（材料加工工程专业论文）螺栓连接镁车架的有限元分析与结构优化.pdf

中文摘要 摘要 镁合金电动自行车架经过初步的结构设计，具备轻量化、节能、环保等优点； 但是，由于原有镁合金电动自行车架鞍座部分拟用压铸工艺成型，而鞍座部分结 构十分复杂，将造成铸造模具设计难度大、抽芯装置过多、模具成本高、废料率 高等缺点；因此，需对鞍座部分进行结构改进设计，并考虑两部分鞍座用螺栓连 接的方式联结。 本课题与四川某公司合作，对本课题组原有镁合金电动自行车架进行结构优 化，为车架的具体产品成型打下基础。 于是，按照相关强度、疲劳设计准则，对原镁合金电动自行车架进行改进设 计，并创造性的将螺栓连接应用于镁合金连接，完成了优化改进后的镁合金电动 自行车架的三维结构设计；然后，根据电动自行车架的服役力学模型，在充分考 虑螺栓与镁车架之间接触的基础上，建立了新型镁车架的有限元模型并完成有限 元分析；完成了新镁车架的静力分析、模态分析和疲劳分析，其中在静力分析部 分，着重探讨了螺栓预紧力对车架和螺杆应力结果的影响；完成了空载下的模态 分析和预应力情况下模态分析；尤其是疲劳分析部分对不锈钢螺栓与镁车架之间 由于接触导致的疲劳寿命的变化，做了较为细致的计算分析。 本论文的主要结论有： 根据原镁合金电动自行车架的结构，利用p r o e 三维建模软件建立了新型 带螺栓连接的三维车架模型，车架主体材料为镁合金，螺栓材料选用不锈钢； 根据电动自行车架的服役工况和国家标准，建立了新型镁车架的服役力学 模型，并充分考虑镁车架与螺栓之间的接触关系，利用a n s y sw o r k b e n c h 有限元 软件和校核标准分析了车架静载工况。计算结果表明：螺栓杆直径为7 m m ，且螺 栓预紧力在5 0 0 0 n 以下时，镁车架和螺栓连接结构区域的静强度结果符合要求； 利用a n s y sw o r k b e n c h 有限元分析软件，根据新型镁车架的服役力学模 型进行了模态分析。分析结果表明：预应力模态最低阶固有频率为9 6 5 赫兹，远 高于电动车正常服役时动态激振频率，表明镁车架正常服役时不会引起共振，能 保证驾驶的舒适性； 综合运用a n s y sw o r k b e n c h 、a n s y s f e s a f e 、a n s y s 有限元软件，对 新型螺栓结构镁车架进行了疲劳计算。疲劳结果表明：车架总体疲劳寿命大于 1 0 0 0 0 0 次，符合国家标准； 建立了六组不同情况下的螺栓接头形式，并通过盐水浸泡试验验证各接头 重庆大学硕士学位论文 的腐蚀特性，并区别讨论了不同接头形式下的腐蚀结果。 关键词：镁车架，螺栓连接，接触，疲劳分析，有限元法 i i a bs t r a c t a r e rt l l ep r e l i m i n a r ys t r u c t u r ed e s i g no fm a g n e s i u ma l l o ye l e c t r i cb i c y c l e 胁m e ，i t h a sl i 出w e i g h t ，e n e r g ys a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n do t h e ra d v 螂e s ； h o w e v e r b e c 吡s et h eo r i g i n a lm a g n e s i u ma l l o ye l e c t r i cb i c y c l es a d d l ep a r ti n t e n d s t o u s ec a s 血gm o l d i n gp r o c e s s ，a n dt h es a d d l ep a r ts 觚c t u r ei sv e r yc o m p l e x ，w i l i c a u s e 恤c 枷n gm o u l dl a r g ed i f f i c u l t yo fd e s i g n ，c o r ep u l l i n gd e v i c e ，h i g hc o s t ，h i g hm 锄y d i es c r a pr a t e ；t h e r e f o r e ，t h e r ei sr e q u i r e di m p r o v e m e n td e s i g n f o rt h es a d d l ep a n s 打u c t u 】旧，a n dt a k i n gt h e t w op a r ts a d d l eb o l tc o n n e c t i o nw a y c o n n e c t i o n t h i st o p i ci s c o o p e r a t e d w i t hs i c h u a nl i g h t - m e t a lm a g n e s i u mt e c h n o l o g y c o , l t d h a v es 仃u c n 玳o p t i m i z a t i o no nt h eo r i g i n a lm a g n e s i u ma l l o y