汽車疲勞耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢概述課件

汽車疲勞耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢張式程全德華人機(jī)電工程學(xué)會汽車疲勞耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢張式程全德華人機(jī)電工程學(xué)會1汽車疲勞主要內(nèi)容(分別見“疲勞耐久性-1,-2,-3”三個PPT文件)汽車疲勞耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1)目前疲勞分析所能達(dá)到的精度2）疲勞分析在汽車開發(fā)流程中的定位3）汽車疲勞測試方法、分析方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4)疲勞耐久性技術(shù)究竟要解決什么問題（課堂討論與問答）疲勞耐久性分析理論基礎(chǔ)及關(guān)鍵技術(shù)1)疲勞壽命預(yù)測的基本理論2)等效應(yīng)力選取原則與多軸疲勞分析3)疲勞目標(biāo)值的設(shè)定4)整車CAE中的焊點焊縫模型5)焊點焊縫疲勞分析方法6)焊點焊縫疲勞試驗設(shè)計7)能否以及如何建立一套適合自己產(chǎn)品的疲勞分析方法（課堂討論與問答）汽車疲勞耐久性分析工具(軟件軟件)的選擇1)汽車開發(fā)常用疲勞分析軟件簡介2)疲勞分析與其他分析(剛度,強(qiáng)度,振動,碰撞)的關(guān)系3)如何選擇疲勞分析軟件（課堂討論與問答）2汽車疲勞主要內(nèi)容(分別見“疲勞耐久性-1,-2,-3”三2汽車疲勞測試方法、分析方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢汽車耐久性道路試驗汽車耐久性臺架試驗汽車零部件耐久性臺架試驗測試方法 分析方法

Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.0 3汽車疲勞測試方法、分析方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢汽車耐久性道路試驗34

疲勞分析在汽車開發(fā)流程中的定位在第一階段:評價各種設(shè)計方案是否滿足疲勞耐久性要求.在第二階段:盡早發(fā)現(xiàn)疲勞危險部位,及時采取措施,使樣車順利通過汽車耐久性臺架試驗和汽車耐久性道路試驗.在第三階段:發(fā)現(xiàn)前兩個階段漏判的局部問題還來得及改進(jìn),如果必須進(jìn)行大的改動則說明疲勞耐久性分析尚須改進(jìn).第一階段第二階段第三階段Source:AutomotiveCircleInternaionalConferrence,13-14March2007,BadNauheim,Germany4 疲勞分析在汽車開發(fā)流程中的定位第一階段第二階段第三階段S45振動,碰撞等疲勞分析與其他分析(剛度剛度,強(qiáng)度強(qiáng)度,振動碰撞等)的關(guān)系Source:EuroCarBody2007,16-18Oct.2007,BadNauheim,Germany5振動,碰撞等疲勞分析與其他分析(剛度剛度,強(qiáng)度強(qiáng)度,振動5耐久性設(shè)計目標(biāo)設(shè)定與分解

汽車設(shè)計(或希望保證)的使用壽命,例如30萬公里 汽車在耐久性道路試驗場上的行使里程,例如2000公里

?不同路況(市郊,鄉(xiāng)間,越野) ?非正常情況(壓路邊障礙物) ?潮濕腐蝕路面 汽車在耐久性道路試驗場上行使過程中記錄各種工況下的有效疲勞載荷路譜(每種工況記錄一定時間) 排列組合不同路譜,壓縮無效成份為 零部件與整車臺架加速試驗提供試驗載荷

虛擬路面汽車多體動力學(xué)模型 為耐久性計算或 試驗提供虛擬路譜

汽車耐久性疲勞計算,輸出損傷值D各環(huán)節(jié)之間需要大量經(jīng)驗積累,并無嚴(yán)格的定量關(guān)系.

