传动系疲劳计算及CAE分析

1、传动系疲劳计算及CAE分析赵 勇2014.3.12目录一疲劳计算基础知识二疲劳计算实例三CAE应用简介四CAE计算实例一.疲劳计算基础知识 疲劳定义及特点（ASTM E206-72）在在某点或某些点承受某点或某些点承受扰动应力扰动应力，且在足够多的，且在足够多的循环扰动作用之后形成循环扰动作用之后形成裂纹裂纹或完全断裂的材料中所或完全断裂的材料中所发生的发生的局部局部永久结构变化的永久结构变化的发展过程发展过程，称为疲劳。，称为疲劳。扰动应力，高应力局部，裂纹，发展过程。扰动应力，高应力局部，裂纹，发展过程。N=Ni i+Np p 裂纹萌生裂纹萌生+ + 扩展扩展SSmax0Smint恒幅循环

2、恒幅循环应力水应力水平的基本量：平的基本量： Smax SminSmSaSa 循环应力 (cycle stress)的描述0StR= -1对称循环0StR=1静载0StR=0脉冲循环 疲劳计算分类应力疲劳应力疲劳: Smax104， 也称也称高周疲劳高周疲劳。应变疲劳应变疲劳: SmaxSy， Nf104， 也称也称低周低周应变应变疲劳。疲劳。应力应力 s s应变应变 e eSyo疲劳计算需要用到：疲劳计算需要用到：1. 材料疲劳特性（材料疲劳特性（S-N曲线）曲线）2. 外部载荷谱外部载荷谱用用一组标准一组标准试件，试件，在在R=-1下，下，施加不同的施加不同的Sa，进行疲劳试验，进行疲劳试

3、验，可得到可得到S-N曲线。曲线。 基本S-N曲线S103104105106107NfSNSf m与与C是与材料、应力比、加载方式等有关的参是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。数。 二二边取对数，有边取对数，有:lg S=A+B lgN S-N间有间有对数线性对数线性关系；关系；参数参数 A=LgC/m, B=-1/m。Lg S34567Lg NSf S-N曲线的数学表达式StR=-1R=-1/3R=0SmSNSm0aR增大 平均应力Sm的影响SS-1aSuSmN=104N=107Sa/S-110 1 Sm/Su N=107 Haigh 图如图，在等寿命线上，如图，在等寿命线上， Sm ，

4、Sa ； Sm Su。GerberGoodman Sa-Sm关系（等寿命曲线）典型载荷块典型载荷块：“100100起落起落”SN(起落次数起落次数)100200某飞机主轮毂实测载荷谱滑行滑行滑行拐弯拐弯着陆着陆载荷谱分实测谱和设计谱。载荷谱分实测谱和设计谱。SS1S2S30n设计载荷谱 外部载荷谱 Miner线性累积损伤理论nD0n1D1N1 Miner线性累积损伤理论二.疲劳计算实例齿数齿宽变位系数 螺旋角 法向压力角 法向模数Motor Pinion20400.318853017.51.5Motor Wheel9540-4.33E-02Output Pinion2050-9.64E-021

5、5202.25Output Wheel6750-0.46516输入轴转速(rpm)传递功率(kW) 持续时间(h)工况1200089000工况21500101000几何参数列表设计载荷谱Romax模型 齿轮疲劳计算lg32.6012lg111.2435NS HPH32.6012lg111.243532.6012lg111.24352:101059.114%Load caseDamage因此，Motor Pinion齿轮寿命为：10000/61.189%=16342.8 (h) 轴承疲劳计算Output Shaft Left Bearing： 36101ISO1ISO103478.511158.

6、3=11633.4=7150010410486010.163466709.71000/14.9%nmnmARPXRYACCLnPaaLa aLDL因此， Output Shaft Left Bearing寿命为：10000/49.7%=20120.7 (h)三.CAE应用简介 静强度分析 主要用来分析由于稳态外载荷所引起的位移、应力和应变等。应力云图变形云图 疲劳分析 主要用来分析构件受外载荷（恒幅、随机变幅）作用下产生的疲劳损伤、寿命。应力云图损伤云图寿命云图 接触分析 主要用来分析相接触的两构件之间的接触应力大小及分布情况。应力云图接触应力云图 模态分析 主要用来求解结构件的固有频率及其振

7、型。前5阶固有频率1 15 54 43 32 2 温度场分析 主要用来分析温度的分布及其产生的热应力情况。温度分布云图表淬压应力云图 碰撞分析 用于对碰撞、冲击过程进行模拟，查看碰撞过程中的最大应力及变形。应力云图能量变化曲线四.CAE计算实例 拖拉机输出前轴CAE分析危险截面不考虑应力集中时，危险截面处最大扭转切应力为光轴切应力云图原输出前轴切应力云图可见，危险截面处的应力集中较严重，由于应力集中，最大切应力由93.29MPa增大到260.65MPa。 静强度分析改后输出前轴切应力云图改进后，危险截面处最大切应力由260.65MPa降为209.97MPa，应力水平降低了19.4%。安全系数由1.036增大到1.286。改前改后 疲劳分析lg5.6789lg19.0673NS 经计算，原输出前轴危险截面处经20000次脉动循环载荷作用后造成的损伤为1.0172，构件已发生破坏。构件实际寿命为20000/1.0172=19661次循环损伤云图寿命云图损伤云图寿命云图改后的输出前轴危险截面处经20000次脉动循环载荷作用后造成的损伤为0.17027，构件实际寿命为20000/0.17027=1.1746e5次循环，寿命提高了