e l e c t r i cb l c y c l e f r a m e ，a n df o u n d a t e do ff r a m ec o n c r e t ep r o d u c t sf o r m i n g t h e n i na c c o r d a n c ew i t ht h er e l e v a n ts t r e n g t h ，f a t i g u ed e s i g nc r i t e r i a ，i m p r o v e d e s i g nt h eo r i g i n a lm a g n e s i u ma l l o ye l e c t r i cb i c y c l ef r a m e ，a n dc r e a t i v i t y u s et h eb o i t s o nm a g i l e s i u ma l l o yc o n n e c t i o n ， c o m p l e t e d t h e i m p r o v e d s t r u c t u r ed e s i g no r - o p t i “z a t i o nm a g n e s i u ma l l o ye l e c t r i cb i c y c l ef r a m e ；t h e n ，a c c o r d i n gt ot h e e l e c t r i c b i c y c l ef r a m es e r v i c em e c h a n i c a lm o d e l ，b a s e d o nt a k i n gf u l la c c o u n to ft h ec o n t a c t b e t v 旧e nb 0 1 ta n dm a g n e s i u mf 蟊a m e ，e s t a b l i s h e dm a g n e s i u mf r a m ef i n i t ee l e m e n t m o d e i a 1 1 df i n i s he l e m e n ta n a l y s i s ；c o m p l e t e d s t a t i ca n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i sa n df a t i g u e a r l a l v s i so ft h en e wm a g n e s i u mf r a m e ，w h i c hi nt h es t a t i ca n a l y s i s ，f o c u s e so nt h eb o l t p r e t e n s i o ne f l e e to ft h ef r a m ea n ds t r e s sr e s u l t s ；c o m p l e t e di d l e m o d ea n a l y s i sa n d p r e s t r e s s e dm o d a la n a l y s i s ；e s p e c i a l l y , m a d e am o r ed e t a i l e da n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nm t h ef a t i g u ea n a l y s i sw i t ht h ef a t i g u el i f ec h a n g e sd u et ot h ec o n t a c t b e t w e e ns t a l ni e s s s t e e lb o l ta n dm a g n e s i u mf l a m e t h em a i nc o n c l u s i o no ft h i sp a p e rh a s ： b a s e dt h eo r i g i n a lm a g n e s i u ma l l o ye l e c t r i cb i c y c l ef r a m es 缸u c t u r e ，u s i n g p r o et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r ee s t a b l i s h t h en e wf r a m em o d e lw i t ht h e b o h sc o n n e c t i l l gs t r u c t u r e ，af r a m eb o d y m a t e r i a li sm a g n e s i u ma l l o y , b o l tm a t e r i a li s s t a i n l e s ss t e e l ； a c c o r d i n g t ot h es e r v i c ec o n d i t i o no fe l e c t r i cb i c y c l ef r a m ea n dt h