09-01車輛結(jié)構(gòu)有限元疲勞分析ppt課件.ppt

1、車輛結(jié)構(gòu)有限元分析,常熟理工學(xué)院（東南校區(qū)）,汽車工程學(xué)院胡順安,1,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,2,一、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。,3,一、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。,4,一、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)

2、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）,5,一、結(jié)構(gòu)疲勞分析基礎(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。,6,一、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)展的過程 從疲勞裂紋的形成到裂紋

3、擴(kuò)展，以致最后斷裂，是疲勞損傷逐漸累積的過程。 一般分為三個(gè)階段：裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和最后失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂。,7,一、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,8,二、應(yīng)力疲勞分析,1.S-N曲線 在ANSYS WB中S-N曲線是通過點(diǎn)定義的。,9,二、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。,10,二、應(yīng)力疲勞分析,2.應(yīng)力疲勞分析流程,定義S-N

4、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 非恒幅，非比例載荷,GoodMan法 Soderberg法 Gerber法 None不進(jìn)行修正 Mean Stress Curves,X方向應(yīng)力/Y/Z XY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),11,二、應(yīng)力疲勞分析,2.應(yīng)力疲勞分析流程,12,二、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

5、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。,13,二、應(yīng)力疲勞分析,S-N曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)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,14,二、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 Li

6、fe,應(yīng)變疲勞分析 Strain Life,高周疲勞,低周疲勞,15,二、應(yīng)力疲勞分析,5.載荷類型,載荷類型,Zero-Based,Fully Reversed,R=0,R=-1,Ratio,指定應(yīng)力比R=X,History,指定載荷時(shí)間歷程,非恒定幅值比例載荷,16,二、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,17,二、應(yīng)力疲勞分

7、析,7.應(yīng)力分量的選取 在進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的過程中， 得到的是多軸應(yīng)力。但在試驗(yàn)過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 Mises應(yīng)力是非常有用的，,X方向應(yīng)力/Y/Z XY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,18,二、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

8、reduction factor）。通過這一系數(shù)對(duì)S-N曲線進(jìn)行調(diào)整。通過疲勞強(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),19,二、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)行測量，得到各典型工況下的載荷譜，再將各工況組合起來得到的載荷譜，稱為實(shí)測載荷譜； 2）在沒有適當(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。,20,二、應(yīng)力疲勞分析

9、,9.載荷譜 例如：有臺(tái)商用車，設(shè)計(jì)壽命50萬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,21,二、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

10、力Fx=Fv，star1.449 kN,22,二、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)際工況比需要根據(jù)行駛路況具體定，70%:20%:10%。,23,二、應(yīng)力疲勞分析,9.載荷譜 通過有限元靜態(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：,24,二、應(yīng)力疲勞分析,10.Miner線性累積損傷

11、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=,25,三、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，求該件的疲勞壽命。,26,三、典型材料試件應(yīng)力疲勞分析,27,三、典型材料試件應(yīng)力疲勞分析,劃分網(wǎng)格,28,三、典型材料試件應(yīng)力疲勞分析,施加載荷和約束,29,三、典型材料試件應(yīng)力疲勞分析,定義分析分析結(jié)果,30,三、典型材料試件應(yīng)力疲勞分析,疲勞分析設(shè)置,31,三、典型材料試件應(yīng)力疲勞分析,求解結(jié)果,32,四、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)。,33,四、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的應(yīng)力疲勞分析,直接打開Conrod-fatigue.wbpj文件，導(dǎo)入ConRod.x_t，并對(duì)Geometry進(jìn)行編輯。,34,四、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的應(yīng)力疲勞分析,打開Model（A4），進(jìn)入Mechani