（载运工具运用工程专业论文）4g1发动机支架疲劳性能分析研究.pdf

摘要 摘要 本文通过对汽车工业发展现状的阐述，分析了国内整个汽车行业生产模式上出现的 问题，说明了提高自主产品开发能力的重要性，这就需要运用仿真技术设计开发汽车产 品，来改变当前汽车工业的不利状况。对国内外关于仿真技术的研究进行了总结与归 纳，指出适合本课题的仿真方法，研究进一步改进该型号发动机支架的结构，以适应该 研究对象的工作状况。在金属疲劳强度理论的基础上，建立了该零件的有限元分析模 型，对发动机支架的结构进行了静力分析、动力分析以及疲劳分析，应用了较多的有限 元分析方法，得到该零件的应力、应变分布状态。其中的疲劳分析利用a n s y sf e s a f e 的分析计算功能和a n s y s 的后处理功能进行了联合仿真分析，得到了较为准确 的仿真结果。根据仿真分析所得到的结果，设计、制造出一套适宜的实验系统，有针对 性地对发动机支架进行疲劳实验，并且详细分析了实验过程中的技术问题，通过对实验 数据的采集，对比分析实验结果和仿真结果，从而验证仿真分析的准确性。总结出了应 变测量实验中核心问题的一些解决方法，指出了实验所用发动机支架设计上的不足，为 发动机支架结构的进一步优化设计和抗振动控制提供依据。本文所使用的发动机支架有 限元仿真分析方法和疲劳实验方法，对于其他类型的发动机支架以及其他机械零部件的 设计制造有一定的参考价值。 关键词仿真分析；有限元；实验方法；应力；疲劳寿命 东北林业火学硕，j ：学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y ，a n a l y z e dt h e e n t i r ei n d u s t r yp r o d u c t i o np a t t e r n se m e r g i n gi s s u e s ，i l l u s t r a t e dt h ei m p o r t a n c eo f e s t a b l i s h i n g i n d e p e n d e n tp r o d u c td e v e l o p m e n tc a p a b i l i t y ，s ow es h o u l du s es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yd e s i g n a n dd e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ep r o d u c t st oc h a n g et h ec u r r e n tn e g a t i v es i t u a t i o n i no r d e rt o i m p r o v et h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ee n g i n es u p p o r t sf u r t h e r ，a n da d a p tt ot h ew o r k i n g c o n d i t i o n so ft h es t u d y ，i ti n c l u d e da n ds u m m a r i z e dt h er e s e a r c ho ft h ee m u l a t i o nt e c h n o l o g y a l lo v e rt h ew o r l d ，p o i n t e do u tt h a tt h es i m u l a t i o nm e t h o d o l o g ys u i t a b l ef o rt h i st a s k i t e s t a b l i s h e daf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ep a r t so nt h ei n t e n s i t yt h e o r e t i c a lo fm e t a lf a t i g u e b a s i s ，a n dc a r r i e do nt h es t r u c t u r eo fs t a t i ca n a l y s i s ，d y n a m i ca n a l y s i sa n df a t i g u ea n a l y s i s ， a n dal o to ff i n i t ee l e m e n tm e t h o dw e r eu s e d ，t h e nt h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s sw a s g o t t 0 g e ta c c u r a t es i m u l a t i o nr e s u l t s ，aj o i n ts i m u l a t i o no ff a t i g u ea n a l y s i sw a sd o n eb yu s i n g a n s y sa n da n s y sf e - s a f ea n a l y s i so ft h e p o s t p r o c e s s i n gm