，以及材料的疲勞性能參數(shù)輸入。 三、傳統(tǒng)與現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)流程比較 傳統(tǒng)的思路是：先構(gòu)思新產(chǎn)品方案；然后按照企業(yè)內(nèi)部或行業(yè)規(guī)定做出設(shè)計，這些規(guī)定大多數(shù)并不考慮實際的動載荷，不要求進(jìn)行疲勞壽命計算；設(shè)計完成后，制造出若干樣機；再按照規(guī)定對樣機進(jìn)行疲勞試驗。例如，汽車要做試車場考核試驗，飛機要做全尺寸結(jié)構(gòu)疲勞試驗。 疲勞問題實際上正在困擾著國內(nèi)的一些企業(yè)。 現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)采用一體化疲勞耐久性設(shè)計工作流程。 其特點：以壽命為設(shè)計目標(biāo)

4、；全方位調(diào)查用戶用途及使用環(huán)境；在設(shè)計階段應(yīng)用疲勞理論進(jìn)行壽命優(yōu)化分析設(shè)計；試驗只對“好”的設(shè)計進(jìn)行；用試驗關(guān)聯(lián)驗證理論，用理論指導(dǎo)試驗，兩者互相配合取得信心；企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集、實驗室模擬及分析設(shè)計各部門互相配合；產(chǎn)品質(zhì)量高、開發(fā)周期短、開發(fā)成本低。與傳統(tǒng)的開發(fā)相比，“一體化” 過程的先進(jìn)性是顯而易見的。主要任務(wù)：包括壽命目標(biāo)的設(shè)定、載荷數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析、實驗疲勞分析、試驗室臺架試驗、幾何建模、多體動力學(xué)運動學(xué)仿真模擬、有限元分析、虛擬疲勞分析，以及虛擬壽命和實測壽命的關(guān)聯(lián)驗證。 四、“一體化”開發(fā)流程的主要任務(wù) （1）產(chǎn)品的壽命設(shè)計目標(biāo)問題。在新的一體化體系中，產(chǎn)品的各個零部件疲勞耐久

5、性有著非常明確的設(shè)計目標(biāo)。產(chǎn)品的設(shè)計、試驗都將圍繞這一目標(biāo)進(jìn)行。產(chǎn)品是壽命設(shè)計，而不是以前的強度設(shè)計，這更加符合用戶和市場的期待，這是設(shè)計理念的重大改變。 建立一個合理的產(chǎn)品壽命目標(biāo)，需要做很多工作，我們必須調(diào)查用戶的使用環(huán)境，考慮用戶的用途分布，也要考慮產(chǎn)品壽命的分散性，更新?lián)Q代的周期。我們也需要分析競爭產(chǎn)品的設(shè)計目標(biāo)，做到知己知彼。一個典型的設(shè)計目標(biāo)通常是符合絕大多數(shù)用戶，比如說95用戶的使用，而不是所有用戶在設(shè)計目標(biāo)內(nèi)都不會出現(xiàn)失效。當(dāng)然，把握這一點，需要企業(yè)很多數(shù)據(jù)積累。 2、載荷的數(shù)據(jù)采集。工程車輛在實際工作環(huán)境下的載荷數(shù)據(jù)采集，目前在國內(nèi)的一些大企業(yè)剛剛起步，大大落后于國外同行。數(shù)