6耐久性設(shè)計目標(biāo)設(shè)定與分解 ?不同路況(市郊,鄉(xiāng)間61)2)3)4)5)目前疲勞分析所能達(dá)到的精度非常滿意的精度:損傷值1<D<10例如,如果根據(jù)經(jīng)驗可以確定如下當(dāng)量關(guān)系:30萬公里正常使用壽命大致相當(dāng)于2000公里汽車耐久性道路試驗行使里程,而針對2000公里汽車耐久性道路試驗行使里程的疲勞耐久性計算得出的被試驗證實的疲勞破壞部位的損傷值D大約在1.0和10之間.達(dá)到上述精度往往需要多年的經(jīng)驗積累以及根據(jù)經(jīng)驗反復(fù)的修正.如何改進(jìn)精度?檢查是否存在系統(tǒng)誤差,如是可以將過大或過小的損傷值通過一個系數(shù)修正到1.0和10之間.全面檢查疲勞耐久性計算的各個環(huán)節(jié),特別是邊界條件.在這個過程中可通過敏感性分析計算確定哪些因素有較大影響.對疲勞耐久性分析而言經(jīng)驗非常重要,和有經(jīng)驗的計算工程師和疲勞試驗工程師深入討論往往很有幫助.有時也不能排除試驗中的錯誤(人們一般懷疑計算結(jié)果而很少懷疑試驗結(jié)果),經(jīng)常標(biāo)定試驗設(shè)備很重要.計算與試驗有機(jī)結(jié)合:試驗前用計算幫助設(shè)計試驗,試驗后用測量結(jié)果驗證計算.71)2)3)4)5)目前疲勞分析所能達(dá)到的精度非常滿意的精度7疲勞計算主要環(huán)節(jié)

單位載荷作用下線彈性靜載應(yīng)力計算 (獲得應(yīng)力分量和單位載荷的關(guān)系)

載荷譜(實際載荷與時間的關(guān)系)

線性疊加原理 找出最大等效應(yīng)力 (危險截面上的最大正應(yīng)力或最大剪應(yīng)力) 對于尖銳缺口附近應(yīng)力過高等情況 通過考慮應(yīng)力梯度將過高的應(yīng)力修正到接近實際的水平 用Neuber修正將線彈性最大等效應(yīng)力 轉(zhuǎn)換成最大線彈性最大等效應(yīng)力應(yīng)變計算疲勞損傷參量變(例如Pswt)同時考慮平均應(yīng)力的影響試驗測定的材料疲勞特性曲線 (S-N曲線或應(yīng)變E-N曲線以及 循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線)計算疲勞損傷積累(一般采用Miner準(zhǔn)則)

計算有效循環(huán)次數(shù)(Rainflowcounting)輸出計算結(jié)果(損傷值D,或稱疲勞目標(biāo)值)

D≥1表示可能出現(xiàn)疲勞破壞

8疲勞計算主要環(huán)節(jié) 載荷譜 線性疊加原理試驗測定的8疲勞分類LCF:低周疲勞HCF:高周疲勞疲勞極限Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,20059疲勞分類LCF:低周疲勞疲勞極限Source:Y.Le9高周疲勞與低周疲勞高周疲勞:?應(yīng)力較高,應(yīng)變較低?一般采用應(yīng)力S-N曲線(只需測試相對簡單的S-N曲線)?汽車疲勞計算多為高周疲勞低周疲勞:?應(yīng)變較高,應(yīng)力較低?一般采用應(yīng)變E-N曲線(需測試相對復(fù)雜的E-N曲線)?汽車疲勞計算中和溫度有關(guān)時多為底周疲勞為了使用方便,許多疲勞軟件在方法上給用戶提供應(yīng)力曲線法和應(yīng)變曲線法的選擇,實際上做了如下延伸:?用應(yīng)力S-N曲線覆蓋低周疲勞?用應(yīng)變E-N曲線覆蓋高周疲勞?實踐表明這種延伸在汽車疲勞計算中是可以接受的10高周疲勞與低周疲勞高周疲勞:?應(yīng)力較高,應(yīng)變較低?一般10疲勞破壞機(jī)理Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200511疲勞破壞機(jī)理Source:Y.Leeetal.:F1112積分)應(yīng)力強(qiáng)度因子)等效應(yīng)力選取原則與多軸疲勞分析載荷名義應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力缺口應(yīng)力缺口應(yīng)變斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)Source:IIWdocumentXIII-2151-07/XV-1254-07汽車結(jié)構(gòu)疲勞分析常用等效應(yīng)力參量 多軸疲勞分析:危險截面法(J積分(應(yīng)力強(qiáng)度因子12積分)應(yīng)力強(qiáng)度因子)等效應(yīng)力選取原則與多軸疲勞分析載荷名12損傷積累計算的Miner方法則niNi損傷值:D=∑

