（车辆工程专业论文）转向节振动疲劳寿命分析.pdf

c a n d i d a t e ：l i l i y o u a d v i s o r ：l if a n g c o e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e ji a n gu n i v e r s 蛔o ft e c h n o l o g y m a y ，2 0 1 0 导下，独立进行研究工作 本论文不包含其他个人或 业大学或其它教育机构的 个人和集体，均已在文中 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密既 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 孝兰友 锄 日期：州拜 日期：加f 辉 j 月多1 日 占具1 日 车前部载荷，支承并 各部分的运行工况变 疲劳损伤问题日益突 辆的转向节是否满足 省重大专项多车型 况有限元分析、疲劳 1 在p a t r a n 中建立转向节的模型，并根据实际情况对模型做适当简化。采用t e t l o 单 元对转向节进行网格划分。定义了转向节的材料属性和约束形式，重点分析了如何用r b e 2 单元约束转向节自由度，以及如何用r b e 3 单元实现对转向节加载。 2 根据汽车行驶时车轮的受力状况，详细研究了转向节在3 种典型工况下的受力情况， 并分别给出了各种工况下所受力、力矩的计算公式。为了分析转向节在典型危险工况下的 应力分布状况，采用了p a t r a n 和n a s t r a n 有限元分析软件对此转向节进行了有限元 分析，分析结果表明该转向节可以满足静强度要求。 3 为了对汽车转向节进行了模态分析，采用p a t r a n 和n a s t r a n 有限元分析软件计算 并提取了转向节前十阶固频率和振型。模态分析之后，对转向节做了单位应力的频率响应 分析，可以更加直观的看到转向节危险节点应变、应力与激振频率之间的关系。单位载荷 的频率响应曲线图也就是系统的传递函数，该传递函数是转向节振动疲劳分析的基础。 4 在转向节静态和动态有限元分析的基础上，考虑材料的疲劳特性，平均应力影响因素， 采用m s c f a t i g u e 软件对转向节进行疲劳寿命分析。 通过本文第三章分析可知该转向节的静强度满足要求；第四章求出了转向节的固有频 率和频率响应分析并得到转向节的动态特性曲线；通过第五章疲劳分析求解出了汽车在b 级和c 级路面运动时转向节的振动疲劳寿命。实现了在设计阶段对转向节寿命的预测。 关键词：转向节，疲劳，频率响应，有限元，模态 f a t i g u ef a i l u r e ，t h e r e f o r e ，w h e t h e rt h ev e h i c l es t e e r i n gl ( n u c k l em e e tt h es t a t i c s 仃e n g t ha n d f a t i g u el i f er e q u i r e m e n t s ，i sd i r e c t l yr e l a t e dt oh u m a ns e c u r i t y t h et o p i cc a m ef b mz h e j i 锄g s c i e n c ea n dt - e c h n o l o g yd e p a r t m e n tm 旬o rf u n d e dp r o j e c t - d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f d i g i t a ld e s i g n & a n a l y s i sp l a t f o mo fs h a r e dc h a s s i s t h i sp a p e rs t l l d i e d f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，a n df a t i g u ea n a l y s i so fm a z d at y p es t e e r i n gl ( n u c k i e t h em a i nw o d ( sa n dr e s e a r c h r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 c r e a t e das t e e r i n gk n u c k l em o d e l i nt h ep a t r a n ；a l s om a d et h ea p p r o p r i a ：t e s i m p l i f i c a t i o n o nt h em o d e l - u s i n gt e t10e l e m e n tt om e s ht h em o d e l ，d e 6 n i n go