汽車車身設(shè)計(jì)-第七章車身疲勞強(qiáng)度分析基礎(chǔ) PPT課件

1 普通高等教育 十一五 國家級規(guī)劃教材 汽車車身設(shè)計(jì) 2 第七章車身疲勞強(qiáng)度分析基礎(chǔ) 3 提綱 第一節(jié)疲勞破壞的特征及影響疲勞壽命的因素一 疲勞破壞的特征二 影響疲勞壽命的因素第二節(jié)疲勞設(shè)計(jì)方法一 疲勞強(qiáng)度 疲勞極限與疲勞壽命的概念二 疲勞設(shè)計(jì)方法簡介三 確定疲勞壽命的方法四 疲勞分析軟件第三節(jié)疲勞分析基本理論簡介一 疲勞問題二 應(yīng)力循環(huán)三 S N曲線四 平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 第四節(jié)車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析流程和方法一 車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析流程概述二 疲勞壽命分析結(jié)果的實(shí)例第五節(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算一 載荷二 慣性釋放分析三 應(yīng)力影響系數(shù)和線性疊加四 結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算的模態(tài)法第六節(jié)單軸疲勞壽命預(yù)測一 危險單元的選擇二 單軸疲勞壽命的預(yù)測方法第七節(jié)綜合事件下的疲勞壽命分析一 樣本載荷二 綜合事件下危險疲勞單元的選擇三 綜合事件下的疲勞壽命預(yù)測 4 概述疲勞強(qiáng)度問題汽車行駛中 由于路面不平整等因素影響 車身結(jié)構(gòu)通常會受到交變載荷的作用 由這種交變載荷引起的強(qiáng)度問題疲勞破壞在交變載荷重復(fù)作用下材料或結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象材料或結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷后 應(yīng)力值雖沒超過材料的強(qiáng)度極限 甚至比彈性極限還低得多的情況下就可能發(fā)生破壞疲勞在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動應(yīng)力 且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的 永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程疲勞與斷裂是引起工程結(jié)構(gòu)和構(gòu)件失效的最主要的原因 也是導(dǎo)致汽車車身承載結(jié)構(gòu)早期破壞的主要原因 第一節(jié)疲勞破壞的特征及影響疲勞壽命的因素一 疲勞破壞的特征二 影響疲勞壽命的因素 5 變載荷作用下 交變應(yīng)力在遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限 破壞就可能發(fā)生常表現(xiàn)為低應(yīng)力類脆性斷裂 在宏觀上常表現(xiàn)為無明顯塑性變形的突然斷裂在斷口處明顯的分為兩個區(qū) 光滑區(qū)和粗糙區(qū) 這是判定是否為疲勞破壞的一個重要判據(jù)疲勞破壞常具有局部性質(zhì)疲勞破壞是一個累積損傷的過程 通常要經(jīng)歷裂紋形成 裂紋擴(kuò)展 裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時的快速斷裂三個階段 第一節(jié)疲勞破壞的特征及影響疲勞壽命的因素一 疲勞破壞的特征二 影響疲勞壽命的因素 6 影響因素材料本質(zhì)化學(xué)成份金相組織纖維方向內(nèi)部有無缺陷零件幾何形狀及表面質(zhì)量應(yīng)力集中系數(shù)尺寸系數(shù)表面光潔度工作條件載荷特性 應(yīng)力狀態(tài) 應(yīng)力比 載荷順序 載荷頻率等環(huán)境介質(zhì)使用溫度表面熱處理和殘余內(nèi)應(yīng)力冷作硬化表面熱處理表面涂層 第一節(jié)疲勞破壞的特征及影響疲勞壽命的因素一 疲勞破壞的特征二 影響疲勞壽命的因素 7 1 應(yīng)力集中的影響疲勞源總是出現(xiàn)在應(yīng)力集中的地方 使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度降低 對疲勞強(qiáng)度有較大影響應(yīng)力集中對材料強(qiáng)度的影響靜強(qiáng)度 與材料的性質(zhì)有關(guān) 對脆性材料影響較大 對塑性較好的材料則影響較小疲勞強(qiáng)度 不論是對塑性材料還是對脆性材料 都是不可忽視的影響因素 第一節(jié)疲勞破壞的特征及影響疲勞壽命的因素一 疲勞破壞的特征二 影響疲勞壽命的因素 8 2 尺寸的影響零件尺寸對疲勞強(qiáng)度有較大的影響 這同應(yīng)力梯度和材料不均勻性有關(guān)注意 一般零件的疲勞強(qiáng)度隨其尺寸的增大而降低尺寸不同 相同載荷作用下 零件的應(yīng)力梯度不同 大尺寸零件的高應(yīng)力區(qū)域大 產(chǎn)生疲勞裂紋的概率大大尺寸零件中包含了更多可能產(chǎn)生疲勞裂紋的不利因素加工零件時 表面將有一些硬化 這通?？