niNiSource:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und2007 13損傷積累計算的Miner方法則niNi損傷值:D=∑ n13應(yīng)力壽命方法,壽命方法計算疲勞壽命時常用的一些近似處理光滑試件SN曲線考慮各種影響因素后的SN曲線MineroriginalMinermodifiedMinerelementarySource:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200514應(yīng)力壽命方法,壽命方法計算疲勞壽命時常用的一些近似處理光1415應(yīng)變壽命壽命方法應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)曲線:每個循環(huán)所包圍的面積為該循環(huán)的能量損耗Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200515應(yīng)變壽命壽命方法應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)曲線:每個循環(huán)所包圍的面積S1516應(yīng)變壽命壽命方法Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200516應(yīng)變壽命壽命方法Source:Y.Leeetal16應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetriebsfestigkeitaufderGrundlage?rtlicherBeanspruchungen,TUDarmstadt,11.-13.03.200317應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetrie17應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetriebsfestigkeitaufderGrundlage?rtlicherBeanspruchungen,TUDarmstadt,11.-13.03.200318應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetrie18損傷參數(shù)P最常用Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200719損傷參數(shù)P最常用Source:DieterRadaj,19應(yīng)力20疲勞載荷描述SmaxSmin最大應(yīng)力最小應(yīng)力SmaxSmean平均應(yīng)力Smean

SminR=SminSmax應(yīng)力比

時間

Smax

SminSource:ChristophBach,Dissertation,“BeitragzurModellierungdesSchwingermüdungsverhaltensundzurrechnerischen Lebensdaueranalysevonendloskohlenstofffaserverst?rktenVinylester-Matrixsystemen“,TUKaiserslautern,2007應(yīng)力20疲勞載荷描述Smax最大應(yīng)力SmaxSmean20Neuber修正目的:以線彈性應(yīng)力應(yīng)變估算彈塑性應(yīng)力應(yīng)變線彈性應(yīng)力應(yīng)變彈塑性應(yīng)力應(yīng)變Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200721Neuber修正目的:以線彈性應(yīng)力應(yīng)變估算彈塑性應(yīng)力應(yīng)變線21考慮應(yīng)力梯度將過高的應(yīng)力修正到接近實際的水平過高的缺口應(yīng)力接近實際水平的缺口應(yīng)力Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200722考慮應(yīng)力梯度將過高的應(yīng)力修正到接近實際的水平過高的缺口應(yīng)力接22彈性缺口應(yīng)力集中系數(shù)與疲勞缺口系數(shù)彈性缺口應(yīng)力集中系數(shù)疲勞缺口系數(shù)Kt=σkσnSource:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,2005 23彈性缺口應(yīng)力集中系數(shù)與疲勞缺口系數(shù)彈性缺口應(yīng)力集中系數(shù)疲勞缺23金屬材料的SN曲線試驗曲線擬合技術(shù)要點?采用雙對數(shù)線性回歸?以疲勞壽命N為因變量,應(yīng)力幅度為自變量?在同一應(yīng)力幅水平試驗點太少時,以回歸中線為縱軸使所有試驗點參加統(tǒng)計分布(如紅線所示)Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200524金屬材料的SN曲線試驗曲線擬合技術(shù)要點?采用雙對數(shù)線性回歸24金屬材料的SN曲線試驗曲線擬合技術(shù)要點?采用雙對數(shù)線性回歸?以疲勞壽命N為因變量,應(yīng)力幅度為自變量?在同一應(yīng)力幅水平試驗點太少時,以回歸中線為縱軸使所有試驗點參加統(tǒng)計分布(如紅線所示)?考慮存活概率(50%為中線)σA