6、據(jù)是壽命設(shè)計的基礎(chǔ)，如圖4 所示，試驗室臺架試驗和虛擬疲勞分析優(yōu)化都需要數(shù)據(jù)的輸入。 數(shù)據(jù)的采集和積累對于一個企業(yè)至關(guān)重要，可以說沒有數(shù)據(jù)就沒有產(chǎn)品的自主創(chuàng)新。采集數(shù)據(jù)需要適用于野外嚴(yán)酷環(huán)境下使用的高可靠性的數(shù)據(jù)采集器，需要豐富的經(jīng)驗，才能保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量和完整性。 3、虛擬疲勞分析。虛擬分析在設(shè)計的早期能夠用來幫助進(jìn)行優(yōu)化產(chǎn)品的壽命設(shè)計，也可以用來幫助進(jìn)行有效的試驗室臺架耐久性試驗，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑囼灱铀?。虛擬分析最近十幾年在業(yè)界的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。 虛擬疲勞分析需要比較專業(yè)的疲勞知識，需要根據(jù)不同的情況，選擇適當(dāng)?shù)姆治瞿Ｐ汀?國外企業(yè)里的虛擬分析通常有著大量的載荷數(shù)據(jù)和材料數(shù)據(jù)的支撐，虛擬

7、是建立在真實有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的；而在國內(nèi)，我們的數(shù)據(jù)少得可憐，虛擬分析往往缺少數(shù)據(jù)輸入。對于這一差別，企業(yè)必須有一個清醒的認(rèn)識，在積極開展虛擬分析模擬的同時，打好虛擬分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集和積累。 五、結(jié)語 中國的工程機械產(chǎn)品設(shè)計水平和發(fā)達(dá)國家有相當(dāng)大的差距。但是，值得高興的是，許多企業(yè)已經(jīng)開始重視一體化抗疲勞設(shè)計技術(shù)，有些企業(yè)也已經(jīng)購置了SoMat 的數(shù)據(jù)采集器和nCode的疲勞分析軟件。筆者認(rèn)為要想在較短的時間內(nèi)縮短和國外的差距，企業(yè)應(yīng)該盡快轉(zhuǎn)變設(shè)計思路，培養(yǎng)人才，開始載荷和材料等數(shù)據(jù)的調(diào)查和積累，引進(jìn)并推動虛擬設(shè)計分析。 第二節(jié) 汽車抗疲勞設(shè)計 一、汽車抗疲勞設(shè)計的現(xiàn)狀 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展

8、，消費者對產(chǎn)品的安全性和可靠性的要求越來越高。如何將汽車這樣復(fù)雜的機器在盡可能短的時間周期保質(zhì)保量的研發(fā)出來，并且能得到消費者認(rèn)可是擺在所有汽車研發(fā)機構(gòu)面前的難題。 依據(jù)傳統(tǒng)的設(shè)計理念，在研發(fā)的過程中，需要通過反復(fù)的樣件試制和工程樣車試制，對部件、車身進(jìn)行大量的臺架試驗和整車疲勞耐久性試驗，從而驗證所設(shè)計的車輛萬無一失。導(dǎo)致研發(fā)周期長、成本高，往往也無法抓住“病根”，一旦批量化后會出現(xiàn)反復(fù)修改的現(xiàn)象。 全球汽車業(yè)界已在全面推行汽車有限元疲勞耐久性分析。在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)建立了適當(dāng)?shù)姆治龇椒ê土鞒?，在產(chǎn)品的研發(fā)中起到了越來越重要作用。我國有限元疲勞耐久性分析領(lǐng)域起步較晚，水平較低，嚴(yán)重滯后于汽車工業(yè)

9、的發(fā)展速度。 二、利用MSC.Fatigue軟件進(jìn)行汽車部件疲勞耐久性分析 （一）車身的疲勞耐久性分析 1、理論基礎(chǔ) 1.1局部應(yīng)變壽命法（ -N 法） 許多汽車零件設(shè)計為在使用時處于局部塑性應(yīng)變，使用S-N法（名義應(yīng)力法）基本上忽略了塑性，因此，使用-N 法更適合，能夠準(zhǔn)確的模擬集中應(yīng)力現(xiàn)象所產(chǎn)生的局部循環(huán)塑性應(yīng)變效應(yīng)，使壽命估算更接近于實際情況。該方法屬于高應(yīng)力低周疲勞問題，廣泛地適用于汽車結(jié)構(gòu)疲勞壽命計算。 Manson-Coffin-Basqui應(yīng)變壽命曲線 式中： 疲勞強度系數(shù) 疲勞塑性系數(shù) b疲勞強度指數(shù) c疲勞塑性指數(shù) 各應(yīng)力水平的疲勞壽命 Miner疲勞累計損傷理論： 能量公式

