機車車輛疲勞強度分析基礎(chǔ)知識講解

2017-09-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

引言

基本概念:

(1)疲勞破壞: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)力尚未達到靜強度設(shè)計的許用應(yīng)力情況下就會在零件或構(gòu)件的局部位置產(chǎn)生疲勞裂紋并擴展、最后突然斷裂。這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。

(2)疲勞裂縫形成的特點:隱蔽性(裂縫形成)和瞬發(fā)性(疲勞斷裂)

(3)疲勞破壞造成的嚴(yán)重后果:

二次世界大戰(zhàn)期間美國制造的全焊接船舶,有近千艘出現(xiàn)開裂;

第一架噴氣式客機在試飛300小時后投入使用,檢修后第4天墜入地中海,打撈后結(jié)果分析顯示,壓力艙疲勞破壞引起,裂縫起源于機身開口的拐角處;

美國西弗吉尼亞的Point Pleasant橋突然毀壞,造成46人死亡,原因是由一根帶環(huán)拉桿中的缺陷在疲勞、腐蝕的作用下擴展到臨界尺寸而引起;

有報告指出:斷裂使美國一年損失1190億美元。

1、在機車車輛行業(yè)疲勞研究的重要性:

1)金屬的疲勞破壞形式和機理不同與靜載破壞,所以零件疲勞強度的設(shè)計計算不能為經(jīng)典的靜強度設(shè)計計算所替代,屬于動強度設(shè)計。

2)隨著機車車輛向高速、大功率和輕量化方向的迅速發(fā)展,其疲勞強度及其可靠性的要求也越來越高。

3)近幾年隨著我國鐵路的不斷提速,機車、車輛和道軌等鐵路設(shè)施的疲勞斷裂事故不斷發(fā)生,越來越引起人們的重視。

4)疲勞強度設(shè)計及其研究正在成為我國高速機車車輛設(shè)計制造中的一項不可缺少的和重要的工作。

2、疲勞研究存在的最大問題:

1)有相當(dāng)多的學(xué)者和工程技術(shù)人員進行了大量的研究,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)驗技術(shù)。

2)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)計和生產(chǎn)應(yīng)用的需要。

3)至今有約90%的機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。

4)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,其疲勞強度或疲勞壽命的設(shè)計十分重要,并且往往需要同時進行相應(yīng)的試驗研究和試驗驗證。

3、疲勞斷裂的產(chǎn)生:是因為在零件或構(gòu)件表層上的高應(yīng)力或強度比較低弱的部位區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋,并進一步擴展而造成的。

這些危險部位小到幾個毫米甚至幾十個微米的范圍,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部位。

4、提高構(gòu)件疲勞強度的基本途徑:一種是機械設(shè)計的方法,主要有優(yōu)化或改善缺口形狀,改進加工工藝工程和質(zhì)量等手段將危險點的峰值應(yīng)力降下來;

另一種是材料冶金的方法,即用熱處理手段將危險點局部區(qū)域的疲勞強度提高,或者是提高冶金質(zhì)量來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。

在解決實際工程問題時,往往需要結(jié)合運用以上兩種方法進行疲勞強度設(shè)計和研究。合理地利用各種提高疲勞強度的手段,可以有效地提高構(gòu)件的疲勞強度或延長其疲勞壽命,并起到輕量化的作用。

5、疲勞問題研究的分類:

1)疲勞裂紋的形成和擴展機理、規(guī)律方面的基礎(chǔ)性研究 ;

2) 疲勞強度設(shè)計以及提高疲勞強度的有效途徑等應(yīng)用性研究。

6、疲勞定義

疲勞一詞的英文是Fatigue,意思是“勞累、疲倦”。

作為專業(yè)術(shù)語,用來表達材料在循環(huán)載荷作用下的損傷和破壞。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在1964年發(fā)表的報告《金屬疲勞試驗的一般原理》中對疲勞所做得定義是“金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫做疲勞;雖然在一般情況下,這個術(shù)語特指那些導(dǎo)致開裂或破壞的性能變化”。

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