50%90%10%σA50%10%90%NNSource:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und2007 25金屬材料的SN曲線試驗曲線擬合技術(shù)要點σA 50%10%σ2526汽車計算常用軟件包CAD：CATIAPro/EngineerPre-/Postprocessor:MedinaANSAHyperMeshFE-Solver：NASTRAN(MSC.NASTRAN,NX.NASTRAN)ABAQUSMARCANSYSPERMASLS-DYNAPAM-CRASHRADIOSSSTAR-CD(STAR-CCM+),FLUERENT,POWERFLOW26汽車計算常用軟件包CAD：CATIAPro/Engine26汽車疲勞計算常用軟件DesignLife(nCode)FEMFATFEMSITEFE-SAFELMSVirtual.LabDurability英國,德國奧地利奧地利英國德國,比利時27汽車疲勞計算常用軟件DesignLife(nCode)英國27包括焊點焊縫)數(shù)據(jù)疲勞分析必備條件結(jié)構(gòu)形狀尺寸(包括焊點焊縫數(shù)據(jù)材料數(shù)據(jù)載荷數(shù)據(jù)分析結(jié)果:疲勞損傷值的分布Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.028包括焊點焊縫)數(shù)據(jù)疲勞分析必備條件結(jié)構(gòu)形狀尺寸(包括焊點焊縫28疲勞分析必備條件Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.029疲勞分析必備條件Source:nCode2004?F2930汽車車身車身計算建模示意圖Source:26.Europ?ischeKarosseriekonferenz,26-27Feb.2008,BadNauheim,Germany30汽車車身車身計算建模示意圖Source:26.Eur30材料疲勞性能試驗Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.031材料疲勞性能試驗Source:nCode2004?F31疲勞載荷Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200732疲勞載荷Source:DieterRadaj,Mich32時間應(yīng)力工作疲勞載荷Rainflow循環(huán)次數(shù)計數(shù)法應(yīng)變應(yīng)變

應(yīng)變 應(yīng)變Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und2007 33時間應(yīng)力工作疲勞載荷Rainflow循環(huán)次數(shù)計數(shù)法應(yīng)33疲勞載荷的獲取整車試驗場整車試驗臺零部件試驗設(shè)備Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.0 34疲勞載荷的獲取整車試驗場整車試驗臺零部件試驗設(shè)備Source34汽車多體動力學(xué)模型Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication35汽車多體動力學(xué)模型Source:GüntherPresc35汽車多體動力學(xué)模型-輪胎模型Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication36汽車多體動力學(xué)模型-輪胎模型Source:Günt36汽車多體動力學(xué)模型-輪胎模型Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication37汽車多體動力學(xué)模型-輪胎模型Source:Günt37汽車多體動力學(xué)模型–虛擬路面真實路面虛擬路面Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication 38汽車多體動力學(xué)模型–虛擬路面真實路面虛擬路面Sour38汽車多體動力學(xué)模型-正常路面Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication39汽車多體動力學(xué)模型-正常路面Source:Günt39汽車多體動力學(xué)模型–耐久性試驗路面Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication40汽車多體動力學(xué)模型–耐久性試驗路面Source:G40汽車多體動力學(xué)模型-與有限元模型結(jié)合Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication41汽車多體動力學(xué)模型-與有限元模型結(jié)合Source:41載荷譜損傷譜汽車多體動力學(xué)模型-模擬與實測的比較

實測值實測值實測值模擬值 模擬值模擬值 模擬值實測值Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication 42載荷譜損傷譜汽車多體動力學(xué)模型-模擬與實測的比較實測42一些特殊的疲勞耐久性問題車門和后備箱開關(guān)正常載荷的疲勞耐久性問題 非正常載荷(過載過載)對汽車 疲勞耐久性的影響