ft h em a t e r i a lp r o p e r t i e s a n dr e s t r a i n to f t h es t e e r i n gk n u c k l ea c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n a n a l y s i so f h o w t ou s e r b e 2t ob i n d i n gk n u c k l e s6 e e d o m ，a n dh o wt 0a p p l i e dl o a do nt h es t e e r i n gl ( n u c k l eb yu s e o f r b e 3 2 a c c o r d i n gt oc a rd r i v i n gs i t u a t i o n ，t h ea u t h o rm a d ef o r c ea n a l y s i so f t h es t e e r i n gk n u c k l ei n t h et h r e ek i n d so ft y p i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，锄dg a v et h ef o m u l at 0c a l c u l a t et h ef o r c e 锄dt o r q u eu n d e rd m e r e n tc o n d “i o n s a i m i n ga ta n a l y z et h es t r e s sc i r c u m s t a n c e su n d e r t y p i c a ld a n g e r o u sw o r k i n g c o n d i t i o n s o ft h i sv e h i c l et y p e ss t e e r i n gl ( n u c k l e ，u s i n g p a t r a na n dn a s t r a nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o 肌a r et 0m a k ea n a l y s i sa b o u ti t ，a n dt h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h i ss t e e r i n gk n u c k l ec a ns a t i s 母t h es t a t i cs t r c n 昏hr e q u i r e m e n t s 3 a i m i n ga ta n a l y z i n gt h em o d a lo fs t e e r i n gk n u c k l e ，s t u d y i n g t h em o d a l t h e o a tf i r s t u s i n g p a t 凡气na n dn a s t 凡nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o 肌a r et om a k e 卸a l y s i sa b o u t 琏a n dt h e i i 浙江工业大学硕士学位论文 f o r et e nn a t u m lf r e q u e n c i e sa n dc o r r e s p o n d i n gm o d e sw e r eo b t a i n e dt h r o u g hm o d a l a n a l y s i s a r e rm o d a la n a l y s i s ，a u t h o r sa l s oa p p l i e dau n i ts t r e s so nt h es t e e r i n gl ( n u c k l et om a k e 舶q u e n c yr e s p o n s e 柚a l y s i s i tc o u l db em o r ei n t u i t i v et os a wt h en a t u r a l 疗e q u e n c yo f s t e e r i n gl ( n u c k l ea n dt h er e l a t i o n s h i pb e t 、) v e e nt h ee x c i t a t i o n 舶q u e n c i e s 舶mt h er e s u l t s u n i t so fs n e s sf k q u e n c yr e s p o n s ec u r v et h a ti st h es y s t e mt r a n s f e r 凡n c t i o n ，t h et r a n s f e r f h n c t i o