商岣咂跇O限 對小試件的影響較大 第一節(jié)疲勞破壞的特征及影響疲勞壽命的因素一 疲勞破壞的特征二 影響疲勞壽命的因素 9 3 表面加工及表面處理的影響疲勞裂紋源通常萌生于試件表面 零部件的表面狀況對其疲勞強(qiáng)度有著顯著的影響外表面的應(yīng)力水平往往最高 缺陷往往也最多表面層材料的約束小 滑移帶最易開動表面敏感系數(shù) 第一節(jié)疲勞破壞的特征及影響疲勞壽命的因素一 疲勞破壞的特征二 影響疲勞壽命的因素 10 3 表面加工及表面處理的影響 1 表面加工粗糙度 1表面加工粗糙度對疲勞強(qiáng)度有很大的影響一般來說 表面加工粗糙度越低 疲勞強(qiáng)度就越高表面加工缺陷是產(chǎn)生應(yīng)力集中的因素 往往就是疲勞源 會大大降低疲勞強(qiáng)度特別是對高強(qiáng)度材料 第一節(jié)疲勞破壞的特征及影響疲勞壽命的因素一 疲勞破壞的特征二 影響疲勞壽命的因素 11 3 表面加工及表面處理的影響 2 表層組織結(jié)構(gòu) 2表面層對零部件的疲勞強(qiáng)度有重要影響可通過表面處理工藝來提高表面層的疲勞強(qiáng)度表面滲碳滲氮氰化表面淬火表面激光處理等 第一節(jié)疲勞破壞的特征及影響疲勞壽命的因素一 疲勞破壞的特征二 影響疲勞壽命的因素 12 3 表面加工及表面處理的影響 3 表層應(yīng)力狀態(tài) 3表面冷作變形是提高零部件疲勞強(qiáng)度的有效途徑 本質(zhì)是改變了零部件表層的應(yīng)力狀態(tài)滾壓噴丸擠壓 第一節(jié)疲勞破壞的特征及影響疲勞壽命的因素一 疲勞破壞的特征二 影響疲勞壽命的因素 13 4 溫度的影響材料在不同溫度下 疲勞強(qiáng)度會有很大的變化高溫時在靜載荷長期作用下 材料存在蠕變現(xiàn)象溫度越高 材料的蠕變變形越快 破壞所需的時間就越短高于室溫 但低于蠕變溫度高溫對疲勞壽命的影響是降低其疲勞強(qiáng)度這時 要評價構(gòu)件的疲勞性能 需要采用對應(yīng)高溫條件下的疲勞曲線 第一節(jié)疲勞破壞的特征及影響疲勞壽命的因素一 疲勞破壞的特征二 影響疲勞壽命的因素 14 5 載荷施加形式的影響1 載荷頻率構(gòu)件疲勞強(qiáng)度與其在單次循環(huán)中處于高應(yīng)力水平下的時間有關(guān)隨著載荷頻率的提高 構(gòu)件在單次循環(huán)中處于高應(yīng)力水平下的時間會減少 從而疲勞強(qiáng)度會提高提高頻率相當(dāng)于提高加載速率 加載速率高于裂紋擴(kuò)展速率時使裂紋來不及擴(kuò)展 從而使其疲勞強(qiáng)度與壽命提高進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)疲勞分析時 要重點(diǎn)考慮頻率較低的路面載荷2 應(yīng)力狀態(tài)一般 拉應(yīng)力容易使裂紋擴(kuò)展 而壓應(yīng)力則相反進(jìn)行疲勞分析時 應(yīng)該考慮應(yīng)力狀態(tài)的影響 對結(jié)果進(jìn)行修正 第一節(jié)疲勞破壞的特征及影響疲勞壽命的因素一 疲勞破壞的特征二 影響疲勞壽命的因素 15 疲勞強(qiáng)度材料或構(gòu)件在交變載荷作用下的強(qiáng)度材料或構(gòu)件疲勞性能的好壞用疲勞強(qiáng)度來衡量疲勞極限在一定循環(huán)特征R下 材料可以承受無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力Smax 一般用Sr表示 因材料的疲勞極限隨加載方式和應(yīng)力比的不同而異 通常以對稱循環(huán)下的疲勞極限作為材料的基本疲勞極限疲勞強(qiáng)度的大小用疲勞極限來衡量疲勞壽命疲勞失效時所經(jīng)受的應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù) 一般用N表示試樣的疲勞壽命取決于材料的力學(xué)性能和所施加的應(yīng)力水平 一般 材料的強(qiáng)度極限愈高 外加的應(yīng)力水平愈低 試樣的疲勞壽命就愈長材料S N曲線表示外加應(yīng)力水平和標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞壽命之間關(guān)系的曲線 第二節(jié)疲勞設(shè)計(jì)方法一 疲勞強(qiáng)度 疲勞極限與疲勞壽命的概念二 疲勞設(shè)計(jì)方法簡介三 