Source:PublikationenderBMWGroup,Stand01/07 43一些特殊的疲勞耐久性問題車門和后備箱開關(guān)正常載荷的疲勞耐久性43汽車CAE建模過程Source:MSC.Nastran2004,MakingConnections,Oct.200344汽車CAE建模過程Source:MSC.Nastran244基于匹配網(wǎng)格與非匹配網(wǎng)格的焊點建模成本比較基于匹配網(wǎng)格基于非匹配網(wǎng)格Source:MSC.Nastran2004,MakingConnections,Oct.200345基于匹配網(wǎng)格與非匹配網(wǎng)格的焊點建模成本比較基于匹配網(wǎng)格基于非45基于匹配網(wǎng)格)早期的焊點模型(基于匹配網(wǎng)格Source:MSC.Nastran2004,MakingConnections,Oct.200346基于匹配網(wǎng)格)早期的焊點模型(基于匹配網(wǎng)格Source:M46基于非匹配網(wǎng)格焊點模型的原理Source:MSC.Nastran2004,MakingConnections,Oct.200347基于非匹配網(wǎng)格焊點模型的原理Source:MSC.Nast47基于非匹配網(wǎng)格焊點模型實例Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.048基于非匹配網(wǎng)格焊點模型實例Source:nCode20048基于匹配網(wǎng)格的焊縫模型Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.049基于匹配網(wǎng)格的焊縫模型Source:nCode200449基于匹配網(wǎng)格的焊縫模型Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.050基于匹配網(wǎng)格的焊縫模型Source:nCode200450基于非匹配網(wǎng)格的焊縫模型仍在研究階段Source:MSC.Nastran2004,MakingConnections,Oct.200351基于非匹配網(wǎng)格的焊縫模型仍在研究階段Source:MSC.51汽車疲勞耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢張式程全德華人機(jī)電工程學(xué)會汽車疲勞耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢張式程全德華人機(jī)電工程學(xué)會52汽車疲勞主要內(nèi)容(分別見“疲勞耐久性-1,-2,-3”三個PPT文件)汽車疲勞耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1)目前疲勞分析所能達(dá)到的精度2）疲勞分析在汽車開發(fā)流程中的定位3）汽車疲勞測試方法、分析方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4)疲勞耐久性技術(shù)究竟要解決什么問題（課堂討論與問答）疲勞耐久性分析理論基礎(chǔ)及關(guān)鍵技術(shù)1)疲勞壽命預(yù)測的基本理論2)等效應(yīng)力選取原則與多軸疲勞分析3)疲勞目標(biāo)值的設(shè)定4)整車CAE中的焊點焊縫模型5)焊點焊縫疲勞分析方法6)焊點焊縫疲勞試驗設(shè)計7)能否以及如何建立一套適合自己產(chǎn)品的疲勞分析方法（課堂討論與問答）汽車疲勞耐久性分析工具(軟件軟件)的選擇1)汽車開發(fā)常用疲勞分析軟件簡介2)疲勞分析與其他分析(剛度,強(qiáng)度,振動,碰撞)的關(guān)系3)如何選擇疲勞分析軟件（課堂討論與問答）2汽車疲勞主要內(nèi)容(分別見“疲勞耐久性-1,-2,-3”三53汽車疲勞測試方法、分析方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢汽車耐久性道路試驗汽車耐久性臺架試驗汽車零部件耐久性臺架試驗測試方法 分析方法

Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.0 3汽車疲勞測試方法、分析方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢汽車耐久性道路試驗544

疲勞分析在汽車開發(fā)流程中的定位在第一階段:評價各種設(shè)計方案是否滿足疲勞耐久性要求.在第二階段:盡早發(fā)現(xiàn)疲勞危險部位,及時采取措施,使樣車順利通過汽車耐久性臺架試驗和汽車耐久性道路試驗.在第三階段:發(fā)現(xiàn)前兩個階段漏判的局部問題還來得及改進(jìn),如果必須進(jìn)行大的改動則說明疲勞耐久性分析尚須改進(jìn).第一階段第二階段第三階段Source:AutomotiveCircleInternaionalConferrence,13-14March2007,BadNauheim,Germany4 疲勞分析在汽車開發(fā)流程中的定位第一階段第二階段第三階段S555振動,碰撞等疲勞分析與其他分析(剛度剛度,強(qiáng)度強(qiáng)度,振動碰撞等)的關(guān)系Source:EuroCarBody2007,16-18Oct.2007,BadNauheim,Germany5振動,碰撞等疲勞分析與其他分析(剛度剛度,強(qiáng)度強(qiáng)度,振動56耐久性設(shè)計目標(biāo)設(shè)定與分解

