弹塑力学疲劳强度分析及设计PPT课件.ppt

专题：疲劳与断裂,主要的失效形式断裂、磨损和腐蚀。缓慢的过程突变行为断裂静态断裂动态断裂疲劳断裂冲击断裂,金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象称为疲劳。在汽车上，大约有90%以上零件的失效可归结为疲劳。疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机件的疲劳断裂可能会造成很大的经济以至生命的损失。,疲劳引起的大型灾难性事故1979年美国航空公司DG10型三引擎巨型喷气客机连接引擎与机翼的螺栓因金属疲劳折断，从而导致引擎燃烧爆炸。机上273名乘客和机组人员无一幸免。,疲劳引起的大型灾难性事故1985年8月12日晚上7时许日本航空公司的一架波音747宽体客机，撞在群马县附近的山上，机上509名乘客和15名机组人员仅4人获救外。其余52O人全部罹难，这是世界民航史上单机发生的最大空难事件。,对飞机残骸的分析和同“黑匣子”记录仪进行对照后，飞机起飞12分钟后，发生了“异常的冲击”，同时，压力隔板损坏，飞机密封性能的破坏使机舱内急剧减低压力；导致飞机垂直尾翼损坏并在空中分解。事故分析发现，这架飞机几年前发生过小失事，飞机尾舷材料疲劳而损坏过，检修工作进行得很马虎，在没有彻底排除病根的情况下就算检修完毕，并交付使用。这次飞行，由于高度上升过程的速度快，机舱内外的气压发生急剧变化，机舱内空气压缩机受到的压力比机舱外大得多。于是，这一装置在一个临界时刻承受不了这种压力，使液压系统受损，导致强大的气流吹进垂直尾翼内，使升降航和方向航失去控制，尾翼上部和方向舵在一瞬间被撕裂而坠落。,疲劳引起的大型灾难性事故1998年德国一列高速列车在行驶中突然出轨。事故是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起，导致了近50年来德国最惨重铁路事故的发生。,疲劳引起的大型灾难性事故2002年华航CI611飞机由于金属疲劳，造成空中解体，造成机上225名旅客及机员全部罹难。,疲劳失效的过程和机制。,介绍估算裂纹形成寿命的方法，以及延寿技术。,介绍一些疲劳研究的新成果。,金属疲劳的基本概念和一般规律。,本讲座主要介绍,具体目的：精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命，简称定寿，保证在服役期内零构件不会发生疲劳失效；采用经济而有效的技术和管理措施以延长疲劳寿命，简称延寿，从而提高产品质量。,循环应力（疲劳应力）是指应力随时间呈周期性的变化。,循环应力-时间图应力历程,循环应力,循环应力稳定循环应力不稳定循环应力非规律性:如汽车的钢板弹簧规律性:机床的主轴,t,t,非规律性,规律性,不稳定循环应力,循环应力变化范围不变，即波形不变。波形通常是正弦波，此外还有三角波以及其它波形。,循环应力-时间图应力历程,稳定循环应力,稳定循环应力,平均应力mm(max+min)2应力比（循环特性）RR=min/max,应力幅a或应力范围（应力幅度）a=/2=(max-min)/2,max和min分别为循环最大应力和循环最小应力；,循环应力的特征参数：,循环应力分为下列几种典型情况：,对称循环应力m=0，R-1。大多数轴类零件，通常受到对称循环应力的作用。,不对称循环应力m0，R-1。,不对称拉伸平均应力循环应力m0，-1R0。大拉小压循环。比较常见的不对称循环应力,不对称压缩平均应力循环应力0ma，-1R0结构中某些支撑件受到这种循环应力-大拉小压的作用。,脉动循环应力m=a，R0齿轮的齿根和某些压力容器受到这种脉动循环应力的作用。,波动循环应力ma，0R1飞机机翼下翼面、钢梁的下翼缘以及预紧螺栓等，均承受这种循环应力的作用。