10、：fffNfN 1.2車身載荷譜提取 目前全球主要汽車研發(fā)機構(gòu)通過Miner疲勞累計損傷理論虛擬道路試驗場或者利用Miner能量公式基于整車多體動力學(xué)分析來獲得可靠的載荷。 采用Miner能量公式，以實測方式獲得四個車輪在耐久性試驗中所承受的反力作為輸入，驅(qū)動整車多體動力學(xué)模型在規(guī)定時間內(nèi)進(jìn)行仿真，提取車身與底盤各連接點相應(yīng)的力和力矩的時間歷程。 1.3車身的有限元分析 由于整車的有限元模型網(wǎng)格單元數(shù)太多，可將整車分為兩部分，即前部分和后部分。圖5分析結(jié)果為前半車身的最大有效塑性應(yīng)變0.019，塑性應(yīng)變很小，發(fā)生塑性變形的幾率很低。圖6分析結(jié)果為前半車身的最大累計損傷為0.127，遠(yuǎn)小于1，未

11、達(dá)到疲勞破壞，滿足疲勞設(shè)計的要求。 （二）汽車排氣系統(tǒng)的疲勞耐久性分析 2.1汽車排氣系統(tǒng)的耐久性是指排氣系統(tǒng)抵抗自身和其他影響因素長期破壞作用的能力，包括熱疲勞與結(jié)構(gòu)疲勞。誘發(fā)排氣系統(tǒng)產(chǎn)生耐久性問題的主要因素是結(jié)構(gòu)疲勞， 它與自身結(jié)構(gòu)、材料和安裝固定方式都有直接關(guān)系。 排氣系統(tǒng)的前端通過排氣歧管與發(fā)動機相連， 而另一端則是通過掛鉤與車體相連， 掛鉤的位置在初始設(shè)計時即確定下來，不會再有很大變動，因此在持續(xù)改進(jìn)階段， 考慮提升耐久性需要做的工作就集中在材料和結(jié)構(gòu)上。 2.2有限元法的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算 （1）有限元模型建立：排氣系統(tǒng)的CAD 模型如圖1所示，模型中包括前消聲器和后消聲器兩段， 中間依

12、靠法蘭C 連接，法蘭B 與催化轉(zhuǎn)化器相連接，法蘭A 固定于發(fā)動機排氣歧管法蘭上。其中前消聲器段包括波紋管、1 個橡膠吊耳和副消聲器； 后消聲器段包括主消聲器和3 個橡膠吊耳。 利用Hypermesh 對CAD 模型進(jìn)行有限元處理包括如下幾個方面： a. 排氣消聲器筒體、催化轉(zhuǎn)化器、管體采用殼單元shell 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并完成厚度和材料信息定義。 b. 排氣掛鉤和法蘭用實體單元solid 進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，并完成材料信息定義。 c. 波紋管和每個橡膠吊耳都用3 個分別替代XYZ 3 個方向剛度的彈簧表示。 d. 動力總成模型的建立。它是用剛性梁、質(zhì)量和彈簧來表示的， 它的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量放在其

13、質(zhì)心上，每個發(fā)動機懸置都用3 個分別替代XYZ 3 個方向剛度的彈簧表示，3 個剛性梁分別將質(zhì)心與3 個隔振器連接起來，質(zhì)心和排氣系統(tǒng)前端剛性連接。 e. 法蘭連接處用rbe2 剛性單元連接， 橡膠吊耳和排氣系統(tǒng)排氣系統(tǒng)掛鉤間用rbe3 單元連接。 完成后的排氣系統(tǒng)有限元模型如圖2所示。該模型包括56 929 個單元及49 117 個節(jié)點， 其中主消聲器和副消聲器的實體結(jié)構(gòu)和有限元處理如圖3所示。 （2）邊界條件加載 邊界條件的加載主要有兩部分， 第一部分是整個系統(tǒng)的安裝固定，第二部分是力的施加。整個系統(tǒng)安裝固定在車身上，主要包括兩部分，第一是發(fā)動機的安裝固定，通過固定左、右和后懸置下端完成；