汽車設(shè)計(或希望保證)的使用壽命,例如30萬公里 汽車在耐久性道路試驗場上的行使里程,例如2000公里

?不同路況(市郊,鄉(xiāng)間,越野) ?非正常情況(壓路邊障礙物) ?潮濕腐蝕路面 汽車在耐久性道路試驗場上行使過程中記錄各種工況下的有效疲勞載荷路譜(每種工況記錄一定時間) 排列組合不同路譜,壓縮無效成份為 零部件與整車臺架加速試驗提供試驗載荷

虛擬路面汽車多體動力學(xué)模型 為耐久性計算或 試驗提供虛擬路譜

汽車耐久性疲勞計算,輸出損傷值D各環(huán)節(jié)之間需要大量經(jīng)驗積累,并無嚴(yán)格的定量關(guān)系.

6耐久性設(shè)計目標(biāo)設(shè)定與分解 ?不同路況(市郊,鄉(xiāng)間571)2)3)4)5)目前疲勞分析所能達(dá)到的精度非常滿意的精度:損傷值1<D<10例如,如果根據(jù)經(jīng)驗可以確定如下當(dāng)量關(guān)系:30萬公里正常使用壽命大致相當(dāng)于2000公里汽車耐久性道路試驗行使里程,而針對2000公里汽車耐久性道路試驗行使里程的疲勞耐久性計算得出的被試驗證實的疲勞破壞部位的損傷值D大約在1.0和10之間.達(dá)到上述精度往往需要多年的經(jīng)驗積累以及根據(jù)經(jīng)驗反復(fù)的修正.如何改進(jìn)精度?檢查是否存在系統(tǒng)誤差,如是可以將過大或過小的損傷值通過一個系數(shù)修正到1.0和10之間.全面檢查疲勞耐久性計算的各個環(huán)節(jié),特別是邊界條件.在這個過程中可通過敏感性分析計算確定哪些因素有較大影響.對疲勞耐久性分析而言經(jīng)驗非常重要,和有經(jīng)驗的計算工程師和疲勞試驗工程師深入討論往往很有幫助.有時也不能排除試驗中的錯誤(人們一般懷疑計算結(jié)果而很少懷疑試驗結(jié)果),經(jīng)常標(biāo)定試驗設(shè)備很重要.計算與試驗有機(jī)結(jié)合:試驗前用計算幫助設(shè)計試驗,試驗后用測量結(jié)果驗證計算.71)2)3)4)5)目前疲勞分析所能達(dá)到的精度非常滿意的精度58疲勞計算主要環(huán)節(jié)

單位載荷作用下線彈性靜載應(yīng)力計算 (獲得應(yīng)力分量和單位載荷的關(guān)系)

載荷譜(實際載荷與時間的關(guān)系)

線性疊加原理 找出最大等效應(yīng)力 (危險截面上的最大正應(yīng)力或最大剪應(yīng)力) 對于尖銳缺口附近應(yīng)力過高等情況 通過考慮應(yīng)力梯度將過高的應(yīng)力修正到接近實際的水平 用Neuber修正將線彈性最大等效應(yīng)力 轉(zhuǎn)換成最大線彈性最大等效應(yīng)力應(yīng)變計算疲勞損傷參量變(例如Pswt)同時考慮平均應(yīng)力的影響試驗測定的材料疲勞特性曲線 (S-N曲線或應(yīng)變E-N曲線以及 循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線)計算疲勞損傷積累(一般采用Miner準(zhǔn)則)

計算有效循環(huán)次數(shù)(Rainflowcounting)輸出計算結(jié)果(損傷值D,或稱疲勞目標(biāo)值)

