彈塑性力學(xué) 疲勞強(qiáng)度分析及設(shè)計(jì)_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、專題:專題:疲勞與斷裂疲勞與斷裂主要的失效形式主要的失效形式 斷裂、磨損和腐蝕。斷裂、磨損和腐蝕。 緩慢的過(guò)程緩慢的過(guò)程 突變行為突變行為 斷裂斷裂 靜態(tài)斷裂靜態(tài)斷裂 動(dòng)態(tài)斷裂動(dòng)態(tài)斷裂 疲勞斷裂疲勞斷裂 沖擊斷裂沖擊斷裂 金屬在循環(huán)載荷作用下,即使所受的應(yīng)力低于屈服金屬在循環(huán)載荷作用下,即使所受的應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度,也會(huì)發(fā)生斷裂,這種現(xiàn)象稱為疲勞。強(qiáng)度,也會(huì)發(fā)生斷裂,這種現(xiàn)象稱為疲勞。 在汽車上,大約有在汽車上,大約有90%以上零件的失效可歸結(jié)為疲以上零件的失效可歸結(jié)為疲勞。勞。 疲勞斷裂,一般不發(fā)生明顯的塑性變形,難以檢測(cè)疲勞斷裂,一般不發(fā)生明顯的塑性變形,難以檢測(cè)和預(yù)防,因而機(jī)件的疲勞斷裂可

2、能會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)以和預(yù)防,因而機(jī)件的疲勞斷裂可能會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)以至生命的損失。至生命的損失。 疲勞引起的大型災(zāi)難性事故疲勞引起的大型災(zāi)難性事故19791979年美國(guó)航空公司年美國(guó)航空公司DG10DG10型三引擎巨型噴氣型三引擎巨型噴氣客機(jī)連接引擎與機(jī)翼的螺栓因金屬疲勞折斷,從客機(jī)連接引擎與機(jī)翼的螺栓因金屬疲勞折斷,從而導(dǎo)致引擎燃燒爆炸。機(jī)上而導(dǎo)致引擎燃燒爆炸。機(jī)上273273名乘客和機(jī)組人名乘客和機(jī)組人員無(wú)一幸免。員無(wú)一幸免。疲勞引起的大型災(zāi)難性事故疲勞引起的大型災(zāi)難性事故1985年年8月月12日晚上日晚上7時(shí)許日本航空公司的一架波音時(shí)許日本航空公司的一架波音747寬寬體客機(jī),撞在群馬縣附

3、近的山上,機(jī)上體客機(jī),撞在群馬縣附近的山上,機(jī)上509名乘客和名乘客和15名機(jī)名機(jī)組人員僅組人員僅4人獲救外。其余人獲救外。其余52O人全部罹難,這是世界民航人全部罹難,這是世界民航史上單機(jī)發(fā)生的最大空難事件。史上單機(jī)發(fā)生的最大空難事件。 對(duì)飛機(jī)殘骸的分析和同對(duì)飛機(jī)殘骸的分析和同“黑匣子黑匣子”記錄儀進(jìn)行對(duì)照后記錄儀進(jìn)行對(duì)照后,飛機(jī)起飛,飛機(jī)起飛12分鐘后,發(fā)生了分鐘后,發(fā)生了“異常的沖擊異常的沖擊”,同時(shí),同時(shí),壓力隔板損壞,飛機(jī)密封性能的破壞使機(jī)艙內(nèi)急劇減低壓壓力隔板損壞,飛機(jī)密封性能的破壞使機(jī)艙內(nèi)急劇減低壓力;導(dǎo)致飛機(jī)垂直尾翼?yè)p壞并在空中分解。力;導(dǎo)致飛機(jī)垂直尾翼?yè)p壞并在空中分解。 事故

4、分析發(fā)現(xiàn),這架飛機(jī)幾年前發(fā)生過(guò)小失事,飛機(jī)事故分析發(fā)現(xiàn),這架飛機(jī)幾年前發(fā)生過(guò)小失事,飛機(jī)尾舷材料疲勞而損壞過(guò),檢修工作進(jìn)行得很馬虎,在沒(méi)有尾舷材料疲勞而損壞過(guò),檢修工作進(jìn)行得很馬虎,在沒(méi)有徹底排除病根的情況下就算檢修完畢,并交付使用。這次徹底排除病根的情況下就算檢修完畢,并交付使用。這次飛行,由于高度上升過(guò)程的速度快,機(jī)艙內(nèi)外的氣壓發(fā)生飛行,由于高度上升過(guò)程的速度快,機(jī)艙內(nèi)外的氣壓發(fā)生急劇變化,機(jī)艙內(nèi)空氣壓縮機(jī)受到的壓力比機(jī)艙外大得多急劇變化,機(jī)艙內(nèi)空氣壓縮機(jī)受到的壓力比機(jī)艙外大得多。于是,這一裝置在一個(gè)臨界時(shí)刻承受不了這種壓力,使。于是,這一裝置在一個(gè)臨界時(shí)刻承受不了這種壓力,使液壓系統(tǒng)受損

