汽車材料疲勞分析

2016-12-23 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文首先簡要介紹疲勞破壞,然后對(duì)汽車材料疲勞破壞進(jìn)行分析討論,給出幾種有效估算疲勞壽命的分析方法。

疲勞破壞涉及面之廣幾乎涵括汽車、鐵路、航空航天、能源、軍事國防、海洋油氣工程及一般機(jī)器制造等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,這說明了其問題嚴(yán)重性。對(duì)疲勞研究尤其是金屬材料是和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有密切聯(lián)系的學(xué)科。汽車作為人類出行密不可分的工具,對(duì)其疲勞分析研究尤為重要。

1.疲勞的基本理論

1.1.疲勞定義和特點(diǎn)

許多機(jī)械零件和工程構(gòu)件,是承受交變載荷工作的。當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)在在交變載荷的作用下,雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服極限,甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞,但經(jīng)過長時(shí)間的應(yīng)力反復(fù)循環(huán)作用以后,也會(huì)發(fā)生突然脆性斷裂,這種現(xiàn)象叫做疲勞破壞。其具有受交變力、作用時(shí)間長、斷裂瞬時(shí)發(fā)生且疲勞斷裂區(qū)都是脆性等特點(diǎn)。

1.2.疲勞破壞過程和類別

疲勞破壞的過程為:在循環(huán)交變載荷作用下,在零部件局部最高應(yīng)力處的晶粒上形成微裂紋,然后發(fā)展成宏觀裂紋,裂紋繼續(xù)擴(kuò)展,最終導(dǎo)致疲勞斷裂經(jīng)歷了疲勞成核-微觀裂紋生長-最后斷裂三個(gè)階段。

金屬材料的疲勞現(xiàn)象,按條件不同可分為:高周疲勞、低周疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞和接觸疲勞等。

2.汽車材料疲勞

2.1.汽車材料疲勞破壞

汽車長期運(yùn)行中所承受的外部載荷是循環(huán)動(dòng)態(tài)交變載荷,在這種載荷作用下,汽車的許多零構(gòu)件上都產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力,引起疲勞損傷,其疲勞破壞形式多為疲勞斷裂。

疲勞斷裂是汽車零部件最主要的失效形式,具有斷裂前沒有可見裂紋、功能改變等預(yù)兆等特點(diǎn),導(dǎo)致了人們生命財(cái)產(chǎn)巨大損失。但是其可以預(yù)防,如果在汽車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、維護(hù)人員具備相關(guān)疲勞失效知識(shí),可以減少1/3以上的損失。

2.2.汽車材料疲勞破壞原因

汽車材料疲勞失效產(chǎn)生與汽車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、維護(hù)息息相關(guān),比如:在設(shè)計(jì)中對(duì)疲勞破壞考慮與否;在材料加工過程中,加工工藝水平高低;車輛使用中的定期檢修情況或遭受意外沖擊等;惡劣復(fù)雜行駛環(huán)境等;都是造成其疲勞破壞的原因。

因此應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)人員對(duì)汽車疲勞破壞原因的了解,加以預(yù)防的。

3.汽車疲勞壽命分析

出于經(jīng)濟(jì)性和可靠性的考慮,人們對(duì)汽車疲勞的研究主要集中在汽車件產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)階段,主要是對(duì)疲勞壽命的預(yù)測,已經(jīng)取得了很好的實(shí)際效果。

目前在汽車工業(yè)中,在疲勞壽命的預(yù)測,主要集中在對(duì)關(guān)鍵零構(gòu)件,如車輪、輪轂、輪軸、轉(zhuǎn)向節(jié)和懸掛臂等預(yù)測上,因?yàn)榇祟惲銟?gòu)件的疲勞斷裂最容易產(chǎn)生危險(xiǎn)事故。

3.1.疲勞分析方法

在工程中應(yīng)用的疲勞壽命估算基本方法有三類:

3.1.1.名義應(yīng)力法

名義應(yīng)力法(S-N曲線法)也稱應(yīng)力壽命法,表達(dá)了名義應(yīng)力或彈性應(yīng)力和總壽命之間的關(guān)系。其主要基于從試樣中測出S-N曲線,并考慮實(shí)際零構(gòu)件與試樣在載荷作用下疲勞危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中系數(shù)、名義應(yīng)力、表面處理及等性質(zhì)參數(shù)的差別,加以修正S-N 曲線,運(yùn)用線性疲勞累積損傷理論進(jìn)行壽命估算。該方法可有效用于低應(yīng)力高周疲勞壽命的預(yù)測,例如對(duì)某些復(fù)雜零部件和焊接構(gòu)件的預(yù)測,能夠獲得合理的預(yù)測結(jié)果。

3.1.2.局部應(yīng)變法

局部應(yīng)變法(ε -N法),也稱裂紋起始?jí)勖?它將局部應(yīng)力-應(yīng)變法估算出的疲勞裂紋萌生壽命和用斷裂力學(xué)估算的裂紋擴(kuò)展壽命相加即為總壽命一種方法。實(shí)際應(yīng)用中,要同時(shí)考慮塑性應(yīng)變和注意載荷施加順序的影響,還應(yīng)考慮試樣的平均應(yīng)力、表面處理工藝以及表面光潔度等的影響,這樣才能獲得更加符合實(shí)際的預(yù)測結(jié)果。工程實(shí)踐證明,比較適用于高應(yīng)力低周疲勞壽命。

3.1.3.裂紋擴(kuò)展壽命法

由于在汽車設(shè)計(jì)制造或使用環(huán)境的原因,可能造成零構(gòu)件已經(jīng)有裂紋或缺陷存在,對(duì)這些裂紋或缺陷的剩余疲勞壽命估算同樣是保障汽車結(jié)構(gòu)安全及延長使用壽命的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前工程中預(yù)估疲勞裂紋擴(kuò)展壽命理論的基礎(chǔ)源自于Paris在1959首先提出的一種用斷裂力學(xué)參數(shù)處理裂紋擴(kuò)展的方法—LEFM 。隨著研究的深入,獲得了大量工程材料的裂紋擴(kuò)展速率曲線以及對(duì)各種含裂紋構(gòu)件的應(yīng)力強(qiáng)度因子解的建立,進(jìn)一步促進(jìn)這些理論在工程實(shí)際中的廣泛應(yīng)用。

目前用在汽車工業(yè)上的疲勞壽命的預(yù)測方法,基本上是前兩種方法,即為應(yīng)力法和局部應(yīng)變法。

3.2.基于有限元分析的疲勞壽命預(yù)測

近年來,汽車市場的激烈競爭,進(jìn)一步促進(jìn)了疲勞壽命預(yù)估在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展,基于有限元軟件分析對(duì)汽車零部件疲勞壽命估算已在國內(nèi)外大汽車公司得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度和常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)方法相比,它不但避免了只能”檢驗(yàn)”、無法“預(yù)測”被動(dòng)局面,而且能給零構(gòu)件疲勞壽命分布圖,計(jì)算出在給定載荷作用下不同設(shè)計(jì)方案預(yù)測的疲勞壽命,進(jìn)而對(duì)比優(yōu)化,選出最優(yōu)方案。這樣,汽車企業(yè)就減少試樣的數(shù)量,縮短開發(fā)周期,節(jié)省開發(fā)成本,提高產(chǎn)品市場競爭力,而且疲勞壽命預(yù)測更能反應(yīng)車輛復(fù)雜的實(shí)際使用環(huán)境,得到顧客的認(rèn)可。

有限元疲勞分析方法一般包括靜態(tài)(或準(zhǔn)靜態(tài))疲勞分析法、瞬態(tài)疲勞分析法和振動(dòng)疲勞分析法等,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。有限元軟件有多種,其中MSC.Fatigue 是一個(gè)通用性很強(qiáng)疲勞壽命分析工具,可靈活地用來估算復(fù)雜零構(gòu)件的疲勞壽命,已在汽車和航空工業(yè)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

4.結(jié)論

為了提高汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平、縮短生產(chǎn)周期以及提高市場競爭力,必須對(duì)汽車材料進(jìn)行抗疲勞壽命設(shè)計(jì),工程實(shí)際應(yīng)用,應(yīng)根據(jù)載荷及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選擇合理的疲勞分析方法,通過功能強(qiáng)大的有限元軟件,進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測,進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì),提高汽車企業(yè)自主開發(fā)能力。

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