o d u l e s a c c o r d i n gt o s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h er e s u l t s ，ih a dd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e das u i t a b l et e s ts y s t e mf o r m e a s u r i n g ，a n a l y z e dt h et e c h n i c a li s s u e so ft h em e a s u r i n gp r o c e s si nd e t a i lf o rt a r g e t e d f a t i g u et e s t i n go fe n g i n es u p p o r t s i no r d e rt oi m p r o v et h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ee n g i n e s u p p o r t sf u r t h e ra n dc o n t r o lv i b r a t i o n ，ic o m p a r e da n da n a l y z e dt h et e s tr e s u l t sa n ds i m u l a t i o n r e s u l t sa f t e rc o l l e c t e dt e s td a t a ，t h u sic e r t i f i e dt h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o na n a l y s i s ，s u m m e d u ps o m es o l u t i o n si n t h es t r a i n m e a s u r e ，p o i n t e d o u tt h ed e s i g nd e f i c i e n c i e so fe n g i n e s u p p o r t s t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y t i c a lm e t h o d sa n df a t i g u et e s t i n gm e t h o d sw e r ev a l u a b l ef o r d e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n go t h e re n g i n es u p p o r t sa n do t h e rm e c h a n i c a lc o m p o n e n t s k e y w o r d s s i m u l a t i o na n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；t e s tm e t h o d ；s t r e s s ： f a t i g u e i i l 绪论 1 1 课题研究的目的与意义 1 绪论 1 1 1 加快发展我国汽车工业的重大意义 自1 8 8 6 年德国的卡尔本茨发明世界上第一辆内燃机汽车以来，汽车已成为当今 社会的主要交通工具，汽车工业也发生了翻天覆地的变化。1 0 0 多年后的今天，汽车不 仅改 x 东北林业人学硕i ：学位论文 汽车工业增强产品竞争能力，打丌国际市场的必山之路。 汽车工业发展，对零件可靠性的要求越来越高。不仅曲轴、连杆等发动机零件和变 速箱、齿轮、轴类零件等汽车传动系统零件，以及车架等一些连接件的设计都涉及汽车 零件可靠性。传统的疲劳实验采用的成组法和升降法，费工又费时! 疲劳实验装置也主 要是机械式、液压式等几种类型，这类实验机的加载频率较低，实验周期长、能耗高、 设备投资大、实验费用昂贵，远不能满足汽车工业发展对疲劳实验高效率和高精度的要 求【_ 7 1 。因此，对于产品疲劳寿命的c a e 仿真分析方法越来越受到产品设计人员的关 注，它正是解决这个问题的利器，一般情况下，c a e 仿真主要完成工作包括：发现设计 缺陷、减少重量、增加强度、优化零部件尺寸、优化性能、选择恰当材料、检查安全要 素【l 2 3 】。q 墟仿真分析，是利用成熟的数学、力学算法，将一个连续的物理对象划分成 多个离散而相互关联的对象，即有限元方法，根据给定的工况、边界条件，计算其各点 的力、热、振动、声学等特性，最终得出分析结果。一般包括：静力学、应力位移、 模态、振动固有频率、其它( 热传递、非线性材料、屈曲、噪声、优化、动态响应) 等部分【4 t 5 ，6 1 。 统计表明应用c a e 技术后，开发期的费用占开发成本的比例，从8 0 9 0 下降 到8 1 2 。应用c a e 技术使开发期的费用占开发成本的比例大幅度下降，美国福特 汽车2 0 0 0 年c a e 技术应用项目的成果是：新车型开发周期从3 6 个月降低到1 2 1 8 个 月；开发后期设计修改率减少5 0 ；原型车制造和实验成本减少5 0 ；投资收益提高 5 0 。在汽车发展历史上，没有什么技术能与c a e 技术相比，产生如此巨大的回报和 经济效益。 