確定疲勞壽命的方法四 疲勞分析軟件 16 疲勞設(shè)計(jì)方法用以處理動應(yīng)力以及由動應(yīng)力而產(chǎn)生的破壞方式的基本方法疲勞破壞是車輛產(chǎn)品最主要的一種失效方式車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 除考慮必要的靜強(qiáng)度外 必須進(jìn)行疲勞分析和按疲勞觀點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì) 第二節(jié)疲勞設(shè)計(jì)方法一 疲勞強(qiáng)度 疲勞極限與疲勞壽命的概念二 疲勞設(shè)計(jì)方法簡介三 確定疲勞壽命的方法四 疲勞分析軟件 17 1 無限壽命設(shè)計(jì)無限壽命設(shè)計(jì)是最早的疲勞設(shè)計(jì)方法 它要求構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)力低于其疲勞極限 從而具有無限壽命對于需要經(jīng)歷無限次循環(huán) 107次 的零部件 如車架 車身骨架的承載區(qū)域等 無限壽命設(shè)計(jì)是一種簡單而合理的設(shè)計(jì)方法缺點(diǎn) 設(shè)計(jì)過于保守 構(gòu)件比較笨重 第二節(jié)疲勞設(shè)計(jì)方法一 疲勞強(qiáng)度 疲勞極限與疲勞壽命的概念二 疲勞設(shè)計(jì)方法簡介三 確定疲勞壽命的方法四 疲勞分析軟件 18 2 安全壽命設(shè)計(jì)是依據(jù)試驗(yàn)中得到的S N曲線來進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法只保證零構(gòu)件在規(guī)定的使用期限內(nèi)能安全使用 允許零構(gòu)件的工作應(yīng)力超過其疲勞極限汽車等對自重有較高要求的產(chǎn)品都廣泛使用這種設(shè)計(jì)方法安全壽命設(shè)計(jì)必須考慮安全系數(shù) 以考慮疲勞數(shù)據(jù)的分散性和其他未知因素的影響可根據(jù)S N曲線設(shè)計(jì) 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì) 也可根據(jù) N曲線進(jìn)行設(shè)計(jì) 局部應(yīng)力應(yīng)變法 第二節(jié)疲勞設(shè)計(jì)方法一 疲勞強(qiáng)度 疲勞極限與疲勞壽命的概念二 疲勞設(shè)計(jì)方法簡介三 確定疲勞壽命的方法四 疲勞分析軟件 19 3 破損 安全設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用年限中 允許產(chǎn)生疲勞裂紋 并允許疲勞裂紋擴(kuò)展 但其剩余結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)大于限制載荷 在設(shè)計(jì)中要采用斷裂控制措施 確保裂紋在被檢測出來而未修復(fù)之前不致造成結(jié)構(gòu)破壞 第二節(jié)疲勞設(shè)計(jì)方法一 疲勞強(qiáng)度 疲勞極限與疲勞壽命的概念二 疲勞設(shè)計(jì)方法簡介三 確定疲勞壽命的方法四 疲勞分析軟件 20 4 損傷容限設(shè)計(jì)是破損 安全設(shè)計(jì)方法的體現(xiàn)和改進(jìn)首先假定零構(gòu)件內(nèi)存在初始裂紋 應(yīng)用斷裂力學(xué)方法來估算其剩余壽命 并通過試驗(yàn)來校驗(yàn) 確保在使用期內(nèi)裂紋不致擴(kuò)展到引起破壞的程度適用于裂紋擴(kuò)展緩慢而斷裂韌性高的材料 第二節(jié)疲勞設(shè)計(jì)方法一 疲勞強(qiáng)度 疲勞極限與疲勞壽命的概念二 疲勞設(shè)計(jì)方法簡介三 確定疲勞壽命的方法四 疲勞分析軟件 21 5 耐久性設(shè)計(jì)前述方法共同點(diǎn) 以保證結(jié)構(gòu)的安全為目的以構(gòu)件最危險的細(xì)節(jié)的疲勞破壞代表整個構(gòu)件的破壞兩個問題 除最危險細(xì)節(jié)外 其它可能發(fā)生疲勞破壞處的損傷情況如何 它們是否會在轉(zhuǎn)變?yōu)橛绊懡Y(jié)構(gòu)安全的主要矛盾 如何在保證結(jié)構(gòu)安全和功能的條件下 提高結(jié)構(gòu)使用 維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性 耐久性設(shè)計(jì)方法 以結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)壽命分析為基礎(chǔ)的一種更經(jīng)濟(jì) 更有效的疲勞設(shè)計(jì)方法兩個最重要的發(fā)展從考慮若干最危險的細(xì)節(jié) 