09-01车辆结构有限元疲劳分析幻灯片.ppt

三、典型材料试件应力疲劳分析 划分网格 三、典型材料试件应力疲劳分析 施加载荷和约束 机械工程学院——胡顺安 机械工程学院——胡顺安 车辆结构有限元分析 常熟理工学院（东南校区） 汽车工程学院——胡顺安 第九章 车辆结构有限元疲劳分析 结构疲劳分析基础 应力疲劳分析 典型材料试件应力疲劳分析 发动机连杆的应力疲劳分析 一、结构疲劳分析基础 车辆是运动并承载的机械，其结构承受的载荷大部分都是交变载荷。零部件失效中，由疲劳裂纹引起的结构失效断裂事故占总断裂事故的70％--80％以上，约有50％--90％的机械结构的破坏属于疲劳破坏。 一、结构疲劳分析基础 人们对车辆结构疲劳的研究主要集中在车辆的承载结构，如悬架、车轮、车架、横向稳定杆、发动机连杆、传动轴等。 一、结构疲劳分析基础 疲劳失效的原因有哪些呢？ 1）设计原因 2）材质原因 3）制造(工艺)原因 4）其他原因（安装调试、维修运转等） 一、结构疲劳分析基础 1.疲劳分类 疲劳通常分为两类：第一种是高周疲劳，即：在载荷的循环次数（104~109）高的情况下产生的，应力通常比材料的极限强度低，一般采用应力疲劳分析法；第二种是低周疲劳，在循环次数相对较低时发生，一般采用应变疲劳分析法。塑性变形常常伴随低周疲劳。 对于车辆结构的疲劳分析：承载系统的结构一般采用应变疲劳分析，传动系统的零部件一般采用应力疲劳分析。 一、结构疲劳分析基础 2.疲劳破坏的特点 1）疲劳发生的外部原因是扰动应力； 2）疲劳破坏产生于局部； 3）疲劳是一个发展的过程 从疲劳裂纹的形成到裂纹扩展，以致最后断裂，是疲劳损伤逐渐累积的过程。 一般分为三个阶段：裂纹萌生、裂纹扩展和最后失稳扩展断裂。 一、结构疲劳分析基础 3.疲劳分析的基本流程 材料的疲劳特性S-N曲线 E-N曲线 有限元静力学分析结果 载荷谱 疲劳分析方法 疲劳寿命 二、应力疲劳分析 1.S-N曲线 在ANSYS WB中S-N曲线是通过点定义的。 二、应力疲劳分析 1.S-N曲线 S-N曲线又被称为材料的疲劳性能，用于描述应力S和破坏时的寿命N之间的关系。描述循环应力需要两个量：应力比R=Smin/Smax和应力幅Sa=（Smax-Smin）/2。 二、应力疲劳分析 2.应力疲劳分析流程 定义S-N曲线 设置疲劳分析类型 选择载荷类型 平均应力修正 应力分量的选取 疲劳修正 应力疲劳分析 恒幅，比例载荷 恒幅，非比例载荷 非恒幅，比例载荷 非恒幅，非比例载荷 GoodMan法 Soderberg法 Gerber法 None不进行修正 Mean Stress Curves X方向应力/Y/Z XY平面应力 YZ平面应力 XZ平面应力 Von Mises应力 带符号的Von Mises应力 最大剪应力 最大主应力 最大主应力最大值 定义有限寿命数值 疲劳强度系数 载荷缩放系数 二、应力疲劳分析 2.应力疲劳分析流程 二、应力疲劳分析 3.材料基本的S-N曲线 裂纹萌生 裂纹扩展 最后失稳扩展断裂 材料疲劳性能试验所用标准试件一般是小尺寸(3-10mm）光滑圆柱试件。材料的基本S-N曲线，给出的是光滑材料在恒幅对称应力作用下的裂纹萌生寿命。 二、应力疲劳分析 S-N曲线的数学表达式有： （1）幂函数式 SmN=C lgS=A+B·lgN (Log-Log) （2）指数式 emsN=C S=A+B·lgN (Semi-Log) A=lgC/m B=-1/m m和C与材料、应力比、加载方式有关。 （3）三参数式 （S-Sf）m·N=C （4）S-N曲线的近似估值 定义S-N曲线 二、应力疲劳分析 4.设置疲劳分析类型 设置疲劳分析类型 应力疲劳分析 Stress Life 应变疲劳分析 Strain Life 高周疲劳 低周疲劳 二、应力疲劳分析 5.载荷类型 载荷类型 Zero-Based Fully Reversed R=0 R=-1 Ratio 指定应力比R=X History 指定载荷时间历程 非恒定幅值比例载荷 二、应力疲劳分析 6.平均应力对疲劳寿命的影响 平均应力对疲劳寿命的影响就是考虑应力比R的变化对疲劳寿命会产生影响，从而需要对S-N曲线进行修正。ANSYS WB提供了平均应力修正的五个选项： GoodMan法 Soderberg法 Gerber法 None不进行修正 Mean Stress C