5、,導(dǎo)致強(qiáng)大的氣流吹進(jìn)垂直尾翼內(nèi),使升降液壓系統(tǒng)受損,導(dǎo)致強(qiáng)大的氣流吹進(jìn)垂直尾翼內(nèi),使升降航和方向航失去控制,尾翼上部和方向舵在一瞬間被撕裂航和方向航失去控制,尾翼上部和方向舵在一瞬間被撕裂而墜落。而墜落。疲勞引起的大型災(zāi)難性事故疲勞引起的大型災(zāi)難性事故19981998年德國(guó)一列高速列車在行駛中突然出軌。年德國(guó)一列高速列車在行駛中突然出軌。事故是因?yàn)橐还?jié)車廂的車輪內(nèi)部疲勞斷裂而引起,事故是因?yàn)橐还?jié)車廂的車輪內(nèi)部疲勞斷裂而引起,導(dǎo)致了近導(dǎo)致了近5050年來(lái)德國(guó)最慘重鐵路事故的發(fā)生。年來(lái)德國(guó)最慘重鐵路事故的發(fā)生。 疲勞引起的大型災(zāi)難性事故疲勞引起的大型災(zāi)難性事故20022002年華航年華航CI611

6、CI611飛機(jī)由于金屬疲勞,造成空中飛機(jī)由于金屬疲勞,造成空中解體,造成機(jī)上解體,造成機(jī)上225225名旅客及機(jī)員全部罹難。名旅客及機(jī)員全部罹難。疲勞失效的過(guò)程和機(jī)制。疲勞失效的過(guò)程和機(jī)制。介紹估算裂紋形成壽命的方法,以及延壽技術(shù)。介紹估算裂紋形成壽命的方法,以及延壽技術(shù)。介紹一些疲勞研究的新成果。介紹一些疲勞研究的新成果。金屬疲勞的基本概念和一般規(guī)律。金屬疲勞的基本概念和一般規(guī)律。 本講座主要介紹本講座主要介紹具體目的:具體目的: 精確地估算機(jī)械結(jié)構(gòu)的零構(gòu)件的疲勞壽命,簡(jiǎn)稱定精確地估算機(jī)械結(jié)構(gòu)的零構(gòu)件的疲勞壽命,簡(jiǎn)稱定壽,保證在服役期內(nèi)零構(gòu)件不會(huì)發(fā)生疲勞失效;壽,保證在服役期內(nèi)零構(gòu)件不會(huì)發(fā)生

7、疲勞失效; 采用經(jīng)濟(jì)而有效的技術(shù)和管理措施以延長(zhǎng)疲勞壽命采用經(jīng)濟(jì)而有效的技術(shù)和管理措施以延長(zhǎng)疲勞壽命,簡(jiǎn)稱延壽,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。,簡(jiǎn)稱延壽,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。 循環(huán)應(yīng)力(疲勞應(yīng)力)是指應(yīng)力隨時(shí)間呈周期性循環(huán)應(yīng)力(疲勞應(yīng)力)是指應(yīng)力隨時(shí)間呈周期性的變化。的變化。循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力- -時(shí)間圖時(shí)間圖 應(yīng)力歷程應(yīng)力歷程 循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力 穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力 不穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力不穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力 非規(guī)律性非規(guī)律性: :如汽車的鋼板彈簧如汽車的鋼板彈簧 規(guī)律性規(guī)律性: :機(jī)床的主軸機(jī)床的主軸tt非規(guī)律性非規(guī)律性規(guī)律性規(guī)律性不穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力不穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力變化范圍不變,即循環(huán)應(yīng)力變化范圍

8、不變,即波形不變。波形波形不變。波形通常是正通常是正弦波,此外還有弦波,此外還有三角波以及其它波形三角波以及其它波形。循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力- -時(shí)間圖時(shí)間圖 應(yīng)力歷程應(yīng)力歷程 穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力平均應(yīng)力平均應(yīng)力m m m m( (maxmax+ +minmin) )2 2應(yīng)力比(循環(huán)特性)應(yīng)力比(循環(huán)特性)R R= R=minmin / /maxmax應(yīng)力幅應(yīng)力幅a a或應(yīng)力范圍(應(yīng)力幅度)或應(yīng)力范圍(應(yīng)力幅度) a a=/2=(/2=(maxmax- -minmin)/2,)/2,maxmax和和minmin分別為循環(huán)最大應(yīng)力和循環(huán)最小應(yīng)力;分別為循環(huán)最大應(yīng)力和循環(huán)

