车辆结构有限元疲劳分析

1、车辆结构有限元分析第九章 车辆结构有限元疲劳分析结构疲劳分析基础应力疲劳分析典型材料试件应力疲劳分析发动机连杆的应力疲劳分析一、结构疲劳分析基础 车辆是运动并承载的机械，其结构承受的载荷大部分都是交变载荷。零部件失效中，由疲劳裂纹引起的结构失效断裂事故占总断裂事故的70-80以上，约有50-90的机械结构的破坏属于疲劳破坏。一、结构疲劳分析基础 人们对车辆结构疲劳的研究主要集中在车辆的承载结构，如悬架、车轮、车架、横向稳定杆、发动机连杆、传动轴等。一、结构疲劳分析基础疲劳失效的原因有哪些呢？1）设计原因2）材质原因3）制造(工艺)原因4）其他原因（安装调试、维修运转等）一、结构疲劳分析基础1.

2、疲劳分类 疲劳通常分为两类：第一种是高周疲劳，即：在载荷的循环次数（104109）高的情况下产生的，应力通常比材料的极限强度低，一般采用应力疲劳分析法；第二种是低周疲劳，在循环次数相对较低时发生，一般采用应变疲劳分析法。塑性变形常常伴随低周疲劳。 对于车辆结构的疲劳分析：承载系统的结构一般采用应变疲劳分析，传动系统的零部件一般采用应力疲劳分析。一、结构疲劳分析基础2.疲劳破坏的特点 1）疲劳发生的外部原因是扰动应力；2）疲劳破坏产生于局部；3）疲劳是一个发展的过程 从疲劳裂纹的形成到裂纹扩展，以致最后断裂，是疲劳损伤逐渐累积的过程。 一般分为三个阶段：裂纹萌生、裂纹扩展和最后失稳扩展断裂。一、

3、结构疲劳分析基础3.疲劳分析的基本流程 材料的疲劳特性S-N曲线 E-N曲线有限元静力学分析结果载荷谱疲劳分析方法疲劳寿命二、应力疲劳分析1.S-N曲线 在ANSYS WB中S-N曲线是通过点定义的。 二、应力疲劳分析1.S-N曲线 S-N曲线又被称为材料的疲劳性能，用于描述应力S和破坏时的寿命N之间的关系。描述循环应力需要两个量：应力比R=Smin/Smax和应力幅Sa=（Smax-Smin）/2。二、应力疲劳分析2.应力疲劳分析流程定义S-N曲线设置疲劳分析类型选择载荷类型平均应力修正应力分量的选取疲劳修正应力疲劳分析恒幅，比例载荷恒幅，非比例载荷非恒幅，比例载荷非恒幅，非比例载荷Good

4、Man法Soderberg法Gerber法None不进行修正Mean Stress CurvesX方向应力/Y/ZXY平面应力YZ平面应力XZ平面应力Von Mises应力带符号的Von Mises应力最大剪应力最大主应力最大主应力最大值定义有限寿命数值疲劳强度系数载荷缩放系数二、应力疲劳分析2.应力疲劳分析流程二、应力疲劳分析3.材料基本的S-N曲线裂纹萌生 裂纹扩展 最后失稳扩展断裂 材料疲劳性能试验所用标准试件一般是小尺寸(3-10mm）光滑圆柱试件。材料的基本S-N曲线，给出的是光滑材料在恒幅对称应力作用下的裂纹萌生寿命。二、应力疲劳分析S-N曲线的数学表达式有：（1）幂函数式 SmN

5、=C lgS=A+BlgN (Log-Log)（2）指数式 emsN=C S=A+BlgN (Semi-Log)A=lgC/m B=-1/m m和C与材料、应力比、加载方式有关。（3）三参数式 （S-Sf）mN=C（4）S-N曲线的近似估值定义S-N曲线二、应力疲劳分析4.设置疲劳分析类型设置疲劳分析类型应力疲劳分析 Stress Life应变疲劳分析 Strain Life高周疲劳低周疲劳二、应力疲劳分析5.载荷类型载荷类型Zero-BasedFully ReversedR=0R=-1Ratio指定应力比R=XHistory指定载荷时间历程非恒定幅值比例载荷二、应力疲劳分析6.平均应力对疲劳