ni st os h i rt h eb a s i so f f a t i g u ea n a l y s i ss e c t i o n 4 b a s i n go nt h es t e e r i n gk n u c k i es t a t i ca n dd y n 啪i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，c o n s i d e r i n gt h e m a t e r i a lf a t i g u ep r o p e r t i e sa v e r a g es t r e s s f a c t o r s ，a i m i n ga ta n a l y z et h ef a t i g u el i f eo f s t e e r i n gk n u c k l eu s i n gm s c f a t i g u es o 觚a r et om a k ea n a l y s i sa b o u ti t a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fc h a p t e rt h r e ei tc a nb es h o w nt h a tt h es t a t i cs t r e n 酉ho ft h e s t e e r i n gk n u c k l ec a nm e e tt h er e q u i r e m e n t s f r o mt h e 锄a l y s i so fc h a p t e rf o u ri tc 卸b eo b t a i n e d t h en a t u r a lf r e q u e n c i e so ft h es t e e r i n gk n u c k l e ，a n db yf r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i so ft h em o d e i t h ed y n a m i cc h a m c t e r i s t i c sc 锄b ea c q u i r e d b ys o l v i n go u to ft h ec a ri nt h eb r o a da n dc r o a d m o v e m e n to f t h ev i b r a t i o nf a t i g u el i f eo f s t e e r i n gk n u c k l e ，a c h i e v e dt op r e d i c t i o nk n u c k l el i f ea t d e s i g ns t a g e k e y w o r d s ：s t e e r i n gl ( n u c k l e ，f a t i g u e 舶q u e n c yr e s p o n s e ，f i n i t ee l e m e n t ，m o d a la n a l y s i s i i i 第三章 3 1 3 - 2 3 3 3 4 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 第五章 5 1 5 2 i i i l 1 2 4 6 7 7 一7 一8 。9 。1 0 10 1l 。1 1 。1 2 一1 4 转向节结构强度分析15 m s c p a t ra n 和m s c n a s t r a n 介绍15 m s c p a t ra n 建模和m s c n a s t r a n 分析一般流程l7 转向节强度分析2 0 3 3 1 转向节典型危险工况分析2 0 3 3 2 汽车参数2 2 3 3 3 转向节典型危险工况有限元分析一2 2 本章小结2 7 转向节模态和频率响应分析2 9 模态分析理论基础2 9 转向节模态分析3l 转向节频率响应分析3 4 本章小结3 9 转向节振动疲劳寿命分析4 0 m s c f a t i g u e 介绍4 0 m s c f a t i g u e 分析疲劳问题的一般流程4 1 第六章结论与展望5 8 6 1 结论5 8 6 2 展望5 9 参考文献6 0 j ! 奥谢6 3 攻读学位期间参加的科研项目和成果6 4 铊 铊 躬 钙 铂 舶 钉 钉 铝 钞 如 弱 弱 一个重要指标。随着市场竞争 重要的部件疲劳寿命要求有更 有文献统计【l 】，8 0 左右的机 计算机技术和试验技术对疲劳 算机分析的结果对失效零件采 用合理的设计方法提高其疲劳寿命显得非常迫切。 随着车辆运行速度的提高，汽车各部分的运行工况变得更为恶劣，在运行中车辆关键 部件的疲劳损伤问题日益突出，目前大量的事故都是由疲劳损伤引起的，因此对车辆的安 全可靠性提出了更高的要求。对于己定型的车辆，主要的研究内容是通过实测应力测试来 估计既有结构件的使用寿命。