發(fā)展到考慮結(jié)構(gòu)中可能發(fā)生疲勞開裂的細(xì)節(jié)全體從保證結(jié)構(gòu)的使用安全性 發(fā)展到既考慮結(jié)構(gòu)使用安全又追求更好的使用維修經(jīng)濟(jì)性 第二節(jié)疲勞設(shè)計(jì)方法一 疲勞強(qiáng)度 疲勞極限與疲勞壽命的概念二 疲勞設(shè)計(jì)方法簡介三 確定疲勞壽命的方法四 疲勞分析軟件 22 主要有兩類 試驗(yàn)法和試驗(yàn)分析法試驗(yàn)法完全依賴于試驗(yàn) 是傳統(tǒng)的方法直接通過與實(shí)際情況相同或相似的試驗(yàn)來獲取所需的疲勞數(shù)據(jù)可靠 但必須在樣機(jī)試制之后才能進(jìn)行 費(fèi)用高 周期長 且無法和設(shè)計(jì)并行 試驗(yàn)結(jié)果不具有通用性試驗(yàn)分析法依據(jù)材料的疲勞性能 對照結(jié)構(gòu)所受到的載荷歷程 按分析模型來確定結(jié)構(gòu)的疲勞壽命包含三部分 材料疲勞行為的描述 循環(huán)載荷下結(jié)構(gòu)的響應(yīng) 疲勞累積損傷法則按計(jì)算疲勞損傷參量不同分為 名義應(yīng)力法 局部應(yīng)力應(yīng)變法 應(yīng)力應(yīng)變場強(qiáng)度法 能量法 損傷力學(xué)法 功率譜密度法等 第二節(jié)疲勞設(shè)計(jì)方法一 疲勞強(qiáng)度 疲勞極限與疲勞壽命的概念二 疲勞設(shè)計(jì)方法簡介三 確定疲勞壽命的方法四 疲勞分析軟件 23 疲勞壽命分析方法隨計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元分析的發(fā)展得到了廣泛的應(yīng)用用有限元法計(jì)算疲勞壽命第一步 根據(jù)載荷和幾何結(jié)構(gòu)計(jì)算其中的應(yīng)力變化歷程第二步 獲得應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)后 結(jié)合材料性能參數(shù) 應(yīng)用不同的疲勞損傷模型進(jìn)行壽命計(jì)算有限元技術(shù)已成為一種不可缺少的分析工具 在一些重要的工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用有限元疲勞計(jì)算的優(yōu)點(diǎn) 可以和設(shè)計(jì)并行能夠減少試驗(yàn)樣機(jī)的數(shù)量 縮短開發(fā)周期 降低開發(fā)成本 提高市場競爭力 第二節(jié)疲勞設(shè)計(jì)方法一 疲勞強(qiáng)度 疲勞極限與疲勞壽命的概念二 疲勞設(shè)計(jì)方法簡介三 確定疲勞壽命的方法四 疲勞分析軟件 24 MSC FatigueETA VPGFEMFAT 第二節(jié)疲勞設(shè)計(jì)方法一 疲勞強(qiáng)度 疲勞極限與疲勞壽命的概念二 疲勞設(shè)計(jì)方法簡介三 確定疲勞壽命的方法四 疲勞分析軟件 25 抗疲勞設(shè)計(jì)的問題壽命計(jì)算通常不如強(qiáng)度計(jì)算精確疲勞特性不能從其他機(jī)械特性中精確地推斷出來 必須直接測量才能得到為確保使用壽命 做整機(jī)測試是很有必要的同樣環(huán)境下得到的測試試驗(yàn)結(jié)果可能大相徑庭 這就需要用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來解釋材料和外形的選擇必須考慮到裂紋擴(kuò)展速率緩慢 盡量在發(fā)生破壞前就檢查出裂紋的存在為了獲得一定的可靠性 必須進(jìn)行 失效安全 設(shè)計(jì) 第三節(jié)疲勞分析基本理論簡介一 疲勞問題二 應(yīng)力循環(huán)三 S N曲線四 平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 26 無限壽命設(shè)計(jì)條件構(gòu)件的應(yīng)力水平通常用名義應(yīng)力表示 上述方法稱為名義應(yīng)力法 S N 名義應(yīng)力法主要適用于構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力水平在材料的彈性范圍內(nèi) 而且材料的失效循環(huán)次數(shù)很高的高頻疲勞問題應(yīng)力水平較高 循環(huán)次數(shù)較低的低頻疲勞區(qū)問題 在疲勞區(qū)通常會存在塑性應(yīng)變成分 名義應(yīng)力法的效果不好 應(yīng)該使用基于應(yīng)變 壽命分析的理論 如 局部應(yīng)力 應(yīng)變 N 法 第三節(jié)疲勞分析基本理論簡介一 疲勞問題二 應(yīng)力循環(huán)三 S N曲線四 平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 27 典型的疲勞應(yīng)力循環(huán)對稱循環(huán) 