e n a t i o n a l s 1 【a 皿d a r d e s t a b l i s hs e r v i c em e c h a n i c a lm o d e lo f t h en e ws 仃u c t u r em a g n e s i u mf r a m e ，a i l dm 1 1 yc o n s i d e rt h ec o n t a c tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a g n e s i u mf r a m e a n db o l t ， a n a l y s i sf r a m es t a t i cl o a d i n gb y t h eu s i n gt h ef m i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s i i i 重庆大学硕士学位论文 w o r k b e n c ha n dc h e c k i n gs t a n d a r d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：w h e nt h eb o l t s c r e wd i a m e t e ri s7 m m a n dt h eb o l tp r e t e n s i o ni su n d e r5 0 0 0 n ，t h es t a t i cr e s u l t so f m a g n e s i u mf r a m ea n db o l tc o n n e c t i n gs t r u c t u r er e g i o n a lm e e tt h er e q u i r e m e n t s ； b a s e do nt h en o v e lm a g n e s i u mf r a m es e r v i c em e c h a n i c sm o d e l ，t a k et h em o d a l a n a l y s i sb yu s i n g a n s y sw o r k b e n c hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n a l y s i sr e s u l t s i n d i c a t e ：t h em i n i m u mo r d e rn a t u r a lf r e q u e n c yi s9 6 5h zb yp r e - s t r e s s e dm o d a l a n a l y s i s ，f a rh i g h e rt h a nt h en o r m a ls e r v i c eo fe l e c t r i cb i c y c l ed y n a m i c v i b r a t i o n f r e q u e n c y ，s u g g e s t i n gt h a tm a g n e s i u mf r a m es e r v i c ed o e s n o tc a u s er e s o n a n c e ，c a n g u a r a n t e et h ed r i v i n gc o m f o r t ； t h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no f a n s y sw o r k b e n c h ，a n s y s f e - s a f e ， a n s y st - m i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，f i n i s ht h ef a t i g u ec a l c u l a t i o no ft h en e w b o l t - c o n n e c t m a g n e s i u mf r a m es t r u c t u r em o d e l t h er e s u l t ss h o w t h a t ：t h eo v e r a l lf r a m ef a t i g u el i f e i sm o r et h a n10 0 0 0 0t i m e s i nl i n e 、肮mn a t i o n a ls t a n d a r d s t h es i xg r o u pw a se s t a b l i s h e du n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n so fb o l tj o i n tf o r m ， a n dt e s tv a l i d a t i o no fe a c hj o i n tc o r r o s i o np r o p e r t i e sb ys a l ts o l u t i o ni m m e r s