1 2 国内外研究综述 1 2 1 中国汽车工业现状 中国汽车特别是轿车工业有了巨大发展，据中国汽车工业协会最新统计，2 0 0 5 年 1 1 1 月，汽车累计产销双双突破5 1 0 万辆，提前一个月超过去年全年。1 1 1 月，汽 车累计产销5 1 4 4 7 万辆和5 1 3 7 6 辆，同比分别增长1 0 2 4 和1 2 0 7 ，其中乘用车产销 3 5 2 2 9 万辆和3 5 1 5 3 万辆，同比分别增长1 6 4 0 和1 9 4 8 ；商用车产销1 6 2 1 8 万辆和 1 6 2 2 3 万辆，同比分别下降1 1 4 和1 2 1 。车型由单一品种发展到客货并重、大中小 系列产品的可喜局面。但是，和市场要求比，产品技术水平差距还很大。在国内外汽车 市场激烈竞争的局面下，产品技术质量已成为各厂家的第一生命线。 国外名厂已进入我国汽车业，合资产品己大批量投产。但是基本上还是走“散件装 车一引进消化图纸一逐步国产化”的道路。造成了“产品批量生产之时即是市场淘汰之 日 的被动局面，实践证明这种c k d ( c o m p l e t el 【i l o c kd o w n ) 方式是装不出自己的汽 车工业的。中国汽车的一个重要战略制高点自主的产品开发能力尚未形成。“中国 汽车必须建立自主的产品开发能力! 已是政府和企业的共识。 c a e 技术可以在提高产品质量和建立产品开发能力方面，对汽车企业提供极大帮 1 绪论 助。它可以全面的分析功能涉及结构、疲劳、热、流体、电磁场、碰撞、板金成形等汽 车行业所需的各种分析仿真功能，产品应用的深度、广度、解算结果的高精度及其图形 界面的易学易用，已经使之成为汽车产品开发必不可少的伙伴。 国际上，在广泛应用c a e 软件进行产品开发的企业中，有限元分析已是设计链中 必须的常规，没有有限元分析的设计不能进入下一个技术流程。新车开发中的疲劳、寿 命、振动、噪声等强度和刚度问题，可成熟地在设计阶段解决，大幅度提高了设计质 量，缩短了产品开发周期，节省大量开发费用，同时避免了产品投放市场初期常常出现 的质量问题而影响新产品的声誉。这就可以使得企业集中力量于汽车的环保、节能和安 全等现代汽车设计主题研究。可以说，没有a 墟的应用，则没有产品的高质量，没有 q 墟就没有自主的产品开发能力。 1 2 2 运用q 姬技术设计开发汽车产品的研究综述 计算机技术发展迅速，己成为汽车企业开发新产品、组织规模生产、加强市场竞争 与提高夺标能力的重要手段。特别是在缩短产品开发周期，提高产品性能、质量和可靠 性，降低产品成本等方面，起到了决定性作用。 计算机( 辅助) 技术从2 0 世纪5 0 年代起步经历了3 个阶段。第一阶段，5 0 7 0 年 代的3 0 年，为该技术的探索阶段；第二阶段是8 0 年代的1 0 年，可以说是大发展阶 段；第三阶段是9 0 年代初至今，是该技术的成热及广泛应用阶段。就目前的发展趋势 看，计算机( 辅助) 技术将在产品开发中占有越来越重要的地位，特别是近1 0 年来以 计算机为基础而产生的计算机集成制造系统，使计算机技术在汽车产品开发中的运用更 是方兴未艾。 计算机( 辅助) 技术主要包括c a d 、洲、a 墟、g 神p 、c a = r 和f a ( 工厂自动 化) 等内容。q 就是计算机以某种模式和办法按照人的意图去进行科学分析和计 算，并做出判断和选择，最后输出满意的设计结果和生产图纸。c a m 就是把计算机与 工厂的设备联系起来，实现用计算机系统进行生产计划、管理、控制及操作的过程。 c a e 是通过结构分析来评价汽车的性能，提高产品质量，减少开发时间。c a e 具有精 确地描述各种工程现象、快速完成结构分析和综合评价各种性能的功能1 8 j 。 过去c a e 分析的瓶颈在于分析精度与计算速度，即计算机容量和速度的矛盾，数 据工作量与计算完成时间的矛盾等等。现在，硬件的发展和超并行技术的应用，上述矛 盾已基本上得到了解决，g 墟功能得到了大幅度的提高。随着现代化科学技术的不断发 展，中国汽车行业出现了蒸蒸日上的局面，各种类型的汽车相继出台并在国民生产和日 常生活中发挥着重要的作用。但是对比国外的汽车行业，中国的汽车制造业还存在着较 大的差距，主要表现在技术力量不足、类型单一、产品质量底下等缺陷。随着w t o 入 世，国外的大型汽车厂商陆续进入中国市场，中国的汽车行业面临着巨大的挑战和前所 未有的危机。为了能够在市场中求得生存与发展，中国汽车行业必须加大发展汽车核心 技术的力量，建立自主的产品开发能力。 东北林业大学硕：j 二学位论文 在汽车产品的研发过程中，c a e 技术对于提高产品的质量和加强产品开发能力方 面，起到了非常重要的作用。当前国际知名汽车厂商均把汽车产品的研发由单一依靠实 验分析转移到通过大型c a e 软件进行仿真模拟，寻求实验分析与数值模拟相结合的道 路。这样可以大大节省研发过程中人力、物力的投入，提高研发效率，为赢得市场创立 了先机。 在汽车行业领域，由于其器件结构设计复杂多样，且性能要求较高，设计要求精 密，所以在分析和研究过程中要求使用高效、可靠的软件来计算在各种载荷条件下结构 的静力分析、动力响应、温度分布、损伤破坏和系统的寿命等等。要达到这一分析和设 计要求，所使用分析软件不但必须具有一般的静力强度分析功能和结构机械动力分析功 能，而且还应具有解决复杂的热传导、计算流体动力学、静电场、以及多物理场耦合问 题的能力，并且在非线性静力动力、断裂破坏、各种非线性材料、以及各种复杂的复 合高度非线性问题的求解方面都应具有良好的解决方案。