,静（循环）应力a=0，R1,疲劳的分类（1）按应力状态：弯曲疲劳、扭转疲劳、复合疲劳等；（2）按环境：腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等；（3）按循环周期：高周疲劳、低周疲劳；（4）按破坏原因：机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳。（5）按初始状态：无裂纹零件和裂纹零件的疲劳疲劳的特点（1）最大应力105,具有典型的疲劳断口。AkN2、影响冲击疲劳的因素小能量多冲击主要为强度。较大能量时冲击作用下，材料易出现塑性变形，即易出现低周疲劳。能量再大时则冲击疲劳退居次要地位，应考虑材料的断裂韧性。,接触疲劳,1、基本概念对偶件（如轴承、齿轮等）在交变接触压应力长期作用下，而在材料表面产生的疲劳损伤。形貌：点蚀，浅层剥落和深层剥落。（轴承、齿轮表面、钢轨等）接触疲劳曲线两种接N，接1/N。2、接触应力（赫兹应力）两物体接触，表面上产生局部的压应力，称为接触应力。接触处的接触应力为三向压应力。,接触处，zyx超过一定深度zyy相应的最大切应力为：在最大切应力处，材料易出现局部塑性变形。,接触疲劳破坏方式,（1）麻点剥落局部塑性变形，产生裂纹、扩展（滑移带开裂）润滑剂气蚀（高压冲击波）剥落下一块金属而形成一凹坑（2）浅层剥落最大切应力处，塑化变形最剧烈，非金属夹杂物附近萌生裂纹。表层、次表层产生了加工硬化。（3）深层剥落过渡区是薄弱区，萌生裂纹，先平行于表面扩展，后垂直于表面扩展，最后形成大的剥落坑。,影响接触疲劳抗力的因素,（1）材料内因组织（晶粒大小，相组成，夹杂物，第二相等）（残余奥氏体，可形成形变M，不利于接触疲劳）表面硬度和心部硬度（2）外因表面粗糙度，接触精度；硬度匹配；润滑情况。,疲劳分析的步骤获取应力谱获取材料数据损伤计算寿命评估,现代疲劳分析工具Ansys+Fe-safeMSC.Nastran+MSC.Fatigue,获取应力谱方法应变片测量在应力集中的区域，然后按左下图在应力集中区域布置三个应变片；动力学仿真,获取材料数据做一组疲劳测试（正弦应力，拉压或弯曲均可，有国家标准),平均应力对寿命有影响。也可以根据不同的经验公式（如准则，准则等），由普通的曲线（即平均应力为）来计算平均应力不为零时对应的疲劳寿命。,损伤计算损伤累积的计算方法有很多种，最常用的是线性累计损伤（即准则），但其结果不保守，计算得到的寿命偏高。,常用的疲劳分析工具：MSC疲劳分析,内容,MSC疲劳分析简介应力/应变分析载荷历程计算疲劳分析结论,MSC疲劳分析简介,柴油发动机曲轴在旋转时，承受周期载荷，因此设计时必须考虑疲劳破坏因素；柴油发动机曲轴疲劳属于高周疲劳问题，适合使用s-n方法预测寿命；疲劳分析必须首先确定模型的载荷分布与载荷历程。,柴油发动机疲劳分析特点,疲劳分析步骤：利用有限元分析软件(本例采用MSC.Nastran)，得到模型的应力/应变分布；利用MSC.Adams，得到作用在模型上的载荷历程；利用MSC.Fatigue，进行模型的疲劳分析。,MSC公司提供完善的疲劳分析解决方案,MSC疲劳分析流程,MSC.NASTRAN有限元分析MSC.FATIGUE疲劳寿命分析MSC.ADAMS载荷历程计算,应力/应变分析,模型上的应力/应变分布,疲劳分析前，模型的应力/应变分布情况利用有限元分析得到；使用MSC.Patran+MSC.Nastran进行模型的应力/应变分析。,应力/应变分析,MSC.Patran读入原始的三维CAD模型，进行有限元分析的前处理；模型共划分136,713个四面体单元（如下图所示）。