Class15 车辆结构有限元疲劳分析幻灯片.ppt

1、汽车有限元基础,常熟理工学院（东南校区）,汽车工程学院胡顺安,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 发动机连杆的应力疲劳分析,疲劳软件介绍,这些软件分别由不同的公司推出，其中FE-Fatigue和Nsoft软件是由英国的nCode公司推出的；MSC-Fatigue软件是由nCode和MSC公司合作开发的疲劳分析软件；FE-safe软件是由英国的Safe Technology公司开发的；WinLIFE软件是由德国的Steinbeis TZ交通中心开发的。,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

2、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,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.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：传动系统的零部件一般采用应力疲劳分析，承载系统的结构一般采用应变疲劳分析。,一

3、、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、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曲线可以通过点定义的。,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

4、力需要两个量： 应力比 R=Smin/Smax 应力幅 Sa=（Smax-Smin）/2,二、应力疲劳分析,1.S-N曲线 当Smax=-Smin时，R=-1，是对称循环； 当Smax=Smin时，R=1，S=0，是静载荷； 当Smin=0，而Smax0时，R=0,应力比 R=Smin/Smax 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,GoodMan法 Soderberg法 Ger

5、ber法 None不进行修正 Mean Stress Curves,X方向应力/Y/Z XY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

6、式 SmN=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-Based,Fully Reversed,R=0,R=-1,Ratio,指定应力比R=X,History,指定载荷时间

7、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

8、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/Z XY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

9、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；,二、应力疲劳分析,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

10、。 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=

11、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、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

12、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、发动机连杆的应力疲劳分