圖a 完全對稱的正弦型等幅應(yīng)力循環(huán) 在沒有過載且以恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸中最常見脈動循環(huán) 圖b 最大應(yīng)力不等于最小應(yīng)力 且都是拉伸應(yīng)力隨機(jī)應(yīng)力循環(huán) 圖c 應(yīng)力循環(huán)沒有一定的規(guī)律 通常是由作用在結(jié)構(gòu)上的隨機(jī)載荷所致 這種情況在實(shí)際工程中更具有代表性 第三節(jié)疲勞分析基本理論簡介一 疲勞問題二 應(yīng)力循環(huán)三 S N曲線四 平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 28 第三節(jié)疲勞分析基本理論簡介一 疲勞問題二 應(yīng)力循環(huán)三 S N曲線四 平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 29 第三節(jié)疲勞分析基本理論簡介一 疲勞問題二 應(yīng)力循環(huán)三 S N曲線四 平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 30 S N曲線材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命 一般用N表示疲勞壽命取決于材料的力學(xué)性能和施加的應(yīng)力 應(yīng)變水平 一般 材料的強(qiáng)度極限愈高 外加的應(yīng)力 應(yīng)變水平愈低 試樣的疲勞壽命就愈長表示外加應(yīng)力 應(yīng)變水平和標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞壽命間關(guān)系的曲線稱為材料的S N曲線 簡稱S N曲線 又稱為Wohler曲線 第三節(jié)疲勞分析基本理論簡介一 疲勞問題二 應(yīng)力循環(huán)三 S N曲線四 平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 31 確定S N曲線的步驟疲勞特性都是用完全對稱應(yīng)力循環(huán) R 1 下進(jìn)行的R R Moore的疲勞測試用四點(diǎn)載荷法施加彎矩對旋轉(zhuǎn)圓柱形的沙漏狀試樣進(jìn)行試驗(yàn) 試樣測試部分的直徑在6mm到8mm之間 為克服試件表面缺陷對試驗(yàn)結(jié)果的影響 試驗(yàn)前對試件表面進(jìn)行鏡面磨光試樣表面的應(yīng)力水平仍然用彈性梁方程來計(jì)算式中 S為垂直于橫斷面處的名義應(yīng)力 M為彎矩 c為表面到中性軸的距離 I為截面慣性矩 第三節(jié)疲勞分析基本理論簡介一 疲勞問題二 應(yīng)力循環(huán)三 S N曲線四 平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 32 確定S N曲線的步驟確定S N曲線的方法在某一高應(yīng)力水平下對第一根試樣進(jìn)行試驗(yàn) 此應(yīng)力水平大約是材料靜拉伸強(qiáng)度的三分之二隨后的試樣中 試驗(yàn)應(yīng)力降低到至少有一個或兩個試樣在1 107次循環(huán)前失效試樣不發(fā)生失效的最高應(yīng)力與相鄰應(yīng)力水平的應(yīng)力平均值就是材料的疲勞極限S N曲線通常要測試15根試樣來確定 測試結(jié)果有很大的分散性 需要統(tǒng)計(jì)分析S N數(shù)據(jù)一般用交變應(yīng)力 應(yīng)力幅 a和應(yīng)力范圍 r對失效周期的雙對數(shù)形式畫出 第三節(jié)疲勞分析基本理論簡介一 疲勞問題二 應(yīng)力循環(huán)三 S N曲線四 平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 33 S N曲線的限定S N對于循環(huán)載荷引起的名義應(yīng)力在彈性范圍內(nèi)的情況比較有效 為保證不發(fā)生明顯的塑性 必須把壽命軸設(shè)定為大于104次 否則誤差會很大 第三節(jié)疲勞分析基本理論簡介一 疲勞問題二 應(yīng)力循環(huán)三 S N曲線四 平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 34 S N曲線的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和多年的經(jīng)驗(yàn)積累 人們已經(jīng)在金屬材料 尤其是鋼材 的S N曲線和拉伸特性之間建立了比較成熟的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式當(dāng)強(qiáng)度不同的不同鋼材的S N曲線用疲勞極限Se 