,发动机曲轴有限元网格图,载荷工况与边界条件,模型在不同位置处分别承受垂直载荷与水平载荷，对应不同的的工况，在各工况下施加约束条件与单位载荷；共定义12个工况；下图所示为其中一个工况下的约束和载荷情况。,一个载荷工况的边界条件,为轴承处约束为联结处载荷,有限元分析结果,模型应力在各工况下分别计算；共得到12个结果工况，应力云图见下图。,各垂直载荷工况下应力结果云图,各水平载荷工况下应力结果云图,载荷历程计算,载荷历程计算,利用MSC.ADAMS2005/Engine对模型进行仿真分析；从分析结果，得出疲劳分析所需的载荷历程。,初始计算条件,发动机夹角：发火夹角120度点火顺序：1-5-3-6-2-4活塞行程：135mm缸间距：135mm缸径：113mm有效连杆长度：217mm轴承数目：7曲柄轴承直径：75mm曲柄轴承长度：42mm主轴承直径：100mm主轴承长度：37mm止推轴承位置：第七主轴承档活塞销直径：45mm活塞销长度：92mm发动机爆发压力曲线见两个EXCEL文件，分别为1400转/分和2300转/分的工况。曲轴材料：42CrMoA弹性模量：2.06E5MPa，泊松比：0.3，强度极限：1080MPa，屈服极限：930MPa,MSC.ADAMS/Engine模型,计算模型,计算模型组成,44MovingParts(notincludingground)12Point_masss1CylindricalJoints5RevoluteJoints12SphericalJoints19FixedJoints5HookeJoints1AtpointPrimitive_Joints25InlinePrimitive_Joints8InplanePrimitive_Joints1OrientationPrimitive_Joints12Parallel_axesPrimitive_Joints8PerpendicularPrimitive_Joints5Motions,计算工况,发动机转速：1400rpm发动机转速：2300rpm,发动机转速1400rpm工况载荷计算结果,各缸爆发压力计算结果（1400rpm）,各缸主轴承载荷计算结果（1400rpm）,止推主轴承载荷计算结果（1400rpm）,各曲柄轴承载荷计算结果（1400rpm）,各活塞销轴承载荷计算结果（1400rpm）,发动机转速2300rpm工况载荷计算结果,各缸爆发压力计算结果（2300rpm）,各缸主轴承载荷计算结果（2300rpm）,止推主轴承载荷计算结果（2300rpm）,各曲柄轴承载荷计算结果（2300rpm）,各活塞销轴承载荷计算结果（2300rpm）,疲劳分析说明,在前面有限元分析和Adams载荷分析基础上，进行疲劳分析；采用s-n寿命预测法计算疲劳寿命；由于模型的材料信息不完全，这里采用近似s-n曲线。,模型上的载荷历程,施加在模型上的载荷已由MSC.Adams计算得出；MSC.Fatigue可将此计算结果文件导入，作为疲劳分析时的载荷历程。,施加在各曲柄连杆连接处垂直方向的载荷历程（六个位置处一个周期）,施加在各曲柄连杆连接处水平方向的载荷历程（六个位置处一个周期）,曲轴材料疲劳数据,材料的疲劳特性曲线可通过查阅手册获得；由于所提供的材料信息不完全，计算中采用近似的s-n曲线（如下图）。,曲轴材料疲劳曲线,疲劳分析结果：旋转次数分布云图,疲劳分析结果：最危险点处位置（绿色标志处）,疲劳分析结果：危险点处寿命及损伤数据,MSC.Fatigue能在设计早期有效地预估零部件的寿命，实现优化设计；结合台架试验及样机试验，可对计算模型进行验证及修正；MSC.ADAMS/Engine方便易用，可以快速建立发动机三维实体模型；MSC.ADAMS/Engine模型修改方便，在同一机型下可以做多组发动机参数对比；MSC.Adams所提供的载荷谱可以方便地