6、寿命的影响 平均应力对疲劳寿命的影响就是考虑应力比R的变化对疲劳寿命会产生影响，从而需要对S-N曲线进行修正。ANSYS WB提供了平均应力修正的五个选项：GoodMan法Soderberg法Gerber法None不进行修正Mean Stress Curves二、应力疲劳分析7.应力分量的选取 在进行结构应力分析的过程中，得到的是多轴应力。但在试验过程中得到的一般是单轴应力。在ANSYS WB应力疲劳分析中可以选择X、Y、Z三个方向的应力分量，Von Mises应力，带符号Von Mises应力等。在考虑压缩平均应力对疲劳寿命的影响中，带符号Von Mises应力是非常有用的，X方向应力/Y/

7、ZXY平面应力YZ平面应力XZ平面应力Von Mises应力带符号的Von Mises应力最大剪应力最大主应力最大主应力最大值二、应力疲劳分析8.疲劳强度系数Kf Kf是疲劳强度系数，又称为疲劳强度缩减系数（fatigue strength reduction factor）。通过这一系数对S-N曲线进行调整。通过疲劳强度系数用于反映表面加工状态等因素对疲劳强度的影响。疲劳修正定义有限寿命数值疲劳强度系数载荷缩放系数二、应力疲劳分析9.载荷谱 进行疲劳分析时，首先必须确定零部件或结构工作状态下所承受的载荷谱。载荷谱的确定通常有两种方法：1）借助已有的类似构件、结构或其模型，在使用条件或模拟使用

8、条件下进行测量，得到各典型工况下的载荷谱，再将各工况组合起来得到的载荷谱，称为实测载荷谱；2）在没有适当的类似结构或模型时，依据设计目标分析工作状态，结合经验估计载荷谱，这样给出的是设计载荷谱。二、应力疲劳分析 9.载荷谱例如：有台商用车，设计寿命50万km，前轴上的设计承载为70kN，我们推导前轮轮轴的设计载荷谱。 轮轴承受静态垂直载荷为Fv，star=70/2=35 kN。（1）直线行驶的动态载荷谱垂直动态力：取动载荷系数为2.28，则为80 kN。侧向动态力Fy=Fv，star0.3512 kN纵向动态力Fx=Fv，star0.5018 kN二、应力疲劳分析（2）转弯行驶的最大动态力侧向

9、动态力Fy=Fv，star1.550 kN纵向动态力Fx=Fv，star0.931 kN（3）制动行驶的最大动态力制动时最大垂直力Fv=Fv，star2.277 kN制动时最大垂纵力Fx=Fv，star1.449 kN二、应力疲劳分析9.载荷谱 在上述力的作用下。轮轴的关键部位的最大应力幅值应力比确定如下：设计寿命50万km，每1km轮轴转动300次，故总循环次数为500000300=1.5108。直线行驶：96%1.5108=1.44108转弯行驶： 2%1.5108=3106制动：1.5108-1.44108-3106=3106 实际工况比需要根据行驶路况具体定，70%:20%:10%。二

10、、应力疲劳分析9.载荷谱 通过有限元静态分析计算，得到车辆在三种工况下的应力与循环次数的分布如下表：二、应力疲劳分析10.Miner线性累积损伤理论 对载荷谱（载荷时间历程）计数，得到载荷（S）循环次数（n）图： 构件在应力水平Si作用下，经受ni次循环损伤为Di=ni/Ni。若在k个应力水平Si作用下，则其总损伤为： D= 三、典型材料试件应力疲劳分析实例1：Q235钢材断裂强度为439MPa，S-N曲线的数据表达式为lgNp=ap+bplgS，99.9%概率下的ap=19.8662，bp=-6.2982。交变载荷F=94200N，求该件的疲劳寿命。三、典型材料试件应力疲劳分析三、典型材料试件应力疲劳分析划分网格三、典型材料试件应力疲劳分析施加载荷和约束三、典型材料试件应力疲劳分析定义分析分析结果三、典型材料试件应力疲劳分析疲劳分析设置三、典型材料试件应力疲劳分析求解结果四、发动机连杆的应力疲劳分析实例2：连杆受载荷幅值为4500N，为恒幅载荷，平均载荷为0（R=-1）。材料默认为Structure Steel。求发动机连杆的安全系数。四、发动机连杆的应力疲劳分析 直接打开Conrod-fatigue.wbpj文件，导入ConRod.x_t，并对Geometry进行编辑。四、发动机连杆的应力