即106次循環(huán)時的應(yīng)力幅S6 和極限抗拉強(qiáng)度Su繪出時 所有的曲線都傾向于下式表達(dá)的簡單曲線根據(jù)這些指可以得到材料的通用S N曲線 第三節(jié)疲勞分析基本理論簡介一 疲勞問題二 應(yīng)力循環(huán)三 S N曲線四 平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 35 多數(shù)疲勞數(shù)據(jù)是在實(shí)驗(yàn)室里用對稱載荷 R 1 做試驗(yàn)的方法采集到的 但結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)都包含非零的平均應(yīng)力了解平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 才能有效地使用由對稱載荷得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行疲勞評估 第三節(jié)疲勞分析基本理論簡介一 疲勞問題二 應(yīng)力循環(huán)三 S N曲線四 平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 36 在給定壽命的條件下 研究循環(huán)應(yīng)力幅和平均應(yīng)力的關(guān)系 可得到Haigh曲線 第三節(jié)疲勞分析基本理論簡介一 疲勞問題二 應(yīng)力循環(huán)三 S N曲線四 平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 37 第三節(jié)疲勞分析基本理論簡介一 疲勞問題二 應(yīng)力循環(huán)三 S N曲線四 平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 38 第三節(jié)疲勞分析基本理論簡介一 疲勞問題二 應(yīng)力循環(huán)三 S N曲線四 平均應(yīng)力對疲勞過程的影響 估算等效應(yīng)力幅 循環(huán)特征曲線 39 疲勞耐久性研究方法試驗(yàn)測試方法CAE仿真分析方法這兩種方法都需要對道路載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和測得材料的疲勞參數(shù) 第四節(jié)車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析流程和方法一 車身結(jié)構(gòu)整體耐久性分析流程二 虛擬疲勞耐久性集成化仿真分析中的一些方法三 在車身設(shè)計(jì)初期階段疲勞計(jì)算載荷的選用四 評估疲勞壽命的模態(tài)法 40 車身疲勞壽命CAE分析過程單元過濾 識別耐久性危險區(qū)和敏感單元通道過濾 識別危險車身安裝部位通道載荷載荷過濾 識別危險工況的載荷根據(jù)上述 計(jì)算危險單元的應(yīng)力 時間歷程和疲勞壽命 第四節(jié)車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析流程和方法一 車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析流程概述二 疲勞壽命分析結(jié)果的實(shí)例 41 1 模型描述和計(jì)算在流程中 第一步要建立整備車身模型 并將模型用模態(tài)綜合 CMS 方法描述到多體軟件中 建立整車剛?cè)峤M合模型 第四節(jié)車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析流程和方法一 車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析流程概述二 疲勞壽命分析結(jié)果的實(shí)例 a 有限元模型b 車身 底盤16個安裝點(diǎn) 白車身結(jié)構(gòu)的有限元模型和車身 底盤安裝點(diǎn) 42 2 危險通道載荷底盤上的載荷是通過整備車身安裝部位傳遞到車身上例 輸入耐久性分析過程的一個循環(huán)道路載荷數(shù)據(jù) 并進(jìn)行頻譜分析獲得頻率曲線將載荷加入整車剛?cè)岫囿w模型的整車數(shù)據(jù)文件 通過動力仿真計(jì)算 獲得車身支承的各個通道載荷 第四節(jié)車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析流程和方法一 車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析流程概述二 疲勞壽命分析結(jié)果的實(shí)例 43 3 危險循環(huán)事件載荷對耐久性分析的道路載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行雨流分析 獲得各事件載荷 時間歷程數(shù)據(jù)將各事件載荷 