此方法是利用测试得到的随机应力、应变时间历程数据，与 相关的疲劳损伤模型来估计汽车零部件的疲劳寿命，即通常所说的动应力测试方法。对于 新型车辆，在设计阶段通常采用传统的疲劳强度校核( 如使用g o o d m a n 曲线) 方法，并结合 台架试验按相关标准进行验证。这种方法有两个弊端，一是当疲劳设计不足时，由于产品 己经定型，改进时将造成大量的时间、人力和财力浪费，并延长设计周期，不适应激烈的 市场竞争和资源的合理利用的要求。二是当疲劳设计过量时，进行试验时很难找出设计过 量的部分，从而增加车辆的重量和制造成本，并有可能影响到动力学性能。实践证明，目 前采用传统疲劳强度设计方法的车辆结构，在使用中暴露出不少疲劳损伤方面的问题。虽 然疲劳损伤成因较为复杂，但设计阶段对关键结构部件的疲劳寿命预测研究不足却是重要 原因之一。 目前，在汽车行业中己普遍应用疲劳设计方法。常用的汽车零件疲劳设计方法有：传 统的疲劳设计方法。这种方法主要是基于s n 曲线的无限寿命或有限寿命疲劳设计方法。 此法的分析步骤概括为四个阶段：材料特性的确定、零件的疲劳试验、载荷历程的确定、疲 劳寿命的估算并与试验进行比较【2 1 。疲劳寿命功率谱预测法。这种方法主要处理承受随 机载荷零件的疲劳问题，通过将时域应力信号转变为频域信号来处理，减少了处理时间【3 】。 基于有限元的零件疲劳仿真。该种方法是以传统试验方法为基础，结合计算机仿真技术 1 类转向节三种，结构如图1 1 所示。长杆类转向节主要由杆部、法兰和臂部构成，一般多 用于大中型汽车和大客车中；中心孔类转向节主要由基座、法兰和臂部构成，基座中心带 孔，一般多用于前桥驱动的轿车当中；套管类转向节主要由长杆、套管和法兰构成。 图1 1从左至右依此为长杆类、中心孔类和套管类转向节 转向节既是前桥( 转向桥) 转向的主要零件，又是连接前悬架与轮毂、车架( 承载式 车身) 的关键零件，同时又是转向系传动机构动力末端的重要零件；从底盘的位置上讲， 转向节是车桥、悬架和转向系传动机构三者交汇处的核心零件【4 1 。正是由于转向节的特定 功能和在汽车底盘中的特殊位置，使得转向节与车桥、悬架和转向系传动机构关系紧密。 所以，分析转向节应从整体上进行分析，将转向节置于车桥、悬架和转向系传动机构中。 ( 1 ) 车桥及转向节在汽车中的位置 车桥( 也称车轴) 通过悬架和车架( 或承载式车身) 相连，它的两端安装车轮。其功 用是传递车架( 或承载式车身) 与车轮之间各方向的作用力及其力矩。根据悬架结构的不 同，车桥分为整体式和断开式两种。前者与非独立悬架配用，后者与独立悬架配用，车桥 为活动关节式结构。按车桥上车轮的作用，可将车桥分为转向桥、转向驱动桥、驱动桥和 支持桥四种类型。转向桥和支持桥为从动桥。一般汽车多以前桥为转向桥，后桥为驱动桥， 但中小型轿车、越野车等汽车的前桥既是转向桥又是驱动桥，属于转向驱动桥。 2 浙江工业大学硕士学位论文 转向桥( 前桥) 是通过转向装置利用车桥中的转向节使车轮偏转一定角度以实现汽车 转向，它除承受汽车的前部质量等垂直载荷外，还承受纵向力和侧向力以及这些力造成的 力矩。各种车型的转向桥结构基本相同，主要由前轴、转向节、轮毂等组成。 ( 2 ) 悬架及其与转向节的关系 悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架 或承载式车身) 与车轮( 或车桥) 弹 性的连接起来，保证上述两者连接之间具有弹性联系并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动 以及调节汽车行使中的车身位置等。悬架的主要功用是传递作用在车架( 或承载式车身) 与车轮( 或车桥) 之间的一切力和和力矩；缓和不平路面传给车架或车身的冲击载荷，衰 减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行使平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变 化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。 悬架按结构特点可分为非独立悬架和独立悬架两大类。非独立悬架的特点是左右车轮 安装在一根整体式车桥两端，车桥则通过弹性元件与车架相连，当一侧车轮跳动时，要影 响到另一侧车轮；独立悬架则是每一侧车轮单独通过悬架与车架相连，每个车轮能独立运 动而无相互影响，与之配合的车桥做成断开的。独立悬架的车轮接地性好，行驶平顺性和 操纵稳定性均优于非独立悬架，因而现代汽车已普遍使用独立悬架。 独立悬架按车轮运动的方式分成横臂式独立悬架( 车轮在汽车横向平面内摆动) 、纵 臂式独立悬架( 车轮在汽车纵向平面内摆动) 和支撑式独立悬架( 车轮沿主销移动的悬架) 三种类型。横臂式、纵臂式独立悬架按摆臂的数目又分成单横臂式、双横臂式、单纵臂式、 双纵臂式等多种形式。支撑式悬架按与汽车的前轮、后轮配用分为麦弗逊式悬架和查普曼 式悬架。与前桥( 转向桥) 配用的前悬架形式主要有双横臂式、双纵臂式( 合称双叉式) 和麦弗逊式独立悬架。 ( 3 ) 转向系及其传动机构 转向系是用来改变或恢复汽车行驶 方向的专设机构，其功用就是保证汽车按 驾驶员的意志进行转向行驶；按转向能源 的不同，转向系可分为机械转向系和动力 转向系两大类。转向系由转向操纵机构、 转向器和转向传动机构组成，一般认为， 从转向盘到转向传动轴的一系列零部件 转随籀餐 转句节暖 镞 梯j i ；餐 转麟蠛拉杆 图l - 2 机械式转向系结构示意图 属于转向操纵机村，从转向摇臂至转向节的一系列零部件属于转向传动机构。如图1 2 所 浙江工业大学硕士学位论文 示。文献【5 】指出，转向系传动机构的组成和布置因转向器位置和前悬架类型而异，一些车 型的转向节与转向节臂焊接在一起与独立悬架连接，因此可将转向节放入转向系传动机构 中考虑，但也有文献【6 】认为转向传动机构不包括转向节。 转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转 向轮偏转，且使两转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑 动尽可能小。从图1 2 可以看到，转向节位于汽车转向系传动机构的末端，是转向系用于 汽车转向的执行部分。驾驶员对转向盘施加一个转向力矩，通过操纵机构和转向器的传递 与放大后，将力矩与运动传到转向摇臂和转向直拉杆，再经转向直拉杆传给固定于左转向 节上的转向节臂，使左转向节和它所支承的左转向轮偏转，最后通过梯形臂和转向横拉杆 使右转向节及其支承的右转向轮按一定关系偏转相应角度。 1 3 汽车转向节国内外研究现状 转向节是汽车转向系统中的重要零件。转向节担负着转向和支撑的双重任务，其工作 条件较差、受载复杂。它不仅承担前轴负荷，还承担因地面冲击、车轮滑动、转向、制动 等而产生的负荷。转向节是转向系统中传递转向力的必要零件，它的失效将导致汽车的转 向失灵。因此进行转向节的强度分析对于提高车辆的使用可靠性和安全性具有重大意义。 汽车前桥总成的转向节出现断裂故障容易造成人员重大伤亡，是非常严重的问题【7 8 】。 技术人员对转向节做了深入研究，发现疲劳断裂是转向节失效的主要原因，文献3 】对转 向节和转向节臂进行了静力分析，发现该转向节满足静强度要求；电子显微镜分析断裂截 面组织【悼1 7 1 ，发现其具有疲劳断裂截面的典型几何特征，推断该转向节和转向节臂的断裂 应为疲劳断裂。文献【1 8 】对某款车型前悬架在三种工况下的受力情况进行了分析，并利用 p a t r a n 和n a s t 凡蝌有限元分析软件对该车转向节进行了强度和变形的分析计算，找出 了该结构设计的薄弱环节，为改进设计提供了依据。文献f 19 】对转向节疲劳失效做了研究， 提出了解决转向节疲劳寿命的计算办法，为转向节疲劳寿命设计提供了思路。文献1 2 0 】介绍 了东风汽车公司最近研制的电动谐振式转向节疲劳试验台架概况，并从技术经济角度将它 与当前广泛使用的液压式试验台架进行了对比。张红旗，曹文刚，徐涛，葛三卫利用a n s y s 软件进行了客车转向节的有限元分析，分析了三种典型工况下转向节的静态应力，确定该 转向节满足静强度要求【2 1 1 。袁敏，赵韩，赵德猛针对某种型号客车应用有限元软件a n s y s 对其转向节进行了有限元分析，计算了转向节的弯曲强度，找到了原有结构设计的薄弱环 节【2 2 1 。山东大学毛向阳对斯太尔转向节做了有限元静态应力应变分析并且对转向节做了模 4 浙江工业大学硕士学位论文 态分析，主要对制造工艺做了研究【2 3 】，并且提出金相及机械硬度检测方面的要求：金相要 达到g b t 1 3 3 2 0 9 1 ：j b 9 2 0 4 9 9 标准的要求，需要使用金相显微镜进行切片检测，转向节 硬度由热处理保证，要求达到布氏硬度h b 2 6 9 3 1 4 ，测量仪器为布氏硬度测量仪，方法为 打点检测；机械性能方面采用万能材料试验机进行屈服试验，拉伸试验及疲劳试验等；探 伤试验是采用磁粉探伤机探测金属表面有无裂纹。冯美斌在分析转向节承载特点的基础上 得出了转向节名义工作载荷的计算方法，介绍了电动谐振式转向节疲劳试验装置，并测定 了e q l 4 0 一1 汽车转向节以1 0 7 次为循环基准的疲劳极限，估算出其安全系数。此种方法为 传统的疲劳分析方法，存在精度效率低，试验时间长，试验费用昂贵等缺陷【2 4 1 。江苏大学 王延强应用h y p e r m e s h 软件建立合理的转向节和转向节臂有限元模型，并应用a n s y s 软 件进行有限元应力分析。在此基础上，考虑零件材料疲劳特性、平均应力等影响因素，使 用m s c f a t i g u e 软件进行转向节和转向节臂疲劳仿真( 他认为动载荷为正弦形式) ，估算其 疲劳寿命，提出提高转向节和转向节臂疲劳强度的多项措施：改进零件结构，减少应 力集中。降低表面粗糙度。表面强化处理，并通过疲劳仿真对改进措施的效果进行 了比较。为了验证疲劳仿真的可靠性，搭建试验台架，进行转向节臂的疲劳试验【2 5 1 。