9、最小應(yīng)力;循環(huán)應(yīng)力的特征參數(shù):循環(huán)應(yīng)力的特征參數(shù):循環(huán)應(yīng)力分為下列幾種典型情況:循環(huán)應(yīng)力分為下列幾種典型情況:對(duì)稱循環(huán)對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力應(yīng)力 m m=0=0,R R-1-1。大多數(shù)軸類零件,通常受到對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力的作用。大多數(shù)軸類零件,通常受到對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力的作用。 不對(duì)稱循環(huán)不對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力應(yīng)力 m m0 0,R R-1-1。 不對(duì)稱拉伸平均應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱拉伸平均應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力應(yīng)力 m m 0,-1-1R R0 0。大拉小壓循環(huán)。比較常見(jiàn)的不對(duì)稱循環(huán)大拉小壓循環(huán)。比較常見(jiàn)的不對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力應(yīng)力不對(duì)稱壓縮平均應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱壓縮平均應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力應(yīng)力 0 0m ma a,-1-1R R0 0結(jié)構(gòu)中某些支撐件受到這

10、種循環(huán)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中某些支撐件受到這種循環(huán)應(yīng)力- -大拉小壓的作用大拉小壓的作用。脈動(dòng)脈動(dòng)循環(huán)循環(huán)應(yīng)力應(yīng)力 m m= =a a,R R0 0齒輪的齒根和某些壓力容器受到這種脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力的作齒輪的齒根和某些壓力容器受到這種脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力的作用。用。 波動(dòng)波動(dòng)循環(huán)循環(huán)應(yīng)力應(yīng)力 m m a a,0 0R R1 1飛機(jī)機(jī)翼下翼面、鋼梁的下翼緣以及預(yù)緊螺栓等,均承飛機(jī)機(jī)翼下翼面、鋼梁的下翼緣以及預(yù)緊螺栓等,均承受這種循環(huán)應(yīng)力的作用。受這種循環(huán)應(yīng)力的作用。靜(靜(循環(huán)循環(huán))應(yīng)力)應(yīng)力 a a=0=0,R R1 1疲勞的分類疲勞的分類(1 1)按應(yīng)力狀態(tài):彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、復(fù)合疲勞等;)按應(yīng)力狀態(tài):彎曲疲勞、扭

11、轉(zhuǎn)疲勞、復(fù)合疲勞等;(2 2)按環(huán)境:腐蝕疲勞、熱疲勞、接觸疲勞等;)按環(huán)境:腐蝕疲勞、熱疲勞、接觸疲勞等;(3 3)按循環(huán)周期:高周疲勞、低周疲勞;)按循環(huán)周期:高周疲勞、低周疲勞;(4 4)按破壞原因:機(jī)械疲勞、腐蝕疲勞、熱疲勞。)按破壞原因:機(jī)械疲勞、腐蝕疲勞、熱疲勞。(5 5)按初始狀態(tài):無(wú)裂紋零件和裂紋零件的疲勞)按初始狀態(tài):無(wú)裂紋零件和裂紋零件的疲勞疲勞的特點(diǎn)疲勞的特點(diǎn)(1 1)最大應(yīng)力)最大應(yīng)力b b,甚至,甚至 1 1作aN曲線曲線斜率da/dN為裂紋擴(kuò)展速率;裂紋達(dá)到ac c,da/dN無(wú)限大。圖圖 典型的疲勞典型的疲勞裂紋擴(kuò)展速裂紋擴(kuò)展速率曲線率曲線 疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線可

12、以分為三個(gè)區(qū):疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線可以分為三個(gè)區(qū):vI I區(qū)為區(qū)為近門檻區(qū)近門檻區(qū),裂紋擴(kuò)展速率隨著,裂紋擴(kuò)展速率隨著K K的降低而迅的降低而迅速降低,以至速降低,以至dadadN0dN0。與此相對(duì)應(yīng)。與此相對(duì)應(yīng)K K值稱為疲值稱為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值,記為勞裂紋擴(kuò)展門檻值,記為K Kthth。當(dāng)。當(dāng)KKK Kthth 時(shí),時(shí),dadadNdN0 0。這是裂紋擴(kuò)展門檻值的物理定義或理論。這是裂紋擴(kuò)展門檻值的物理定義或理論定義。實(shí)驗(yàn)測(cè)定的裂紋擴(kuò)展門檻值常定義為:定義。實(shí)驗(yàn)測(cè)定的裂紋擴(kuò)展門檻值常定義為:dadadNdN1-31-310-1010-10 m mcyclecycle時(shí)的時(shí)的K K值。值。