時間歷程數(shù)據(jù)輸入整車模型 對車身疲勞應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算 識別若干個危險循環(huán)事件載荷 第四節(jié)車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析流程和方法一 車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析流程概述二 疲勞壽命分析結(jié)果的實(shí)例 44 4 綜合循環(huán)事件載荷 進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算最終車身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)疲勞壽命 取決于危險循環(huán)事件載荷的組合將循環(huán)事件載荷輸入疲勞分析程序 進(jìn)行疲勞分析計(jì)算危險單元的應(yīng)力分量和一維當(dāng)量應(yīng)力時間歷程 并對后者按雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行頻譜分析 獲得直方圖根據(jù)直方圖得出最大 最小應(yīng)力 計(jì)算平均應(yīng)力和應(yīng)力幅等應(yīng)力參數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)危險單元的累積損傷和疲勞壽命 循環(huán)次數(shù) 里程 和基于參考名義應(yīng)力的安全系數(shù)等 第四節(jié)車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析流程和方法一 車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析流程概述二 疲勞壽命分析結(jié)果的實(shí)例 45 略 第四節(jié)車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析流程和方法一 車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析流程概述二 疲勞壽命分析結(jié)果的實(shí)例 46 1 獲取載荷的傳統(tǒng)方法實(shí)測方法載荷的表示時域頻域 第五節(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算一 載荷二 慣性釋放分析三 應(yīng)力影響系數(shù)和線性疊加四 模態(tài)應(yīng)力計(jì)算 47 2 獲取載荷的仿真方法虛擬試驗(yàn)場道路的模擬整車系統(tǒng)的模擬輪胎底盤系統(tǒng)車身 第五節(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算一 載荷二 慣性釋放分析三 應(yīng)力影響系數(shù)和線性疊加四 模態(tài)應(yīng)力計(jì)算 48 車輛在粗糙道路上運(yùn)動時 車身相當(dāng)于一個無約束的結(jié)構(gòu)慣性釋放是在NASTRAN軟件中提供的一種方法 可用于無約束結(jié)構(gòu)的靜態(tài)計(jì)算或模態(tài)分析 而且可以節(jié)省很多計(jì)算時間 第五節(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算一 載荷二 慣性釋放分析三 應(yīng)力影響系數(shù)和線性疊加四 模態(tài)應(yīng)力計(jì)算 49 外力作用于無約束結(jié)構(gòu)時 整個結(jié)構(gòu)在無約束方向?qū)⒔?jīng)受一個剛體加速度 結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的質(zhì)量將在每個自由的方向產(chǎn)生一個慣性力將慣性力加到系統(tǒng)上與外力抗衡 則系統(tǒng)處于無約束靜平衡狀態(tài)整個剛體的運(yùn)動可視為重心的線位移 加上其它各點(diǎn)繞重心的轉(zhuǎn)動所以 第五節(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算一 載荷二 慣性釋放分析三 應(yīng)力影響系數(shù)和線性疊加四 模態(tài)應(yīng)力計(jì)算 50 應(yīng)用將外力作用于結(jié)構(gòu) 計(jì)算出相應(yīng)的剛體車身加速度 進(jìn)而計(jì)算出所有各點(diǎn)的慣性力將這些慣性力與原來的力一起施加到結(jié)構(gòu)上 完成常規(guī)的靜態(tài)有限元計(jì)算 得到彈性結(jié)構(gòu)的位移場和內(nèi)力 第五節(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算一 