另外，分析软件还应该既具有 很强的数值运算能力和高效的求解技术，又应具有快速生成网格的技术、方便的前后处 理技术、以及良好的开放性特征，这样才能为企业赢得效率。 汽车工业的飞速发展要求有越来越高的汽车设计开发技术与之相适应，由此产生了 许多功能强大、使用方便的有关汽车开发、设计的仿真软件，最早研制的用于实际产品 设计的商业软件，恐怕是始于上世纪6 0 年代美国n a s a 为完成登月计划而由m s c 公 司专门开发的分析程序了，它也就是后来闻名于世的n a s t r a n 分析软件。经过4 0 年 的煅致；踢季薹。薹羹薹屋薹茎季孵霪剐彩姥霪派生强薹型掣鉴苏豳伛蚧疆簪；铋”妻霎? 奏萋囊誉 謦雾蓁= 雾匿i 肇曩壁驯蟹莲零一塞妻i ! 翼主魉! 妻；苇铭怙年娄蕊。撵洛蜀蹦指薹器目群举蠹篓翥需掣绑 型斜塑影j 蹙墨厦秦篓雾夔簖黏的过程理；环山萎醺舔施箭酾。衔丽浠擅黍翡霞羹莲 蜒蓰斌拣酶瓤短羹堑囊；霎雾鬟蓁窆；雾囊蓁蚕鲤莨蚴 影鬟黝斑薹；漾捌剁捌描潦诺 吲锚滗篷；型彳碟濮嚣弼一魄吨送俐隧嘣廊侉踢i 生1 蝴科蓁妊烈警电羔澌豳赢稍隰；裂，易引起事故造成经济损失。 ( 2 ) 疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测就显得十分重要和必 要。 ( 3 ) 疲劳对缺陷( 缺口、裂纹及组织) 十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。 因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷( 夹杂、疏松、白 点、脱碳等) ，将降低材料的局部强度，二者综 x 东北林业人学硕：i ：学位论文 2 金属疲劳的强度理论 磨损、腐蚀和断裂是机械零件和工程构件的三种主要破坏形式，也是这些零件和构 件失效的三种主要原因。作为突发事件的断裂，因其造成的后果通常是灾难性的，所以 其更为工程界所重视。造成断裂事故的原因有过载、低温脆性、氢脆、应力腐蚀、 疲劳等。当设备在循环变化的载荷或随机载荷作用下工作时，疲劳是这些零件和构件的 主要失效形式。所以，无论是新设备的研制，还是设备在运行过程中的强度校核，疲劳 强度都是主要的研究内容。 2 1 疲劳破坏的基础理论 2 1 1 疲劳破坏的概念 疲劳一词的英文是f a t i g u e ，意思是“劳累、疲倦”。作为专业术语，用来表达材料 在循环载荷作用下的损伤和破坏。国际标准化组织( i s o ) 在1 9 6 4 年发表的报告金属 疲劳实验的一般原理中对疲劳所做的定义是：“金属材料在应力或应变的反复作用下 所发生的性能变化叫做疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的 性能变化”，这一描述也普遍适用于非金属材料【1 1 】。疲劳强度不仅对于航空、造船、原 子能等尖端工业产品有着十分重要的意义，也是影响一般工业机械产品可靠性和使用寿 命的一个重要因素。据国外资料统计，失效的机器零件中5 0 , - 一9 0 为疲劳破坏，许多 机器零部件和结构的主要破坏方式都是疲劳断裂，而引起疲劳失效的循环载荷峰值往往 远小于根据静态断裂分析估算出来的“安全”载荷【1 引。 许多零件都是在循环载荷作用下工作的，其工作应力往往低于材料的屈服强度。零 件在这种循环载荷下，经过较长时间运行而发生断裂的现象称为疲劳。它是零件早期失 效的主要形式。疲劳的破坏过程是材料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下，逐渐发 生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从 局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。 2 1 2 疲劳破坏的特点 疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏比较具有以下特点： ( 1 ) 该破坏是一种潜藏的突发性破坏，在静载下显示韧性或脆性破坏的材料，在 疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂，易引起事故造成经济损失。 ( 2 ) 疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测就显得十分重要和必 要。 ( 3 ) 疲劳对缺陷( 缺口、裂纹及组织) 十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。 因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷( 夹杂、疏松、白 点、脱碳等) ，将降低材料的局部强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。 2 金属疲劳的强度理论 2 1 3 疲劳的分类 室温下工作的零件和构件的疲劳破坏，裂纹源常发生在亚表面，即从大晶粒处穿晶 断裂，形成亚微观的疲劳，然后沿切应力方向穿透几个晶粒，再沿与拉应力垂直的方向 继续扩展，逐渐形成宏观裂纹。