i o n ，a n d d i s c u s s e st h er e s u l to fd i f f e r e n c eb e t w e e nd i f f e r e n tj o i n tf o r m so fc o r r o s i o n k e y w o r d s ：m a g n e s i u mf r a m e ，b o l tc o n n e c t i o n ，c o n t a c t ，f a t i g u ea n a l y s i s ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d i v 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 “十二五”时期，我国仍处于大有作为的重要战略机遇期。随着经济的飞速 发展，能源与资源问题日益严峻；而工业化、城镇化的发展对能源与资源的需求 持续刚性递增，如何解决当下能源与资源的短缺已刻不容缓l l j 。 国务院在2 0 11 年8 月发布的节能减排综合方案，方案要求到2 0 1 5 年每万元 g d p 能耗比2 0 1 0 年的万元g d p 能耗下降1 6 ，比2 0 0 5 年的1 下降3 2 ：“方案 第十九条还提到构建新型交通运输体系，改进交通运输结构。在当前提倡节能减 排大环境下，如何降低交通工具的能耗己成为社会关注的焦点。据统计，降低车 身自重可以明显提高车身加速性，并降低油耗，如果车身自重减轻1 0 ，则油耗 可降低8 ；在可以预见的时间内，减轻交通工具的自重都是相关研究者的热门课 题。 近年来，随着国民经济的高速发展，我国同样面临传统金属矿产资源短缺问 题，铁、铝、铜、锌等资源日趋紧张，相关矿产品进口量持续增长。据2 0 0 5 年中 国工程院出版的“我国富有资源镁及镁合金发展战略研究报告书”【2 】估计，全球已 探明的铝和铁资源可采储量保障年限仅为1 0 0 余年，铜、锌则不足百年。我国近年 来铁矿和铝土矿的严重短缺正是全球金属矿产资源日趋枯竭的一个缩影。以铝合 金为例，据有关专家预测，随着铝工业投资升温和铝矿开发利用规模扩大，我国 能够维持开采的铝土资源的基础储量已经不至l j l 0 年的时间，2 0 1 1 年1 1 月份，中国铝 土矿进口量为4 5 9 4 4 万吨，创下去年单月进口新高，同比增长7 8 4 2 ；1 1 1 月累 计进e 1 4 0 3 1 8 5 万吨，同比增长5 0 0 9 【3 j 。总之，我国金属矿产资源短缺问题已经 日益凸显并趋于严重，必将会影响我国国民经济的可持续发展和正常平稳运行， 因此必需找到一个可行的解决办法。 在这样的背景下，人们已经把目光投向了丰富的镁资源。镁是地球上储量最 丰富的元素之一，约占地壳质量的2 3 5 ；此外，镁在盐湖及海洋等水溶矿藏中的 蕴藏量也极其丰富( 如：每吨海水中含镁量约为1 3 公斤，粗略估计海水中镁的含 量约有2 1 x 1 0 1 5 吨) 。按照目前人类对镁资源需求的增长速度，预计镁资源可供开 采近千年。因此，合理利用镁资源、开发具有实用价值的镁金属材料是解决当前 资源短缺的可行和有效的举措，也是保障人类文明可持续发展的重要措施之一【4 】。 而且，我国的镁矿资源极其丰富，可利用储量约为世界总量的7 0 ，位居世 界第一。已探明菱镁矿资源总量为3 1 4 5 亿吨( 约占世界储量的2 2 5 ) 、白云石4 0 亿吨、蛇纹石3 0 亿吨、青海柴达木盆地的3 3 个盐湖镁盐储量为4 7 5 亿吨，且储 重庆大学硕士学位论文 存形式多为易于开采的高纯度氯化镁吲。因此，发展和应用镁金属材料对我国材料 产业和国民经济的健康持续发展具有特别重大的意义。 1 2 镁合金的性能特点 过去，由于技术和价格的双重障碍，镁主要作为铝合金生产、炼钢脱硫、金 属还原等领域的辅料，除在航空航天和军事等特殊领域外，较少直接作为结构材 料使用；随着上述两大障碍的解决，金属镁材料开始进入民用结构材料领域。作 为结构材料使用时，金属镁材料( 主要是镁合金) 不仅具有如前所述的资源优势， 而且还具有独特的性能优势。 纯镁的力学性能较低，一般不能在工程上直接使用。向镁中加入a 1 、z n 、m n 、 z r 等合金元素后，性能会得到大幅度提高，成为目前最轻的商用结构材料。一般 而言，镁合金具有以下的特点【4 j ： 轻质。由于加入合金元素，常用镁合金的密度大多比纯镁( 1 7 4 9 c m 3 ) 稍 高( m g l i 合金例外，密度比纯镁低，甚至可以低于水的密度) ，一般在1 7 5 1 8 5 9 c m 3 之间，目前在商用金属结构材料中最轻，约为普通铝合金的2 3 、钢铁的 1 4 。 比性能高。所谓比性能就是材料的某种性能值与其密度之比。与常用塑料、 铝合金及钢铁比，镁合金的比强度和比刚度更高( 如下表1 1 所示) ，因此在等强 度和等刚度设计时，镁合金构件更轻，有利于结构轻量化。 表1 1 镁合金与其它结构材料的性能比较 t a b l e l 1t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nm a g n e s i u ma l l o ya n do t h e rm a t e r i a l s 减振吸噪性能突出。