載荷二 慣性釋放分析三 應(yīng)力影響系數(shù)和線性疊加四 模態(tài)應(yīng)力計(jì)算 51 影響系數(shù)采用慣性釋放方法對整備車身模型進(jìn)行分析時 若分別對整備車身模型全部安裝點(diǎn)的一個載荷通道方向作用一單位力 其余通道都給予零載荷 可計(jì)算得到模型在逐個單位載荷下對應(yīng)的應(yīng)力 影響系數(shù) 第五節(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算一 載荷二 慣性釋放分析三 應(yīng)力影響系數(shù)和線性疊加四 模態(tài)應(yīng)力計(jì)算 52 載荷的非耦合效應(yīng)作用于車身一側(cè)的載荷 對車身另一側(cè)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命沒有大的影響 反之亦然 作用于車身前端的載荷 對車身后端結(jié)構(gòu)的疲勞壽命沒有大的影響整個車身系統(tǒng)的疲勞問題可以處理為一個非耦合問題 可對車身的每一部分分別在危險載荷作用下進(jìn)行疲勞壽命分析 并按線性疊加 第五節(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算一 載荷二 慣性釋放分析三 應(yīng)力影響系數(shù)和線性疊加四 模態(tài)應(yīng)力計(jì)算 53 1 瞬態(tài)響應(yīng)分析兩種數(shù)值方法 直接法和模態(tài)法模態(tài)法 利用結(jié)構(gòu)振型縮減并解耦運(yùn)動方程 是數(shù)值求解一個較小的非耦合方程系統(tǒng) 然后將各個模態(tài)響應(yīng)疊加得到瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果模態(tài)法的基本點(diǎn)在于將物理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為模態(tài)坐標(biāo) 第五節(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算一 載荷二 慣性釋放分析三 應(yīng)力影響系數(shù)和線性疊加四 模態(tài)應(yīng)力計(jì)算 54 2 模態(tài)疊加應(yīng)力對于第i階模態(tài) 在結(jié)構(gòu)某位置的應(yīng)變向量可表示為模態(tài)應(yīng)力張量為單元的應(yīng)力張量 第五節(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算一 載荷二 慣性釋放分析三 應(yīng)力影響系數(shù)和線性疊加四 模態(tài)應(yīng)力計(jì)算 55 3 邊界條件和載荷條件1 無約束結(jié)構(gòu)計(jì)及整車的重量和地面的平衡力 啟動慣性釋放功能 進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算 求得所需的車身安裝部位通道載荷 再用有限元軟件進(jìn)行正交模態(tài)分析 并求車身結(jié)構(gòu)響應(yīng)2 預(yù)載荷的影響結(jié)構(gòu)的模態(tài)響應(yīng)受邊界條件的影響 且預(yù)載荷對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性或疲勞特性的影響可能很大 所以預(yù)載荷對剛度的影響在以后的動態(tài)分析中不能忽略 第五節(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算一 載荷二 慣性釋放分析三 應(yīng)力影響系數(shù)和線性疊加四 模態(tài)應(yīng)力計(jì)算 56 4 疲勞壽命預(yù)測1 完成整備車身的模態(tài)分析2 確定疲勞損傷分析方法準(zhǔn)靜態(tài)法模態(tài)法3 計(jì)算疲勞應(yīng)力 以及疲勞損傷 第五節(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算一 載荷二 慣性釋放分析三 應(yīng)力影響系數(shù)和線性疊加四 模態(tài)應(yīng)力計(jì)算 57 1 單軸疲勞應(yīng)力 1 VonMises一維當(dāng)量應(yīng)力將多軸應(yīng)力歷程轉(zhuǎn)化為單軸當(dāng)量應(yīng)力歷程 2 臨界平面應(yīng)力假設(shè)產(chǎn)生裂紋的原因是來自正交于開裂平面的應(yīng)力 且認(rèn)為開裂面是不變的用于預(yù)測單元內(nèi)部該平面上的損傷程度 第六節(jié)單軸疲勞壽命預(yù)測一 危險單元的選擇二 單軸疲勞壽命的預(yù)測方法 58 2 應(yīng)力排序和單元分類應(yīng)力排序?yàn)樽R別