微观裂纹和宏观裂纹的形成和扩展，均与塑性的存在有 关，所不同的是循环塑性应变发生在某个或几个晶粒上，或发生在材料的某一局部区域 内。从这个意义上讲，j 、乙是疲劳都应属于塑性疲劳。 根据破坏时的循环数的高低，疲劳可分为高周疲劳( 或称高循环疲劳) 和低周疲劳 ( 或称低循环疲劳) 。高周疲劳受应力幅控制，故又称应力疲劳。低周疲劳受应变幅控 制，故又称应变疲劳。一般以1 0 5 次循环作为高周疲劳与低周疲劳的分界点。 在不同的工作环境下( 例如高温、低温、腐蚀介质、载荷情况等) ，疲劳还可分为高 温疲劳、低温疲劳、热疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳和随机疲劳等。 2 1 4 疲劳断口的宏观特征 疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较低，因此具有较明显的裂纹 萌生和稳态扩展阶段，相应的断口上也显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的 特征。疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多断裂信息，具有明显的形 貌特征，如图2 1 所示，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的 影响，因此对疲劳断口的分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的一种重要方法【1 引。 膏名义盛力证名义应力 无应力囊巾中虚力鑫中大虚力囊中 无斑力量中 中应力集中太鹰力集中 寝力扶鸯 口衄叩 口 阴 叩 斌精拉傩 吱 、 对嚣拉压 丘曲弯曲 仓 呵 平嗣砑体 笸妻套 臂曲 哕 麓辅弯曲 越转 衄。哑熵囤。衄0 图2 - 1 各类疲劳断口形貌示意图 2 1 5 影响疲劳的因素 影响构件疲劳的因素很多，而且各种因素是错综复杂地作用，最终导致了零件和工 程构件的疲劳破坏。材料的s n 曲线只能代表光滑试样的疲劳性能，而实际零件的尺 东北林业人学侦i j 学位论文 寸、形状和表面状况与标准试样有很大差别，因此其疲劳强度和寿命也与标准试样有很 大差别。影响疲劳的各种因素及其关系，总的来讲，可以归纳为以下四个方面： ( 1 ) 材料，制造过程，表面处理：包括材料的种类、化学成分及热处理；制造过程 ( 铸造、锻造、轧制或挤压等) ；金相组织、颗粒大小及形状；颗粒排列的方向性；试件 在毛坯中的原始位置、夹杂物及气孔的分布；试件的表面处理及表面状态。 ( 2 ) 工作环境条件：包括腐蚀、低温、高温、辐射、接触作用等。 ( 3 ) 外界或工作载荷条件：包括应力状态、应力比、载荷顺序、载荷频率等。 ( 4 ) 构件或结构本身的设计。 2 2 抗疲劳设计准则 根据抗疲劳设计的要求不同，其准则也不同，一般有以下几个准则： ( 1 ) 无限寿命设计无限寿命设计是最早的抗疲劳设计准则，它要求零构件的设 计应力低于其疲劳极限，从而具有无限寿命。对要求长期使用，而对自重没有严格要求 的机械，它仍然是一种适用的设计准则。 ( 2 ) 安全寿命设计工程实际运用中称按有限寿命设计为安全寿命设计。有限寿 命设计只保证在规定的使用期内能够安全使用，因此，它允许零构件的工作应力超过其 疲劳极限，从而自重可以减轻。曲轴对自重有较高的要求应该使用这种设计准则。安全 寿命设计必须考虑安全系数，以考虑疲劳数据的分散性和其它未知因素的影响。在设计 中可以对应力取安全系数也可以对寿命取安全系数，或者规定两种安全系数都要满足。 ( 3 ) 损伤安全设计( 失效安全设计)该准则承认疲劳裂纹可以出现，但在裂 纹被检测和进行修理之前，出现的裂纹不会导致整个结构的破坏。这就要求定期检查和 保养，以及时发现裂纹，同时要求裂纹扩展速度较慢。此外，希望所设计的结构能够进 行载荷转移，即当结构的某一环节破坏后( 特别是对静不定系统) ，载荷能够被转移并重 新分布。在结构中设置多载荷通道和裂纹阻止器也是实现损伤安全设计的手段。制 定适当的检查程序和检查问隔周期也是抗疲劳设计工作的一部分。 ( 4 ) 损伤允许设计该准则是损伤安全设计的改进，它假定裂纹是存在 的由加工过程或疲劳引起。用断裂力学的分析和实验方法鉴定这些裂纹是否在定期 检查被查出以前将扩展到足够大，以致造成破坏。这个准则适用于裂纹扩展较慢、并有 高断裂韧性的材料，例如，它不能用于超高强度钢，因为这种钢裂纹扩展很快。 2 3 材料的卜曲线及疲劳极限图 疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度， 甚至低于其屈服强度。机件疲劳失效前的工作时间称为疲劳寿命，疲劳断裂寿命随循环 应力不同而改变。应力高，寿命短；应力低，寿命长。当应力低于材料的疲劳强度时， 寿命可无限长。这种规律可用疲劳曲线描述。 材料的s 一曲线是描述疲劳实验试样所受应力或应变，与循环次数关系的曲 2 金属疲劳的强度理论 线。一般规定：钢试样若经过1 0 7 次循环仍不破坏，就认为它可以承受无限次循环。在 s 一曲线上，小于1 0 7 次循环仍不破坏，就认为它可以承受有限次循环。在s 一曲线 上，小于1 0 7 次循环的点所对应的最大应力，称为材料在该循环下的“条件疲劳极限”。 如图2 2 所示为绘于双对数坐标上的s 一曲线，它可以近似地看作由两条直线组 成。一条是斜直线，一条是平行于横坐标轴的直线。