14、第二是排氣系統(tǒng)的安裝固定，通過固定4個橡膠吊耳上端完成。 排氣系統(tǒng)的振動源來自兩個方面， 一個是發(fā)動機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動，另外一個是行駛時由于路面不平導(dǎo)致的車身振動并通過橡膠吊耳傳遞的振動。 圖4所示為實車3 擋全油門加速行駛狀態(tài)下發(fā)動機振動和車身振動曲線， 通過比較發(fā)現(xiàn)， 兩者在各個轉(zhuǎn)速下都相差了至少一個數(shù)量級，且通過車身傳遞給排氣系統(tǒng)的振動還要經(jīng)過起隔振作用的橡膠件， 振動幅度又大大的減小。因此，可以表明通常情況下，排氣系統(tǒng)兩個激勵源中的發(fā)動機激勵占主導(dǎo)作用，因此在考慮排氣系統(tǒng)受力時可忽略路面不平的激勵，只考慮發(fā)動機的激勵作用。 四缸發(fā)動機的不平衡力源主要由往復(fù)慣性力、慣性力矩和燃燒氣體力矩

15、組成，根據(jù)廠家對改進(jìn)車型發(fā)動機進(jìn)行的轉(zhuǎn)矩、功率標(biāo)定結(jié)果曲線（圖5），選定常用轉(zhuǎn)速2 700 r/min 下的質(zhì)心位置等效力矩值作為有限元模型的加載方式。通過對應(yīng)標(biāo)定結(jié)果曲線， 得到需要在發(fā)動機質(zhì)心位置加載力矩的大小為95 Nm。因發(fā)動機為縱置式四缸發(fā)動機，產(chǎn)生的扭矩方向沿X 軸方向，故加載時可在質(zhì)心位置加載沿X 軸方向的扭矩。 （3）計算結(jié)果 采用NASTRAN 對排氣系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力計算后，用Hyperview 查看結(jié)果得到圖6。從圖6中可以看到， 應(yīng)力較大處分布在催化轉(zhuǎn)化器與前消聲器段的法蘭A 連接處、催化轉(zhuǎn)化器下端與管的連接處、法蘭B 連接管右側(cè)、法蘭C 與管連接處、主消聲器掛鉤與消聲器外殼

16、焊接處等位置。 2.3疲勞耐久性分析 依據(jù)上述的瞬態(tài)應(yīng)力計算結(jié)果， 采用MSC.Fatigue 進(jìn)行后續(xù)的疲勞耐久性分析，主要考慮應(yīng)力壽命分析， 即SN 分析。對模型施加載荷為90 Hz 的對稱載荷循環(huán)，采用正弦激勵力矩，幅值為95 Nm。具體計算時在保證90%的存活率前提下，采用Goodman 曲線對分析結(jié)果進(jìn)行修正。（1）材料特性排氣系統(tǒng)中涉及到兩種材料， 分別是Q235 和409 L。通過在MSC.Fatigue 材料庫中手動輸入所繪制的兩種材料SN 曲線如圖7 所示。 （2）疲勞壽命分析結(jié)果 結(jié)果如圖8所示。疲勞壽命較低處發(fā)生在a 處（催化轉(zhuǎn)化器下端與管連接處）、b 處（催化轉(zhuǎn)化器段與前消聲器段連接處）、c 處（前消聲器段上掛鉤與管焊接處）、d 處（前消聲器段與后消聲器段連接法蘭處）、e 處（主消聲器上左側(cè)