疲勞分析基本概念介紹

2016-12-21 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

零件或構(gòu)件由于交變載荷的反復(fù)作用,在它所承受的交變應(yīng)力尚未達(dá)到靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力情況下就會(huì)在零件或構(gòu)件的局部位置產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展、最后突然斷裂。這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展具有很大的隱蔽性而在疲勞斷裂時(shí)又具有瞬發(fā)性,因此疲勞破壞往往會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和災(zāi)難性后果。金屬的疲勞破壞形式和機(jī)理不同與靜載破壞,所以零件疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算不能為經(jīng)典的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算所替代,屬于動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。隨著機(jī)車車輛向高速、大功率和輕量化方向的迅速發(fā)展,其疲勞強(qiáng)度及其可靠性的要求也越來(lái)越高。近幾年隨著我國(guó)鐵路的不斷提速,機(jī)車、車輛和道軌等鐵路設(shè)施的疲勞斷裂事故不斷發(fā)生,越來(lái)越引起人們的重視。疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)及其研究正在成為我國(guó)高速機(jī)車車輛設(shè)計(jì)制造中的一項(xiàng)不可缺少的和重要的工作。

金屬疲勞的研究已有近150年的歷史,有相當(dāng)多的學(xué)者和工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究,得到了許多關(guān)于金屬疲勞損傷和斷裂的理論及有關(guān)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)。但是由于疲勞破壞的影響因素多而復(fù)雜并且這些因素互相影響又與構(gòu)件的實(shí)際情況密切相關(guān),使得其應(yīng)用性成果尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)應(yīng)用的需要。據(jù)統(tǒng)計(jì),至今有約90%的機(jī)械零部件的斷裂破壞仍然是由直接于疲勞或者間接疲勞而引起的。因此,在21世紀(jì)的今天,尤其是在高速和大功率化的新產(chǎn)品的開發(fā)制造中,其疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命的設(shè)計(jì)十分重要,并且往往需要同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

疲勞斷裂是因?yàn)樵诹慵驑?gòu)件表層上的高應(yīng)力或強(qiáng)度比較低弱的部位區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋,并進(jìn)一步擴(kuò)展而造成的。這些危險(xiǎn)部位小到幾個(gè)毫米甚至幾十個(gè)微米的范圍,零件或構(gòu)件的幾何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕傷痕及材料的內(nèi)部缺陷等往往是這種危險(xiǎn)部位。因此,提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的基本途徑主要有兩種。一種是機(jī)械設(shè)計(jì)的方法,主要有優(yōu)化或改善缺口形狀,改進(jìn)加工工藝工程和質(zhì)量等手段將危險(xiǎn)點(diǎn)的峰值應(yīng)力降下來(lái);另一種是材料冶金的方法,即用熱處理手段將危險(xiǎn)點(diǎn)局部區(qū)域的疲勞強(qiáng)度提高,或者是提高冶金質(zhì)量來(lái)減少金屬基體中的非金屬夾雜等材料缺陷等局部薄弱區(qū)域。在解決實(shí)際工程問(wèn)題時(shí),往往需要結(jié)合運(yùn)用以上兩種方法進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和研究。合理地利用各種提高疲勞強(qiáng)度的手段,可以有效地提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度或延長(zhǎng)其疲勞壽命,并起到輕量化的作用。

關(guān)于疲勞問(wèn)題的研究,基本上可分為疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展機(jī)理、規(guī)律方面的基礎(chǔ)性研究和疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及提高疲勞強(qiáng)度的有效途徑等應(yīng)用性研究。應(yīng)用性研究雖然借鑒了基礎(chǔ)性研究的成果,但因?yàn)樗枰紤]更多的實(shí)際影響因素,所以它的研究更為復(fù)雜和困難。因此相比之下關(guān)于疲勞壽命的預(yù)測(cè)和疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)等應(yīng)用性研究要少得多,遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)際工程的需求。過(guò)去,疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測(cè)的研究主要是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行的。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和有限元數(shù)值計(jì)算理論及其應(yīng)用的迅速發(fā)展,現(xiàn)在又興起了基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和壽命計(jì)算的有限元數(shù)值計(jì)算方法,有力地推動(dòng)著零部件疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的研究及應(yīng)用的發(fā)展。

當(dāng)前,業(yè)已發(fā)展形成了專用的疲勞分析軟件,如MSC/FATIGUE等。此外許多著名的有限元分析軟件也嵌套有功能較為齊全的疲勞強(qiáng)度計(jì)算模塊,如MARC,ANSYS,以及I-Deas中的CAE等。這些軟件疲勞強(qiáng)度計(jì)算模塊的細(xì)節(jié)雖然不盡相同,但是其基本思路與算法大都相似。

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