两直线的交点的横坐标用n 表 示，称为“循环基数”。钢的n 约为1 07 。两直线的交点的纵坐标就是疲劳极限s 一。按 s 一，进行的疲劳强度设计，称为无限寿命设计。s 一曲线的斜线部分的方程式为 s ，i = c ，式中的m 和c 是材料常数。斜线上任点的坐标为( m ，s ，) ，规定一个m 后， 就有对应的一个s i 值，这个s i 值称为m 时的“条件疲劳极限”。按条件疲劳极限进行的 疲劳强度设计，称为有限寿命设计、即安全寿命设计【2 4 2 5 ，2 酬。也就是说，图2 2 中。右 边的区域为无限寿命设计区域，n 左边的区域为有限寿命设计区域。 n on 图2 - 2 双对数坐标下的p 叫曲线 决定疲劳强度的主要因素是应力幅，但平均应力影响也不容忽视。对于拉伸平均应 力的影响，许多学者提出了多种极限应力线，如图2 3 所示。疲劳极限之内的点a 为无 限寿命；疲劳极限之外的点b 为有限寿命；曲线上的点c 为临界点；曲线上的点c 、 e 、f 为等寿命点。其中谢联先折线( 线) ，m o r r o r 直线( 线) 与实验数据较符合，近代疲 劳设计中使用的较多【2 3 】。g o o d m a n 直线( 线) 适于脆性金属，对延性金属偏保守。工程 中使用较多的是g o o d m a n 直线和谢联先折线【1 6 , 1 7 , 1 8 1 。 】一m o r r o 吼 c r _ 1 o r b c r f o r = 图2 3 疲劳极限线图 9 东北林业火学硕士学位论文 2 4 常用的抗疲劳设计方法 现在广泛使用的抗疲劳设计方法有以下几种：名义应力法、局部应力法、损伤容限 法、概率疲劳设计。 名义应力法以名义应力为基本设计参数的抗疲劳设计法称为名义应力法，是最早 使用的抗疲劳方法，也称为常规疲劳设计或影响系数法。从目前来看对于高周疲劳设 计，仍以名义应力法为佳。其设计思路是：从材料的s 一曲线出发，再考虑各种影响 系数的影h 向，得出零构件的s 一曲线，并根据零构件的s 一曲线进行抗疲劳设计。当 使用s 一曲线的水平段疲劳极限进行设计时称为无限疲劳寿命设计。当使用s 一 曲线的倾斜部分进行抗疲劳设计时称为名义应力有限寿命设计【删。 局部应力应变法局部应力应变法的设计思路是，零部件的疲劳破坏都是从应力集 中的部位的最大应力处开始，并且在裂纹萌生以前都要产生一定的局部塑性变形，局部 塑性变形是裂纹产生和扩展的先决条件。因此，决定零部件疲劳强度和寿命的是应力应 变集中延拓最大局部应力应变【2 1 , 2 2 1 。 在机械强度设计中，先由静强度计算定出零部件的初步尺寸。在此基础上，一般对 几个应力最高的危险部位或截面，进行疲劳强度校核计算。计算得到的安全系数，l ，应 等于或大于许用安全系数l ，li ，即强度判据为，z l ，zl 。 构件的弯曲安全系数n 。、扭转安全系数，l ， 2 磊t _ i i ( 2 - 1 ) 式中 s 一，f 一，对称循环的持久极限 k ， 。有效应力集中系数s k p 。，e ，尺寸系数 口表面质量系数 s 。，t 。应力幅 s 。，t m 平均应力 = 学佣= 警t 。沼2 ， so | z o | z 工作安全系数，l 。 = 普n s t n ) ( 2 - 3 ) 、n j 十玎t 式中以为规定的安全系数。 衣 = j 以 2 金属疲劳的强度理论 2 5 疲劳寿命估算 2 5 1 等应力幅情况下的寿命估算 对于等应力幅情况下的寿命估算是依据材料的s 一曲线或零件本身实验所得的 s 一曲线来确定寿命。用材料的s 一曲线进行计算时，首先要找出零件的危险点，这 可以用有限元法或实验应力分析方法，对于几何形状简单的零件，也可以用材料力学方 法。危险点可以确定一个或多个。再根据载荷的变化，求出危险点的应力幅吼。考虑了 危险点的应力集中系数、尺寸系数和表面系数后，从材料的s 一曲线上，求得对应于 水平为吒的断裂循环数，这就是所求的寿命【2 7 1 。如果是用零件实验得到的s 一 e d 曲线，则由于零件本身己经包括了应力集中、尺寸大小和表面状况等因素，所以不必对 应力幅吼再进行修正，可以按零件的s 一曲线直接由应力水平g r 。求得断裂时的循环 数。 2 5 2 变应力幅情况下的寿命估算 受变幅循环应力作用的零件，当载荷谱中有一部分应力水平超过疲劳极限时，应按 疲劳累积损伤理论进行寿命估算。常用的是迈因纳( m i n e r ) 定律【1 9 1 ，即 v 旦：1 ( 2 4 ) n i 令总寿命为，则；击+ 专，所以有 ：三一( 2 - 5 ) y 三生 n t n 式中的生n 等于第i 个应力水平下的循环数与工作总循环数( 即一营, 寿i i ) z i i ，且有下面的 关系 x 生；生+ 垒+ ：1 ( 2 6 ) n nn 而比值生n 可由载荷谱求得。m 是应力水平s i 下的破坏循环数，可以由s 一曲线得到。 2 6 金属零件疲劳分析的基本理论 作用在零件上的载荷可以是一次或多次作用的静载荷，其相应的强度为静强度。但 在大多数情况下，汽车零件所受到的是间断的或连续作用的变载荷以及随机变化的不稳 定载荷，它们都是随机变量时间的函数：零件及材料的疲劳强度和疲劳寿命就与这些载 荷状况有着密切的关系。一般说来，随着时间的增加，强度分布的平均值就不断下降， 东北林业火学硕二l ：学位论文 其离散范ml i i 有所扩大。对于钢材一直要降到一个持久极限时为止，而对于一些有色金 属则无明显的持久极限i l 引。