镁合金的阻尼系数大，对振动能量的吸收性能好，有 利于降低结构在运行时的振动和噪音、提高产品的使用性能和舒适度，这也是镁 合金被广泛开发应用于交通领域产品上的原因之一。 电磁波屏蔽性好。镁合金是非磁性金属，在3 c 产品和电子工业中用镁合 金替代塑料具有独特的优势。 2 1 绪论 铸造工艺性能优良。多数铸造镁合金的铸造性能良好，压铸件的最小壁厚 可达0 6 m m ( 铝合金为1 2 , - - , 1 5 m m ) 。镁合金的结晶潜热也比铝小，凝固快，生产 成品率比压铸铝件高出4 0 一- 5 0 ，最高可达两倍；镁的熔化浇注温度低( 7 0 0 。c 左 右) ，与铁基模具壁的反应率小，对压铸模的侵蚀小；压铸模使用次数通常可维持 在2 0 万次以上，比铝合金压铸模使用寿命高2 - - - 3 倍。因此，目前9 0 以上的镁 合金件都是压铸件。 机加工性能好。镁合金比其他常用金属的切削阻力小，对刀具的消耗很低， 切削功率很小。 传热性好。镁合金导热系数与铝合金和相比，小于铝合金，但大大高于塑 料。另外，与塑料不同的是，镁合金受到摩擦时，表面不会产生火花，是一个独 特的优点。 易于再生利用。镁合金可以简单地再生且不降低其原有机械性能，对节能、 环保非常有利。 由于镁合金具有众多的性能优点，近年来，镁合金在交通工具、3 c 电子产品、 手持工具、航空航天、医疗康复器械和兵器等领域使用，已取得较多成果。镁合 金的应用有利于实现结构轻量化、节能和减振降噪，因此被誉为“2 1 世纪的绿色 金属材料”。 1 3 镁合金在电动自行车上的应用 1 3 1 电动自行车的发展现状与趋势 通常来讲，电动自行车从自行车演变而来，在车辆上装置蓄电池、锂电池等 辅助电能，实现骑行与电动功能相统一的特种自行车【5 】，它在普通自行车( 或助力 摩托车) 的基础上，安装机电一体化的设备，作为普及率较高的个人交通工具， 具有零排放、低噪声、低能耗、低使用费的优点，还较为安全易骑，符合节能、 环保的发展潮流。 日前，国家公安部等四部委联合发文，出于交通安全管理等原因对电动自行 车产业提出了整改要求，要求车身重量低于4 0 千克，行驶时速度不超过2 0 公里 每小时，对于超过该准则的电动车辆禁止上路。由此可见，减轻电动车车身重量 亟待解决，因而突显了镁合金零部件的良好市场前景。目前我国自行车( 含电动 自行车) 的年产量已突破亿辆，如果每辆使用镁合金件3 “件，则年需求量将达 到3 6 亿件，市场巨大。 将镁合金应用于电动自行车，主要可以采取镁合金的部件有：轮毂、车架、 脚踏板等，一些国外的知名自行车厂商均已生产合格的镁合金部件 6 】；一家俄罗斯 的公司在2 0 0 2 年之前就已经实现1 3 k g 车架的批量生产，世界三大自行车厂商各 重庆大学硕士学位论文 自均有自己的镁合金车架【7 】。 我国是一个自行车普及率较高的国家，在东部平原地区，电动自行车的大众 化率更高；电动自行车比自行车速度更快，而能耗并不高，且有轻便的优势。所 以，如何进一步降低电动自行车自重，成为本行业实现节能减排的主要考虑方向。 电动自行车架是电动自行车的主要构件，实现车架轻量化，就能达到降低电动自 行车自重的目的。目前，国内外主要通过两种方式来减轻车架重量。在原有车 架基础上，结合有限元法结构分析方法改进车架结构，减少材料使用以达到减重 的目的；运用新材料替代原钢质或铝制车架，诸如新型镁合金等金属材料，以 达到减重的目的。也可以将两者结合，最大限度的实现电动白行车的轻量化。 在自行车企业追求产品轻量化的过程中，镁合金因为其出众的比强度和比刚 度而逐渐受到生产厂家和消费者的青睐r7 1 ，如前所述，镁合金应用于电动自行车车 架具有众多优势。 1 3 2 镁合金连接技术 镁合金可用所有常用的方法连接。大多数镁合金可方便的采用熔焊工艺，熔 焊主要采用电弧焊工艺，包括钨极气体保护电弧焊及熔化极气体保护电弧焊。值 得一提的是，搅拌摩擦焊工艺适合于镁合金、铝合金等轻合金材料的焊接。由于 焊接特有的组织不均匀性，在受载时焊缝各区域应力区别较大，易于导致应力集 中；二是焊接属于刚性连接，焊接区域脆性较大，存在残余应力，对裂纹十分敏 感；三是焊接结构不能吸收、传递载荷。对于车架结构而言，工况是随即振动且 偶有较大载荷，应用焊接连接优势不明显j 。 应用于镁合金的粘接技术具备一些优点：几乎可以适用于任何形状与尺寸的 镁合金和任何材料之间的连接；粘接可同时连接大面积表面；粘接是应用于要求 高疲劳强度部件的特别好的方法，因为这种方法阻碍了应力集中，而且粘接剂的 弹性模量低，不会像刚性节点那样传递应力。 镁合金的机械连接包括铆接和螺纹连接，铆接可用于承载较小的场合。铆接 连接刚度大、传力可靠；但连接强度较低。 螺纹连接是目前应用很广泛的一种连接方式，由于镁合金化学性能上的敏感 性，是镁合金构件的连接中亟待突破的领域。但螺纹连接连接强度高，对于车架 等处于较大荷载和持续振动的工况下，具备诸多优势：抗剪切性能好、疲劳强度 高、易于拆卸、加工成本较低、报废成本较低。因此，如果能克服镁合金螺纹连 接的腐蚀防护问题，螺纹连接在镁合金车架上的应用具备足够优势。 