m e h r d a d z o r o u f i 在其博士论文中对比了三种材质的转向节( 锻钢，铸铁，铸铝) 制造工艺，静强 度，疲劳强度方面的差别，并且搭建试验台架，对不同的转向节进行疲劳试验，认为锻钢 性能较好，文中最后对转向节做了优化【2 6 】。文献建立了转向节优化目标函数，对某一类 型转向节做了具体优化。为了满足转向节机械性能的要求，国内外学者对转向节制造工艺 和加工方法进行了研究，文献【2 8 3 0 】对转向节锻造工艺进行了介绍，提出了重型汽车转向节 热模锻新工艺；文献 3 1 - 3 3 】叙述了热模锻生产线上模锻重型汽车转向节的工艺特点、模锻变 形力、节能节材效果等；文献 3 4 】提出了卡车转向节卧式一火锻造成形新工艺，基于刚粘塑 性有限元理论，对转向节的火锻成形的各个工序建立了三维热力耦合有限元模型；利用大 型有限元分析软件对各成形过程进行数值模拟，优化得出制坯的合理毛坯形状和尺寸、预 锻及终锻金属流动过程、应变分布和载荷行程曲线分布；数值模拟结果与实验结果吻合， 数值模拟为工艺制定和模具设计提供了可靠的理论依据。文献【3 6 3 8 1 讨论了轻型汽车转向节 及转向节臂的锻造工艺，认为采用锤上锻操作方便，而且节省材料；国外研究者提出了转 向节的半固态成形工艺【3 8 枷】，并对汽车转向节半固态成形工艺进行了深入研究，取得一定 进展。 5 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究目标和内容 总结目前转向节研究现状可以发现：研究方法可以分为常规设计方法和有限元设计方 法。在常规设计方法中，疲劳寿命估算方法己成熟用于转向节疲劳强度分析。有限元设计 方法还是只限于静强度分析，基于有限元的计算机疲劳仿真进行得还很少。因此，本课题 重点进行转向节的疲劳仿真。 具体的研究内容如下： ( 1 ) 在p a t r a n 中建立转向节的模型，并根据实际情况对模型做适当简化。 ( 2 ) 根据汽车行驶时车轮的受力状况，对现有转向节按照3 种典型危险工况进行计算分析。 即在紧急制动工况、最小转向半径且车轮滑动工况和越过不平路面受力最大工况3 种典型 危险工况下，对转向节有限元模型施加相应的载荷和约束，得到简化的受力模型。 ( 3 ) 对转向节施加垂直单位力，横向单位力，纵向单位力，单位扭矩，求解这些力响应的 频率响应( 求解这些单位力频率响应即为这些力的传递函数) 。 ( 4 ) 载荷谱分析及处理。高速行驶的汽车其转向节主要承受的载荷形式为随机载荷。其破 坏形式为疲劳破坏。如何对载荷进行处理是解决转向节疲劳寿命的关键。本文中载荷谱利 用a d a m s 动力学仿真获得。 ( 5 ) 转向节疲劳仿真。考虑零件实际工作状况，施加约束和载荷，进行有限元结构应力计 算；考虑零件材料疲劳特性、表面质量和表面强化工艺，进行转向节疲劳仿真。 6 2 1 1 名义应力法 随着机 疲劳破 加深刻， 名义应力法【4 l 】是最早形成的估算疲劳寿命的方法，它以材料或零件的s n 曲线为基础， 对照试件或结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力，结合疲劳累积损伤理论来估算 试件或结构的疲劳寿命。名义应力法适用于应力水平较低的高周疲劳问题。名义应力法对 疲劳现象的揭示有着本质缺陷，它不能揭示局部应力集中产生的塑性应变。但是，长期以 来人们已做了大量的研究，积累了许多宝贵的资料和经验，所以在应力水平较低、载荷较 平稳的情况下，名义应力法仍是广泛使用的一种疲劳寿命估算方法。 为了描述s n 曲线的规律，描述了以下两种数学模型。 ( 1 ) 幂函数式描述材料s n 曲线的最常用形式为 s m = c ( 2 - 1 ) m 与c 是材料、应力比、加载方式等有关的参数。两边取对数有 m f 夕s + f 夕= f g c( 2 - 2 ) 幂函数模型在双对数坐标图中，够和蝌成线性关系。 ( 2 ) 指数式指数形式的s n 曲线表达式为 e 幡= c ( 2 3 ) 两边取对数后成为，s 与 成线性关系。 竹岱f 夕e + f 目= f 目c( 2 4 ) 应力循环的幅值和均值都影响零件的疲劳寿命，根据这两个参数进行疲劳寿命预测称 之为双参数疲劳寿命预测双参数疲劳寿命预测需要较多的实验数据，所以一般的做法是将 7 浙江工业大学硕士学位论文 应力均值的影响折合成一定的应力幅值，与原有幅值相加得到等效应力幅，然后结合材料 的对称循环疲劳曲线( 由4 点弯曲扭转试验得到) 进行单参数疲劳寿命预测。将有均值的应 力循环转变成对称应力循环，要在寿命相等的前提下进行。应力循环的等寿命转换有三种 方法：古德曼法( g o o d m a n ) ，格伯法( g e r b e r ) ，索德倍尔格法( s o d e r b e 略) 。 1 ) 在等寿命疲劳极限图上，如果假设疲劳极限线是经过对称循环疲劳极限a 一】点和静载荷 极限a b 的一条直线，称为古德曼( g o o d m a n ) 图线( 在图2 1 中的图线1 ) 。其方程式为： = 几z ( 1 一斧 ( 2 5 ) 2 ) 如果假设疲劳极限线是经过对称循环疲劳极限。