图2 4 所示为在给定条件下由载荷作用产生的应力与在载荷 作用下发生破坏的循环次数二者之间的关系曲线。其中曲线1 为有确定的持久极限，而 曲线2 则为无确定的持久极限，这些曲线均表示实验数据的平均值，通常以对数坐标画 出。这样，在一定范围内可以近似地用直线来表示，我们常称它为s 一曲线。这里s 表示强度的应力幅值，表示在相应的等幅载荷作用下发生破坏的期望循环次数。 塘s 应力 培 图2 4 作用力与疲劳破坏循环次数关系曲线 大多数汽车零件，尤其是承受周期性或非周期性变载荷作用的汽车零件，它们的失 效形式主要是疲劳破坏。所谓疲劳，就是由于载荷重复作用而导致零件材料内部的损伤 累积过程。一般说来，可将整个疲劳过程划分为两个阶段，即裂纹产生阶段和裂纹扩展 阶段。各种预测疲劳寿命的理论彼此间的差别，也在于对上述两阶段的处理上有所不 同。材料的疲劳破坏，按其受循环应力幅和次数的影响程度大致可划分为以下三类： ( 1 ) 对于n 1 0 3 - - - 1 0 5 次的高应力范围，破坏特征表现为晶体严重破碎并丧失方向 性，同时出现硬化现象。在这段范围内，主要是以消耗材料塑性为主的累积损伤，故经 常称为低周疲劳或应变疲劳。 ( 2 ) 对于1 0 5 n 1 0 7 次的所谓“安全 应力范围，在此范围内出现大片的分布滑移， 但既无硬化现象，也没有显着的毛孔或微裂纹结构出现。这时材料所能经受而不再发生 破坏的重复应力值，也就是所谓材料的疲劳极限。因此，对于零件的寿命来说，理论上 可以认为是无限寿命。而在前两种情况下，则都是有限寿命【1 训。 疲劳损伤经历了裂纹的形成和扩展两个阶段。初期形成的微细裂纹，用肉眼不可能 察觉，即使用x 光或超声波探伤也难探明。这些微细裂纹的成因，可能是由材料内部的 微观缺陷所引起，也可能是由于设计、制造2 n - r 上的外部原因所引起。例如表面上有切 口、截面处有突变以及有键槽或孔眼等，它们都是促进裂纹形成和扩展的根源。当裂纹 一旦进入扩展阶段，应力集中现象的作用加剧，裂纹的扩展更趋迅速【2 8 1 。这样，零件的 强度就越来越降低，直至最后发生突然性的疲劳断裂。所以这种疲劳断裂的零件，在其 2 金属疲劳的强度理论 断裂截面上一般具有两种不同形式的盒属组织，一种是由于裂纹扩展、内部组织不断反 复滑移所形成的光滑面，另一种是与铸铁受拉破断相似的脆断面。 由于疲劳破坏是突然发生( 致命性失效) ，故对于一些主要零件，更会造成严重后 果，因此要尽可能利用探伤设备，在裂纹扩展到可检尺寸的时候能够及时地发现并加以 控制或进行更换。 2 7 本章小结 本章阐述了有关金属疲劳问题的基本概念，常用的抗疲劳设计方法，以及疲劳累积 损伤理沦，最后说明了常规疲劳强度设计和疲劳寿命的估算的方法。 东北林业人学硕_ j ：学位论文 3 发动机支架的有限元分析 通常人们通过分析计算或实验方法来确定机械零件的强度。传统的汽车零件实验周 期长、能耗高、设备投资大、实验费用昂贵，远不能满足汽车工业发展对汽车零件实验 高效率和高精度的要求。因此，对于产品的c a e 仿真分析方法越来越受到产品设计人 员的关注，它正是解决这个问题的利器。一般情况下，c a e 仿真主要完成工作包括：发 现设计缺陷、减少重量、增加强度、优化零部件尺寸、优化性能、选择恰当材料、检查 安全要素。 根据发动机支架的工作要求进行仿真分析，对其设计结果的性能校验需要采用科学 分析方法予以解决，本文对发动机支架的结构进行了静力分析、动力分析以及疲劳分 析，应用了较多的有限元法。 3 1 有限元理论基础 有限元法的基本思想早在2 0 世纪4 0 年代就已出现，1 9 4 3 年c o u r a n t 【2 9 l 首先提出将 一个连续求解域剖分成有限个分片连续的小区域的组合，即离散化的概念。到1 9 6 4 年，c l o u 曲首次提出“有限元法 这一名词【3 0 ，3 1 】。从此，有限元法作为一种强有力的数 值计算方法，伴随着电子计算机的广泛应用和发展，开始在科学技术领域发挥其巨大的 功效【3 2 】。 近4 0 年来，由于众多学者的不懈努力，加之计算机技术的突飞猛进，有限元方法 也得到不断的发展，除了协调单元法外，又发展了非协调单元法及杂交单元法等应用领 域也得以迅速扩展。就固体力学而言，有限元法的应用已由平面问题扩展到空间问题、 板壳问题，由线性问题扩展到非线性问题，由静力平衡问题扩展到动态问题、稳定性问 题和波动问题，由弹性力学问题扩展到塑性力学问题，由应力分析扩展到断裂韧性计 算：分析的对象从线弹性材料扩展到塑性材料、粘弹性材料和复合材料。由固体力学扩 展到流体力学、传热学以及电磁场等；还可以进行流固耦合、蠕变及热冲击的分析与计 算等。有限元在工程设计中的作用也十分显着，从过去传统的分析、校核设计模式发展 为计算机辅助的静、动态优化设计。本文对于发动机支架分析而言，仅仅在弹性力学问 题范围内，就固体力学的空间线性问题进行结构强度分析。 有限元法是一种很有效的数值计算方法，它能对工程实际中几何形状不规则，载荷 和支承情况复杂的各种结构进行变形计算，应力分析和动态特性分析，这是经典的弹性 力学方法所不及的。有限元法的基本思想是把一个连续的弹性体化分成有限多个彼此只 在有限个节点处相互连接的、有限大小的单元组合体来研究。也就是用一个离散结构来 代替原来的结构，作为真实结构的近似力学模型。以后所有的分析计算就在这个离散的 结构上进行。有限元法之所以能够解结构任意复杂的问题，并且计算结果可靠、精度 高，其中原因之一在于它有丰富的单元库，能够适应于各种结构的简化。