1 3 3 电动自行车镁合金车架的设计 将镁合金用于电动自行车零部件上，可使整车具有高刚性、高抗震性和高抗 弯曲性。1 9 9 6 年，我国就开始了镁合金车架的研发，但由于种种原因，未能大规 4 1 绪论 模地展开。 本课题组在电动自行车架镁合金替代材料设计上也具有一定的成果，课题来 源于与四川i 某公司的合作，对一款传统钢结构电动自行车车架进行探索性的材料 替代设计，在一系列结构和强度标准下设计出的以鞍座整体铸造为基础的电动自 行车车架，以下是前期的主要结论【9 1 ： 完成镁合金电动白行车架的材料替代结构设计，并结合电动自行车架的服役 力学模型建立了镁合金电动自行车架的有限元模型，根据车架的强度和刚度要求， 对应力应变和疲劳进行了校核。原有结论：车架最大静载应力低于4 0 m p a ，疲劳 寿命1 0 万次以上，刚度满足安全驾驶准则；模态分析结果表明，车架最低固有频 率为1 2 2 4 h z ，远高于电动自行车正常服役时激励频率，不会出现共振；车架总质 量约为1 8 千克，与原钢车架相比减轻了4 公斤。如图，镁合金电动自行车架效果 图及主要尺寸。 一i 图1 1 原镁合金电动自行车车架效果及主要尺寸 f i g 1 1t h eo r i g i n a le l e c t r i cb i c y c l e 仔a m eo fm a g n e s i u ma l l o ya n dm a i nd i m e n s i o n s 图1 2 原车架总体结构图 f i g 1 2t h eo r i g i n a lt o t a ls t r u c t u r eo ff r a m e 图1 3 鞍座部分结构图 f i g 1 3t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fs a d d l ep a r t 从以上结构图尤其是鞍座部分的结构可以看到，鞍座部分的原有设计理念是 重庆大学硕士学位论文 基于压铸工艺。而从鞍座部分的结构可以看到，结构形式复杂，不论是从压铸模 具的设计，还是模具成本，都不利于实施。因此，需对上述鞍座部分作结构改进 设计，以利于后期铸造成型。 1 4 本课题的研究目的和内容 1 4 1 研究目的和意义 从图1 2 、图1 3 可以看出，车架的后半部分( 鞍座) 结构较为复杂，鞍座部 分是基于整体铸造工艺而作的结构设计；从铸造工艺上考虑，在此种结构设计形 式下，鞍座部分的铸造模具将很复杂，含有较多抽芯装置将导致铸造模具庞大， 不符合优化生产工艺降低成本的目的。于是，在这个基础对鞍座部分做结构改进 设计。因此，本课题具备足够的工程意义，对厂家的成本规划、工艺设计以及实 际投产都具有一定的指导意义。 1 4 2 研究内容 首先对本课题原有车架进行改进设计，然后对新设计的车架进行结构分析及 优化：其中对鞍座分体设计后，螺栓连接的考虑尤为重要。 在原有车架基础上，以简洁美观为要求设计分体鞍座，取消原有上加强筋， 对螺栓连接位置、螺栓尺寸大小做出设计。 运用有限元软件对设计的车架结构进行分析，以电动自行车的实际工况和 国家标准为分析准则，建立车架服役力学模型和有限元模型，选定单元类型、划 分网格、选择合适的材料( 螺栓) 、确定边界条件和载荷。 由于螺栓连接处具有复杂的接触关系，在充分考虑接触前提下，对整车车 架进行静力分析、模态分析、疲劳分析，利用有限元软件分析车架整体和螺栓连 接处在典型工况下的应力应变分布，和动态载荷下的服役寿命以及寿命薄弱位置， 对设计的改进提供校核依据，并在此基础上优化螺栓排布和型号大小。 通过盐水侵泡实验方式，验证对比了各种接头形式下的螺栓及其接触面的 腐蚀形貌特征。 6 2 有限元理论在本论文中的应用 2 有限元理论在本论文中的应用 2 1 有限元基本理论 有限元方法乃是近几十年来兴起的一种解决工程和数学物理问题的数值研究 方法。包括结构分析、流体流动、热传导、质量传输和电磁电位等有关的工程和 数学领域内的典型问题均可以采用有限元方法解决。 通常情况下，一般的物理数学问题均可以建立与之相关的数学表达式，通过解 表达式的形式求出该问题的结果，实际上这种方法是精确的结果也最可信。但是， 对于几何形状复杂、荷载的变化较多和材料特性无法用线性规律衡量时，不能很 容易的得到解析的数学结果，甚至都不能建立有效的数学表达式。当然，通过建 立数学表达式并求解得到结果总的来说可靠度非常高，它可以给出物体或者系统 内部任何位置的相关数值，对于无限多个未知量都是可求的。但是为了获得这些 精确的结果，通常要求解常微分方程或偏微分方程，而由于结构的几何形状复杂， 负载的多样性以及材料的非线性，通常很难求解甚至无法求解。有限元方法相比 起来就具有较大优势，因为有限元是建立代数方程组而不是微分方程组，求解的 过程也可以利用电子计算机。有限元求解的就是无数多个离散点的未知量的近似 值，类似于一种估算的无限接近的办法，使计算结果趋向于理论上微分方程或者 偏微分方程组可以求得的解蠢因此有限元分析的过程就是建立等价系统的过程， 这个等价系统由小的基本单元组成，每个单元都和两个或两个以上的单元或节点 互相连接，或者与结构的边界线和表面互连。实际上建立等价系统就是将原本宏 观的结构划分当量无限多个微分单元的过程，这个过程在有限元理论里称之为离 散化。