一1 点和静载荷极限a b 的抛物线，称格伯 ( g e r b e r ) 抛物线( 在图2 1 中的图线2 ) 。其方程式为： 3 。一- 【1 一2 】 ( 2 - 6 ) 3 ) 在等寿命疲劳极限图上，如果假设疲劳极限线是经过对称循环疲劳极限a 一1 点和静载荷 屈服极限o s 的一条直线，称为索德倍尔格( s o d e r b e 玛) 图线( 在图2 1 中的图线3 ) 。其方 程式为： 2 乳1 ( 1 一斧 ( 2 7 ) o - j j o1 一 f o s o 一， o 一 2 1 2 局部应力应变法 图2 1 古德曼、格伯、索德倍尔格疲劳极限图 局部应力应变法 4 2 】，是结合材料的循环应力应变曲线，通过弹塑性有限元分析或其它 8 浙江工业大学硕士学位论文 方法，将零件上的名义应力谱转换为危险部位的局部应力应变谱，然后根据危险部位的局 部应力应变谱估算零件的疲劳寿命。它认为零件的疲劳破坏，都是从应变集中部位的最大 应变处起始，并且在裂纹萌生以前都要产生一定的塑性变形，局部塑性变形是疲劳裂纹萌 生和扩展的先决条件。因此，决定零件疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应力和 应变，只要最大局部应力应变相同，疲劳寿命就相同。局部应力应变法在描述材料的疲劳 性能上用n ( 应变寿命) 曲线代替o n ( 应力寿命) 曲线，用循环的伊曲线代替单调的。吨 陆线，能从动载荷引起的弹塑复合应变中准确地将弹性应变和塑性应变解析出来，抓住塑 性应变。塑性应变的累积就是产品疲劳破坏的原因。该方法在确定材料在复杂载荷历程作 用下的应力应变响应时，应用了材料的“记忆特性”这一性质。这样一来就计入了载荷顺 序的影响，使寿命的估算结果更接近实际情况。 n 曲线可写为： = 口+ 和口= 詈( 2 ) 扫+ 弓( 2 ) c ( 2 8 ) 这就是著名的m a s s o n c o 衔n 公式，该公式反映了应变与寿命2 n 间的关系，e 口为 弹性应变幅，和a 代表塑性应变幅，弓为疲劳强度系数，具有应力纲：e 为弹性模量，6 为疲劳强度系数。；为疲劳延性系数，与应变一样无量纲；c 为疲劳延性指数。 上述公式并未考虑平均应力对疲劳寿命的影响，美国汽车工程协会( s a e ) 的疲劳设 计手册中用下述经验公式考虑平均应力的影响。 = 岛n + 勺口= 立( 2 j ) 扫+ 弓( 2 v ) c ( 2 9 ) 2 1 3 损伤容限法 损伤容限法【4 3 】又称裂纹扩展法它以断裂力学为基础，假设零件中存在初始裂纹，当初 始裂纹长度扩展至临界裂纹长度所需时间作为零件的疲劳寿命。 对于有初始缺陷或裂纹的零件，由于其裂纹尖端的应力理论上为无穷大，常规的寿命 预测方法己不适用，裂纹扩展寿命利用断裂力学理论估算。p a r i s 最早提出的裂纹前沿应力 强度因子范围k 和裂纹扩展速率如铷之间的经验关系是计算疲劳裂纹扩展寿命的基础。 p 撕s 指出，应力强度因子k 既然能够表示裂纹尖端的应力场强度，那么k 值也应当是控 制裂纹扩展的重要参数，因此提出了著名的p 矾s 公式： 熹= c k ) 仇( 2 1 0 ) d 、7 、一。o 9 浙江工业大学硕士学位论文 公式中c 和朋为由材料决定的常数，口为裂纹长度。 尽管p a r i s 公式是一个经验公式，但是它的形式与连续损伤力学的结果相类似，这样 就给出了该公式的损伤力学基础和物理背景。应用有限元模型、相关的应力强度因子解、 材料性能曲线以及载荷变化历史等可以计算裂纹从初始尺寸一直到零件失效的载荷重复 块数目，即疲劳寿命。 对于循环应力水平较低，构件变形是弹性变形，寿命长( 断裂前循环次数大于1 0 5 1 0 7 ) 的情况，用应力寿命曲线( s - n 曲线) 来描述构件疲劳寿命是比较精确的，这种疲劳也叫做 高周疲劳。然而工程中许多构件，在许用使用寿命期间，所经历的循环次数并不多( 断裂前 循环次数少于1 0 4 1 0 5 ) ，材料的变形也同时存在弹性变形和塑性变形。尤其是对延展性较 好的材料，屈服后应变的变化大，而应力变化小。此时用应变作为疲劳性能的控制参量比 应力更好些，这种疲劳也叫做应变疲劳或者低周疲劳。高周疲劳和低周疲劳分析中，都认 为材料是均匀无缺陷的。在此基础上研究疲劳载荷作用下的裂纹萌生机理、规律、寿命预 测与控制。然而实际情况中，材料或构件中的缺陷是无可避免的。或者开始无缺陷的构件， 在使用过程中出现了裂纹，它能否继续使用，还有多少剩余寿命，以及大型构件检验周期， 都是前面两种疲劳分析不能解决的问题。而这些问题又都是工程中必需解答的。这些问题 采用疲劳扩展理论可以解决。以上都是时域信号求得疲劳损伤，这种时域信号通常是应力 或应变。 2 2 随机振动疲劳分析方法 对于有限元分析来说，处理很长时域加载信号很困难。从随机振动的物体获取一个功 率谱密度应力信号通常比获取一个时域应力信号要容易。根据应力功率谱密度函数计算疲 劳损伤也要比时域上求疲劳损伤容易得多。在这方面，1 9 6 4 年b e n d a t 首先提出了一种从 p s d 信号求疲劳寿命的方法【4 4 1 ，但这种方法过于保守。