D≥1表示可能出現(xiàn)疲勞破壞

8疲勞計算主要環(huán)節(jié) 載荷譜 線性疊加原理試驗測定的59疲勞分類LCF:低周疲勞HCF:高周疲勞疲勞極限Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,20059疲勞分類LCF:低周疲勞疲勞極限Source:Y.Le60高周疲勞與低周疲勞高周疲勞:?應(yīng)力較高,應(yīng)變較低?一般采用應(yīng)力S-N曲線(只需測試相對簡單的S-N曲線)?汽車疲勞計算多為高周疲勞低周疲勞:?應(yīng)變較高,應(yīng)力較低?一般采用應(yīng)變E-N曲線(需測試相對復(fù)雜的E-N曲線)?汽車疲勞計算中和溫度有關(guān)時多為底周疲勞為了使用方便,許多疲勞軟件在方法上給用戶提供應(yīng)力曲線法和應(yīng)變曲線法的選擇,實際上做了如下延伸:?用應(yīng)力S-N曲線覆蓋低周疲勞?用應(yīng)變E-N曲線覆蓋高周疲勞?實踐表明這種延伸在汽車疲勞計算中是可以接受的10高周疲勞與低周疲勞高周疲勞:?應(yīng)力較高,應(yīng)變較低?一般61疲勞破壞機(jī)理Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200511疲勞破壞機(jī)理Source:Y.Leeetal.:F6212積分)應(yīng)力強(qiáng)度因子)等效應(yīng)力選取原則與多軸疲勞分析載荷名義應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力缺口應(yīng)力缺口應(yīng)變斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)Source:IIWdocumentXIII-2151-07/XV-1254-07汽車結(jié)構(gòu)疲勞分析常用等效應(yīng)力參量 多軸疲勞分析:危險截面法(J積分(應(yīng)力強(qiáng)度因子12積分)應(yīng)力強(qiáng)度因子)等效應(yīng)力選取原則與多軸疲勞分析載荷名63損傷積累計算的Miner方法則niNi損傷值:D=∑

niNiSource:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und2007 13損傷積累計算的Miner方法則niNi損傷值:D=∑ n64應(yīng)力壽命方法,壽命方法計算疲勞壽命時常用的一些近似處理光滑試件SN曲線考慮各種影響因素后的SN曲線MineroriginalMinermodifiedMinerelementarySource:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200514應(yīng)力壽命方法,壽命方法計算疲勞壽命時常用的一些近似處理光6515應(yīng)變壽命壽命方法應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)曲線:每個循環(huán)所包圍的面積為該循環(huán)的能量損耗Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200515應(yīng)變壽命壽命方法應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)曲線:每個循環(huán)所包圍的面積S6616應(yīng)變壽命壽命方法Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200516應(yīng)變壽命壽命方法Source:Y.Leeetal67應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetriebsfestigkeitaufderGrundlage?rtlicherBeanspruchungen,TUDarmstadt,11.-13.03.200317應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetrie68應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetriebsfestigkeitaufderGrundlage?rtlicherBeanspruchungen,TUDarmstadt,11.-13.03.200318應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetrie69損傷參數(shù)P最常用Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200719損傷參數(shù)P最常用Source:DieterRadaj,70應(yīng)力20疲勞載荷描述SmaxSmin最大應(yīng)力最小應(yīng)力SmaxSmean平均應(yīng)力Smean