在有限元方法执行时，程序建立每一个有限单元的方程，并依次求解代数 方程的每个单元，并将所有的有限单元的解组合以宏观的解的形式体现出来。如 果有限元方法掌握得足够熟练，这个近似的宏观的解就可以非常接近通过理论微 分方程组求得的精确解，而整个计算过程却不似求解偏微分方程组那么艰难。因 为如此巨大的优势，有限元法自诞生时起就吸引了众多的注意力，并在短短几十 年内迅速发展，目前己在各行各业被广泛使用【1 0 1 。 简言之，通常结构问题的求解通常是求解每个节点的位移和构成承载结构的 每个单元内的应力。从有限元方法仅在过去4 0 年间才成为解决工程问题的实际方 法可以看出，它与现代高速电子数字计算机的发展密切相关。 有限元模拟在一定程度上是一种艺术，是一种对物体发生的物理相互作用的直 观化艺术描述。在模拟时，使用者首先碰到的某些困难任务是：要理解发生的物 理行为，要理解各种可利用的单元的物理特性。选择适当类型的单元使其与问题 7 重庆大学硕士学位论文 的物理行为最接近，是用户必须做出的众多决定之一。理解问题的边界条件有时 也是一件重要的任务。以及确定物体所受载荷的类型、数值和位置也常常是困难 的【1 0 1 。 近十来年，有限元方法已经大量应用于各种问题，既包括结构问题，也包括 非结构问题。这种方法有很多优点，因而变得很普遍。这些优点包括：对于复 杂几何形状的系统，比较容易地模拟不规则形状的结构；克服了载荷类型的多 样化，可以毫无困难地处复杂的载荷条件；由于是逐个的建立的单元方程，因 此在一个系统内添加多种材料，并实现有效的模拟；由于电子计算机的功能越 来越强大，在处理数量众多的约束和载荷时，有限元法显得越来越得心应手； 同样的，根据电子计算机的配置高低，可以选择对应的或大或小的单元，必要时 可使用极小单元；由于与c a d 软件的同时兴起，改变有限元模型变得比较容易， 花费不大；有限元功能的强大，在计算机中可以模拟包括动态作用在内的复杂 真实情况；由于计算时采用多次迭代技术，对解决大变形和非线性材料等带来 的非线性问题变得容易实现。 2 2 有限元分析过程 2 2 1 离散化基础 所谓离散化如前所述，就是将宏观体系细分为多个微小单元的过程，这是应 用有限元法的最重要的环节【1 1 1 。进行离散操作时，应根据模型的实际情况、实际 求解的问题以及计算机配置，选取合适的单元类型、数量、大小以及组合形式。 从而把宏观结构划分成由数量众多的微小单元组成的有限元模型，使得利用位移 模式求得的近似解可以无限接近精确解。通常来讲，在条件允许的情况下，单元 越小求得近似解就越接近通过微分方程求得的理论精确解，但是如果单元太小， 从而数量众多，导致计算量大，超出了计算机的计算能力，也是不可行的。所以， 在一定经验的基础上选择合适的单元是比较明智的。 图2 1 所示为一模型区域的离散化过程【1 2 j ，选择的单元类型为三角形单元。 2 有限元理论在本论文中的应用 图2 1 区域结构及其离散化 f i g 2 1t h es 仃u c n l r ea n dd i s c r e t i z a t i o n 2 2 2 有限元分析的一般步骤 大致分为以下几个主要步骤： 离散化过程，即把连续的体系切割成有限个细小单元( e l e m e n t ) ； 选择单元位移函数，即假设单元内任何一点位移与节点的位移关系以获得 单元应变、应力、应变能参数； 建立刚度矩阵，通过虚位移原理在单元计算中的应用，可以得到单元外力 与单元位移之间的关系，也就是求解单个的代数方程的过程； 将单元刚度矩阵组合以进行模型整体分析，也就将所有单个的代数方程所 求得解进行组合的过程【1 3 】； 单元节点力的计算并整理计算结果，最终将每个单元的有限元解通过上面 组合的过程转化为用户可以识别的宏观的解的过程。 上述步骤，就是大部分有限元分析的全过程，有一些是计算机程序内部运行 的，有一些需要用户的选取和使用。通过上述步骤，就可以完成有限元计算；对 于结构分析，得出部件上所关注部位的应力和应变，并绘制出结构形变图及各种 应力分量、应力组合的等值图。完整的有限元分析可用如下流程图2 2 说明。 9 重庆大学硕士学位论文 图22 有母昆元分析流程 f i g22t h ef l o w c h a r to f f e i v l 2 3 疲劳破坏原理及疲劳分析必要性 新产品上市后往往备受关注，如果在耐久性方面出现问题就会使产品形象打 折，竞争力减弱，阻碍其盈利，给企业带来很大的损失，同时又使企业在未来推 广新产品时蒙受负面形象带来的影响【1 4 1 。在中国，由于疲劳耐久性与可靠性不过 关造成的产品问题更是普遍存在，是国产产品缺乏国际竞争力的最重要因素之一。 在传统的产品设计流程中，设计人员在概念或详细设计阶段也可以采取一些 办法来估算产品的寿命并指导设计，这些估算方法大多不真实，和人的主观判断 性关联很大，而且验证这些估算值通常是通过实施一定量物理样机的耐久试验， 此类耐久试验不但周期长、耗资巨大，而且试验结论还可能受许多偶然因素的影 响，在试验中也不能得出许多相关参数与失效的定量关系。因此，在电子计算机 越来越强大及普及的情况下，设计人员的关注重点已经转移到产品疲劳寿命的仿 真分析方法上i l5 | 。 大量实践表明，在交变应力作用下材料或结构的破坏形式与静载荷作用时有 1 0 2 有限元理论在本论文中的应用 很大不同。