1 9 8 5 年d i r l i k 提出了一个解决b e n d a t 公式处理宽带信号过于保守问题的经验闭合解【4 5 1 。 2 2 1 基于窄带信号的疲劳分析 1 9 6 4 年b e n d a t 首先提出了一种从p s d 信号求疲劳寿命的方法。b e n d a t 指出，一个窄 带信号随着带宽的降低波峰的概率密度函数趋向于一个瑞利( r a y l e i 曲) 分布。此外对于 一个窄带时域信号，b e n d a t 假定所有函数值为正的波峰将随后跟着一个对应的数值相等的 波谷。b e n d a t 推导了一系列方程，用p s d 曲线下的惯性矩估计预期的波峰数。b e n d a t 的 1 0 了峰值与其同样大小的谷值匹配。 2 2 2 基于宽带信号的疲劳分析 其中第n 阶惯性矩为 ( 2 - 1 1 ) 常保守的结果，原因在于假定 1 9 8 5 年d i r l l k 堤出j 一个j 眸抉b e n d a t 公式处j 望苋帝信号辽十保守l 叫题的经验刚台角牟， d i r l i k 方法的数学表达式： ( s ) = e p 】丁木p ( 5 )( 2 - 1 2 ) 倒为发生在事件长度丁内，应力幅值s 的应力循环次数。其它参数的计算方法如下 邢，：遂唾生驴警 d 2 = 掣 d 3 = 1 一d 1 一d 2 z 2 去q 2 堡铲 r 2 舞y 2 彘 = 等老 2 3 疲劳累积损伤理论 疲劳研究过程中会遇到“损伤”的概念。所谓损伤，是指疲劳初期材料内的细微结构 变化及其之后的裂纹形成和扩展。当材料承受循环应力时，每一个循环都使材料产生一定 的损伤，这种损伤是可以累积的。疲劳过程可以看成是损伤趋于一个临界值的累积过程， 浙江工业大学硕士学位论文 也可以看成是材料固有寿命的消耗过程。工程中常用的是线性疲劳累积损伤理论【4 6 1 。 该理论假定，材料在各个应力水平下的疲劳损伤是独立的，且总损伤可以线性叠加。 其中最有代表性的是m i n e r 法则。该法则认为：在程序加载下，若试样的加载历史由口，、 口2 、口3 口埘共朋个不同应力水平构成，各应力水平下的疲劳寿命依次为m 、2 、m 册，对应的循环数依次为刀，、 啦、m ，力历，则当损伤总和为l 时，即 n c = 1( f = 1 2 ，3 n )( 2 一1 3 ) 零件发生疲劳破坏。经验表明m i n e r 法则只是实际情况的简化。其主要的不足是没考虑加 载顺序，并且该理论假设在任意一个给定的应力水平下，累积损伤的速度与以前的载荷历 程无关，即对每一应力水平，不论在寿命的前期或后期，每次循环的损伤是相同的。但实 际情况却是：在高低载荷程序加载时刀，m 大于l ，而在低高载荷程序加载时疗，m 小 于l 。虽然如此，由于线性累积损伤定律简单，故仍在工程上得到了广泛的应用。可以修 正m i n e r 法则： n f f = 口( f = 1 ，2 ，3 n )( 2 1 4 ) 式中：口为常数 2 4 疲劳寿命预测的方法及流程 疲劳寿命分析一般来说需要两方面的数据，一是材料的疲劳性能参数，二是应力或应 变时间历程。 材料参数可从试验中直接获得，但有些可以从出版物( 材料手册) 或材料数据库软件 中找到。也可以根据经验公式，从材料的极限强度和杨氏模量估计其疲劳性能曲线，但精 度一般要差一些。材料的应变疲劳性能参数能够反映该材料疲劳破坏的一般特征，可以作 为衡量材质的指标。美国a s t m 在1 9 8 0 年就制定了“常幅低周疲劳试验”手册，并要求重 要材料必须经过应变疲劳试验而且应给出应变疲劳性能参数。国内对这方面的研究到目 前还是远远不够的。文献【4 7 】对国产4 0 车辆钢和3 5 c r m o 合金钢应变疲劳性能参数做了测定。 获取应力应变随时间的变化历程有多种途径，其中最常用的有下面两种： ( 1 ) 用应变计实测法。 该方法要求首先找出零件表面危险点( 单点) 的具体位置( 通过有限元模拟或试验原 型上涂上一层油漆，待油漆干后施加载荷，油漆剥落的地方应力集中) ，确定应力集中的 区域。在该关键位置贴上应变片或应变花，用数据采集设备直接记录实际工况下这些贴片 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 位置处的应力、应变变化。该方法的优点在于所记录的应力、应变是真实的响应，特别适 用于基于局部应力应变的疲劳分析。但缺点是由于结构或环境等原因，使得有些关键点位 置贴片有困难。郭虎，邓耀文，吴慧敏等采用m t s 4 9 8 远程控制系统测定了汽车前桥在山 区公路、一般沥青公路及汽车试验场强化路面的道路载荷谱，采用雨流计数法得到了各路 面载荷谱的均、幅值计数结果，根据g o o d m a n 经验疲劳公式，对雨流计数结果进行了零均 值应力转换。利用数理统计的方法得到路面的载荷分布数学模型1 4 引。该办法预测疲劳寿命 具体流程如图2 2 和图2 3 所示。 图2 2 应力一时间历程法预测转向节疲劳寿命 图2 3 应变一时间历程法预测转向节疲