SminR=SminSmax應(yīng)力比

時間

Smax

SminSource:ChristophBach,Dissertation,“BeitragzurModellierungdesSchwingermüdungsverhaltensundzurrechnerischen Lebensdaueranalysevonendloskohlenstofffaserverst?rktenVinylester-Matrixsystemen“,TUKaiserslautern,2007應(yīng)力20疲勞載荷描述Smax最大應(yīng)力SmaxSmean71Neuber修正目的:以線彈性應(yīng)力應(yīng)變估算彈塑性應(yīng)力應(yīng)變線彈性應(yīng)力應(yīng)變彈塑性應(yīng)力應(yīng)變Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200721Neuber修正目的:以線彈性應(yīng)力應(yīng)變估算彈塑性應(yīng)力應(yīng)變線72考慮應(yīng)力梯度將過高的應(yīng)力修正到接近實際的水平過高的缺口應(yīng)力接近實際水平的缺口應(yīng)力Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200722考慮應(yīng)力梯度將過高的應(yīng)力修正到接近實際的水平過高的缺口應(yīng)力接73彈性缺口應(yīng)力集中系數(shù)與疲勞缺口系數(shù)彈性缺口應(yīng)力集中系數(shù)疲勞缺口系數(shù)Kt=σkσnSource:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,2005 23彈性缺口應(yīng)力集中系數(shù)與疲勞缺口系數(shù)彈性缺口應(yīng)力集中系數(shù)疲勞缺74金屬材料的SN曲線試驗曲線擬合技術(shù)要點?采用雙對數(shù)線性回歸?以疲勞壽命N為因變量,應(yīng)力幅度為自變量?在同一應(yīng)力幅水平試驗點太少時,以回歸中線為縱軸使所有試驗點參加統(tǒng)計分布(如紅線所示)Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200524金屬材料的SN曲線試驗曲線擬合技術(shù)要點?采用雙對數(shù)線性回歸75金屬材料的SN曲線試驗曲線擬合技術(shù)要點?采用雙對數(shù)線性回歸?以疲勞壽命N為因變量,應(yīng)力幅度為自變量?在同一應(yīng)力幅水平試驗點太少時,以回歸中線為縱軸使所有試驗點參加統(tǒng)計分布(如紅線所示)?考慮存活概率(50%為中線)σA

50%90%10%σA50%10%90%NNSource:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und2007 25金屬材料的SN曲線試驗曲線擬合技術(shù)要點σA 50%10%σ7626汽車計算常用軟件包CAD：CATIAPro/EngineerPre-/Postprocessor:MedinaANSAHyperMeshFE-Solver：NASTRAN(MSC.NASTRAN,NX.NASTRAN)ABAQUSMARCANSYSPERMASLS-DYNAPAM-CRASHRADIOSSSTAR-CD(STAR-CCM+),FLUERENT,POWERFLOW26汽車計算常用軟件包CAD：CATIAPro/Engine77汽車疲勞計算常用軟件DesignLife(nCode)FEMFATFEMSITEFE-SAFELMSVirtual.LabDurability英國,德國奧地利奧地利英國德國,比利時27汽車疲勞計算常用軟件DesignLife(nCode)英國78包括焊點焊縫)數(shù)據(jù)疲勞分析必備條件結(jié)構(gòu)形狀尺寸(包括焊點焊縫數(shù)據(jù)材料數(shù)據(jù)載荷數(shù)據(jù)分析結(jié)果:疲勞損傷值的分布Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.028包括焊點焊縫)數(shù)據(jù)疲勞分析必備條件結(jié)構(gòu)形狀尺寸(包括焊點焊縫79疲勞分析必備條件Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.029疲勞分析必備條件Source:nCode2004?F8030汽車車身車身計算建模示意圖Source:26.Europ?ischeKarosseriekonferenz,26-27Feb.2008,BadNauheim,Germany30汽車車身車身計算建模示意圖Source:26.Eur81材料疲勞性能試驗Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.031材料疲勞性能試驗Source:nCode2004?F82疲勞載荷Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200732疲勞載荷Source:DieterRadaj,Mich83時間應(yīng)力工作疲勞載荷Rainflow循環(huán)次數(shù)計數(shù)法應(yīng)變應(yīng)變

應(yīng)變 應(yīng)變Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und2007 33時間應(yīng)力工作疲勞載荷Rainflow循環(huán)次數(shù)計數(shù)法應(yīng)84疲勞載荷的獲取整車試驗場整車試驗臺零部件試驗設(shè)備Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.0 34疲勞載荷的獲取整車試驗場整車試驗臺零部件試驗設(shè)備Source85汽車多體動力學(xué)模型Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication35汽車多體動力學(xué)模型Source:GüntherPresc86汽車多體動力學(xué)模型-輪胎模型Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication36汽車多體動力學(xué)模型-輪胎模型Source:Günt87汽車多體動力學(xué)模型-輪胎模型Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication37汽車多體動力學(xué)模型-輪胎模型Source:Günt88汽車多體動力學(xué)模型–虛擬路面真實路面虛擬路面Source:Günther