在交变应力下，材料或结构的最大应力即使低于屈服极限，但在长期 重复作用的情况下，在某个时刻结构也会突然断裂。即使是塑性较好的材料，在 断裂之前也没有明显出现的宏观塑性变形。这种现象工程上称为疲劳破坏。对疲 劳破坏常见的解释是：由于结构的材料不均匀或形状几何等原因，导致结构在受 外载荷时出现某些局部区域应力特别高。长期交变应力作用放大了这种局部应力 值，并逐步在该应力较高局部区域形成微观裂纹。由于微观裂纹尖端严重的应力 集中，裂纹开始逐步扩展，最后扩展为宏观裂纹。宏观裂纹尖端通常处于三向拉 应力状态，塑性变形不易出现，应力集中也就无法消解。当宏观裂纹扩展到一定 限度时，在某种偶然因素的影响下，便可能导致突然迅速发展，使结构某个截面 强度严重削弱，最后在此严重削弱了的截面发生突然脆性断裂【l6 1 。 2 3 1 疲劳失效及其特点 结构内部永久变化造成损伤的累积过程就是疲劳过程。这种永久性变化是由 于循环塑性变形的作用。如果结构只发生循环弹性变形，则由于弹性变形是可以 复原的，结构将不出现疲劳破坏。疲劳失效的根本原因也就是构件在外载荷下产 生循环塑性变形，这是最基本的概念【r 丌。 疲劳失效与静强度失效有着完全本质的区别。由于零件的危险截面上的应力 大于其抗拉强度导致断裂失效，或大于屈服极限产生过大的残余形变导致失效， 这些情况就是静强度失效；如前所述，疲劳失效是由于在循环应力作用下零件局 部应力最大处形成微裂纹，然后逐渐扩展为宏观裂纹，宏观裂纹再继续扩展而导 致断裂。疲劳失效有如下特点【1 8 】： 低应力性。在循环应力的最大值远低于材料的抗拉强度哪，甚至远低于材 料屈服强度o 。的情况下，疲劳失效都可能发生。 突发性。疲劳失效宏观上均表现为低应力脆断，也就是宏观裂纹截面在最 终失稳断裂前都具有不可察觉性，无论是脆性材料还是塑性材料，其疲劳失效在 宏观上均表现为无明显塑性变形。 时间性。静强度失效是在一次最大载荷作用下发生的失效；疲劳失效是在 循环应力的多次反复作用下损伤逐渐累积从而导致的断裂，这个累积损伤的过程 需要经历一定的时间，甚至需要很长的时间之后才会发生疲劳断裂。 敏感性。静强度失效的抗力主要取决于材料本身强度，影响疲劳失效因素 很多，包括零件尺寸、几何形状、表面状态、使用条件以及环境介质等，即疲劳 失效的抗力对这些影响因素都很敏感。 疲劳断口。疲劳失效的宏观断口上，存在疲劳源( 比较光滑的疲劳裂纹形 核区) 、疲劳裂纹扩展区( 平滑、波纹状) 和瞬断区( 粗粒状或纤维状) 。 重庆大学硕士学位论文 2 3 2 疲劳分类 疲劳通常分为两类【1 9 】： 高周疲劳：也称应力疲劳( s t r e s s b a s e d ) ，是当循环载荷的( 重复) 次数比较 高的情况下产生的，重复次数通常在l e 4 1 e 9 次之间。因此，循环应力通常比材料 极限强度较低。 低周疲劳：也称应变疲劳( s t r a i n - b a s e d ) ，是在循环次数相对较低时发生的， 通常低于l e 4 次即发生疲劳断裂。低周疲劳常常包含塑性变形，包含塑性变形的 作用也阐明了短疲劳寿命的来由。 2 4 本课题所用软件简介 2 4 1a n s y sw o r k b e n c h l2 0 软件平台 a n s y s 诞生白2 0 世纪7 0 年代，伴随着计算机的飞速发展和应用，以及有限 元理论的完善，经过几十年已逐渐成为一个大型商业通用c a e 分析软件，在各个 领域得到了高度的评价和广泛的应用。自a n s y s 7 0 开始，a n s y s 公司推出了 a n s y s 经典版和a n s y sw o r k b e n c h 版。a n s y sw o r k b e n c h 具有较多优点，主要 包括： c a d 系统与a n s y sw o r k b e n c h 之间可以实现便利的双向连通，包括复杂 的三维几何实体或者曲面，在a n s y sw o r k b e n c h 中导入c a d 几何模型成功率很 l 局； a n s y sw o r k b e n c h 具有功能强大、界面清晰、易于使用等优点； w b e 只是a n s y s 的前台界面，与a n s y s 经典界面共享内核。如点击 “s o l v e ”，它会编写一个模型分析的a p d l 输入文件，以批处理的方式发送到 a n s y s 内核中进行运算。 本课题中的结构分析操作流程：导入几何模型_ 定义材料属性一定义接触特 征一划分网格_ 加载载荷与边界求解_ 查看结果。 2 4 2a n s y s f e s a f e 疲劳分析软件 a n s y s f e s a f e 是进行结构疲劳耐久性分析的专用软件，是美国a n s y s 公 司与英国安全技术公司( s a f e t e c h n o l o g y l i m i t e d ) 紧密合作的产品【2 。 a n s y s f e s a f e 程序主要包括：用户界面、疲劳分析程序、材料数据库管理 系统和信号处理程序。a n s y s f e s a f e 使用局部应力应变法进行单轴和多轴疲 劳分析。a n s y s f e s a f e 的处理步骤为：首