对于结构分析 3 发动机支架的有限兀分析 而言，常见的单元类型包括梁单元、板单元、曲壳单元、管单元、弹簧单元、质量单元 等，从而使我们能够非常方便地用有限元模型来描述分析对象。 由弹性力学知识，对任意弹性微元的应力如图3 1 所示，可知其平衡的条件是： ye ：o 、yf ；o 和ye ：o 。根据这三个关系可以建立微元内部的平衡方程： 二二一 孥+ 孥+ 孥+ 民：o a xa va z ” 誓+ 鲁+ 誓+ 铲oa xa v a z 3 冬+ 孥+ 冬+ 死：o 缸a y a z 其中既、和既是微元三个方向的体积力。 。7 名 ， ( 3 1 ) 图3 - 1 作弹性微兀的应力 在弹性力学中证明了，如果己知物体中某点处得6 个应变分量，就可以求得经过该 点得任一微线段的正应变和经过该点的任意两个微线段之间夹角得改变。通过这6 个应 变分量和3 个位移分量之间的关系则可以建立其6 个表述应变和位置关系的方程，称为 几何方程。具体的推导过程以微元在x o y 平面上的投影来阐述。设p a b c 是微元变形 前的投影，p ，a b ，c 是变形后的投影。设p ( x ，y z ) 点的位移分量为u ( x ，y z ) 和v ( x ，y z ) ，则 在p 点附近的a ( x + d x ，y z ) 点的位移分量为“+ 罢出和v + 罢出，b ( x ，y + d y ，z ) 点的位移分 o xo x 量为h + 警d y 和v + 警d y 。根据应变分量的定义可得： 东北林业人学颂i ：学位论文 ：业：陵耋尘竺二! ! 匕；塑 。 出 出靓( 咖) ，2芦2；塑( 3 2 )= 一1 - z ，砂舞+ 南寺詈 ，= k 一肛b ，+ 吼沙e ，=b，一(q+q)je ：= b ：一h + 盯，沙 (34)g = e 2 ( 1 + 肛) ( 3 5 ) 3 发动机支架的有限元分析 求应变分量，再由几何方程求位移分量。由于几何方程数目多于未知位移分量数目，故 此解法中，仅当应变分量间满足一定的关系( 这种关系称为相容方程或变形连续条件) 时，才能求得单值连续的位移解。( 2 ) 位移法，这是以弹性体内点的位移分量作为基本 未知量的方法。求得位移分量后，用几何方程求应变分量，再由物理方程求应变分量。 目前有限元法大多采用位移解法。 3 2 有限元分析软件的选择 目前有限元理论经历近半个世纪的发展，其理论研究及工程应用都已经相当成熟 了。伴随有限元理论和计算机技术的飞速发展，基于有限元理论的大型通用的有限元分 析软件现在也相当的成熟了。在航空、航天、土木、桥梁、机械、材料等各个行业都已 经有很多成功的应用了。基于此，本文研究中采用的分析工具是通用的有限元分析软件 a n s y s 。 图3 2a n s y s 软什分析的基本流程 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，以有限元分析为基 础的大型通用q 垣软件，已广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航 天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电等一般工业及科学研究。软件 主要包括3 个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个 强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括 东北林业大学硕士学位论文 结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁 场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析：a n s y s 的后处理模块功能极 强，结果图形显示可以使用户直观地判断计算结果和原始设计的合理性。a n s y s 典型 的结果图有：整体结构等值图、矢量显示图、截面显示图、与时间或历程相关的结果随 时间或历程变化的曲线、结果沿模型中一条曲线的分布( 路径) 等。 本文采用的是a n s y s 有限元分析软件包。该软件拥有丰富和完善的单元库、材料 模型库和求解器，保证它能够高效地求解各类工程问题，如：结构静力、动力、线性和 非线性问题、电磁场问题、流体问题和热传导问题等。利用该软件进行有限元分析的流 程为：建立模型、划分网格、施加载荷和约束、问题求解、结果后处理。 a n s y s 软件分析的基本流程如图3 2 所示。 3 3 发动机支架的有限元静力分析 a n s y s 软件中结构静力分析用来分析由于稳态外载荷引起的系统或部件的位移、 应力、应变和力。静力分析很适合于求解惯性及阻尼的时间相关作用对结构相应的影响 并不显著的问题。静力分析能够分析稳定的惯性力( 如重力和旋转件所受的离心力) 和 能够被等效为静载荷的随时间变化的载荷( 如风力和地震引起的等效静载荷) 作用下结 构响应的问题。这种分析类型有很广泛的应用，如确定结构的应力集中程度，或预测结 构中由温度引起的应力等。本文主要对发动机支架进行有限元静力分析，来确定其静态 强度。该零件的各项性能均符合行业标准m s 8 1 2 0 2 5 、m s 8 1 2 0 2 1 、e s x 5 5 8 1 9 。 3 3 1 发动机支架三维模型的建立