含表面缺陷工件的疲劳寿命预测方法研究.pdf

：型兰竺兰至垒些耋竺圭圭兰奎兰苎兰耋圣 含表面缺陷工件的疲劳寿命预测方法研究 李礼朱有利 裴甲兵I程荦＆暮备再剜追i程}，n京．100072 摘要舀内外对舍擞裂纹、擞孔洞．点蚀坑和微抽伤等表面微观缺陷零部件的疲劳寿命预测 方法研究较少．本文采用有限单元涪研究7含有表面微缺陷的某型车辆扭力轴的疲劳寿命预 测方法．研究7表面麸陷时扭力轴疲劳寿命的影响规律井定量分析7机械打磨去除檄缺陷的 方法对于疲劳寿审的影响．结果表明，表面缺陷处由于存在较大的应力集中走太降低了扭力 轴的疲劳寿命，而打磨击对扭力轴的疲劳寿命有较犬的随善作用．寿命预测的结果和实际情 况吻合． 关键词疲劳：缺陷；寿命预测：有限单元法 引 言 一般来说，韧性材料的损伤和断裂破坏是由于材料内部微缺陷不断生长、台，j：、形成宏观裂纹井进一 步扩展所0j起的。霉部件或结构在制造过程中．由】加工工艺和质量检验方面的失误．可能存在微裂纹、 孔洞和冶金夹杂物等缺陷：在服役过程中台因为疲劳、腐蚀和磨损等因素形成微裂纹、微孔洞、腐蚀坑、 磨痕以及由于偶然困素而造成的各种表面划伤、局部塑性变形等缺陷。这些缺陷由于尺度较小，一般不会 引起结构或零部件肯敏受载面积的太幅减小，因此对结构的静强度不会造成太大的影响．但是对于承受交 变载荷作用的结构，园这些缺陷而遗成的局舒应力集中往往会导致裂纹的萌生和扩展。井最终造成疲劳断 裂失效。 对于吉缺陷工件的寿命预测方法．国内外的研究太多集中于将缺陷简化为规则裂纹”“1，而对实际缺 陷的形状、尺、j等考虑较少。本文采用有限单元法研究了与实际的形状、尺寸和探度相吻合的舍表面微缺 陷的某型车辆扭力轴的疲劳寿命预测方法。研究了表面缺蹈对扭力轴疲劳寿命的影响规律井定量分析了机 械打磨去除微缺陷的方法对于疲劳寿命的影响． 1扭力轴断口形貌 某型乍辆的左六扣力轴在车辆行驶至9]02kra时突然发生非正常断裂，使用寿命远低于其i殳计寿命 展．为典型的正断型断口。在分析前暴露了较长一段时间．表面已经因氧化发生了锈蚀。氧化层精楚地显 示了疲劳特征。A隧为半嘲形的疲劳源IK；BK为以A为中心呈放射状向外扩展的裂纹扩展区，图中可见 清晰的放射状条纹：C区是瞬断区，粗糙度较大；D为扭力轴最后破断时产生的剪切唇。O)图为(a)图所对 窿i癸 圈l扭力轴断口fa)宏现Ⅳ貌彻表面制％ 材料科擘 应的断u向下翻转90。后表面缺陷的宏观形貌，在A区轴的外表面．可见敛个直径I～3mm、深度豹为0．5lnm 的小坑。 2实际表面缺陷的模拟方法 对于扭力轴的疲劳寿命来说．表面缺陷处由于材料不连续，可认为在表面缺陷处存在一个小孔…。因 此，为计算吉盲史际的表瑟缺陷的扭力轴在实a蛾荷普下的疰劳疲劳寿命．首先提取出表面缺陷轮廓的数 字模璎；然J；亍在扭力轴的实体模型上“挖”出一个由所挺取出的轮廓确定的小{L，小孔的深度根据失效分析 的鲔粜确定，为0．5 mm；最后利用包骨有表面缺陷的实体模型进行疲劳裂纹寿命的“算。 对于翻1所示的扭力轴．将断口两端重新拼台后．用数口5相机在表面缺陷的正上打拍摄扭力轴拼合 尺寸，其长度为数字照片中扭力轴径向的长度．即为数字照片中扭力轴的直径。然后将图2作为贴图．对 经放大或缩小后与模型的直径太小一致，因此图2中窄条的长度投影后正好与实际的直径尺寸一致，这样 就保汪了渲蛰后三维模型上表面缺陷的轮廓与实际轮廓的尺寸和形状完全一致。 圈4 (a)去除村料后的横型：(b)局部放大 3疲劳寿命预测方法 利用大型通用有限元分析软件ANSYSWorkbench8．0(AWP)进行实测载荷谱作用下无缺陷扭力轴、含 有史际缺陷的扭力轴和经过机械打磨去除表面缺陷后的扭力轴的疲劳疲劳寿命计算。 ANSYS 517 中国科协第四届优秀博士生学术年套论文集 的直接烈向接u功能，提供了统一的开发和管理CAE信息的工作环境以及高级功能的易用性。AWP计算 疲劳寿命时依据名义应力法和Miner线性损伤