13、I I區(qū)接近于區(qū)接近于K Kthth ,故又將故又將I I區(qū)稱為近門檻區(qū)。區(qū)稱為近門檻區(qū)。vIIII區(qū)為區(qū)為中部區(qū)或穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)中部區(qū)或穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū),對(duì)應(yīng)于,對(duì)應(yīng)于dadadNdN1010-8-8- -1010-6-6 m mcyclecycle。在。在IIII區(qū);裂紋擴(kuò)展速率在區(qū);裂紋擴(kuò)展速率在logdlogda a/d/dN N - - loglogK K 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上呈一直線。雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上呈一直線。vIIIIII區(qū)為區(qū)為裂紋快速擴(kuò)展區(qū)裂紋快速擴(kuò)展區(qū),dadadN dN 10-6 - 10-5 m10-6 - 10-5 mcycle, cycle, 并隨著并隨著K K的增大而迅速升高。當(dāng)?shù)脑龃?/p>

14、而迅速升高。當(dāng)K KmaxmaxK K(1-R)=K(1-R)=KICIC 時(shí),試件或零件斷裂。時(shí),試件或零件斷裂。 為了精確地估算零件的裂紋擴(kuò)展壽命為了精確地估算零件的裂紋擴(kuò)展壽命 最著名最著名ParisParis裂紋擴(kuò)展速率公式裂紋擴(kuò)展速率公式 疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式式中式中 C C,m m為實(shí)驗(yàn)測(cè)定的常數(shù)。為實(shí)驗(yàn)測(cè)定的常數(shù)。ParisParis公式僅適用于公式僅適用于IIII區(qū)。區(qū)。 ( (經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式) ) da/dN=C(K)nyxxyr31 sinsin223cos1 sinsin22223sincos22xyxyarssssKas31 sinsin223

15、cos1 sinsin22223sincos22xyxyKrsssKas應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子Ks paris公式。 da/dN=C(K)n n c、n材料試驗(yàn)常數(shù),與材料、應(yīng)力比、環(huán)境等因素有關(guān)。顯微組織對(duì)n的影響不大,多數(shù)材料的n值在24之間變化。根據(jù)應(yīng)力歷程可得應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子歷程 按式計(jì)算裂紋擴(kuò)展壽命,要選擇合適的裂紋擴(kuò)按式計(jì)算裂紋擴(kuò)展壽命,要選擇合適的裂紋擴(kuò)展速率公式,確定初始裂紋尺寸展速率公式,確定初始裂紋尺寸a ai i和臨界裂紋尺寸和臨界裂紋尺寸 a ac c,即積分的上、下限。即積分的上、下限。 修正后的修正后的ParisParis公式,計(jì)算裂紋擴(kuò)展壽命,即公式,計(jì)

16、算裂紋擴(kuò)展壽命,即用用ParisParis公式計(jì)算裂紋擴(kuò)展壽命將會(huì)給出保守的結(jié)果。公式計(jì)算裂紋擴(kuò)展壽命將會(huì)給出保守的結(jié)果。 疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算零件的裂紋擴(kuò)展壽命零件的裂紋擴(kuò)展壽命N Np p,可按下式估算,可按下式估算ciaafdNdadaNciaampKCdaN 延壽技術(shù)延壽技術(shù)1 1細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒 隨著晶粒尺寸的減小,合金的裂紋形成壽隨著晶粒尺寸的減小,合金的裂紋形成壽命和疲勞總壽命延長(zhǎng)。命和疲勞總壽命延長(zhǎng)。2 2減少和細(xì)化合金中的夾雜物減少和細(xì)化合金中的夾雜物 細(xì)化合金中的夾雜物顆細(xì)化合金中的夾雜物顆粒,可以延長(zhǎng)疲勞壽命。粒,可以延長(zhǎng)疲勞壽命。3 3微量合金化微量

17、合金化 向低碳鋼中加鈮,大幅度地提高鋼的強(qiáng)向低碳鋼中加鈮,大幅度地提高鋼的強(qiáng)度和裂紋形成門檻值,大幅度地延長(zhǎng)裂紋形成壽命。度和裂紋形成門檻值,大幅度地延長(zhǎng)裂紋形成壽命。 4 4減少高強(qiáng)度鋼中的殘余奧氏體減少高強(qiáng)度鋼中的殘余奧氏體 將高強(qiáng)度馬氏體綱中將高強(qiáng)度馬氏體綱中的殘余奧氏體由的殘余奧氏體由1212減少到減少到5 5左右左右. . 5 5改善切口根部的表面狀態(tài)改善切口根部的表面狀態(tài) 切削加工會(huì)引起零件表面切削加工會(huì)引起零件表面層的幾何、物理和化學(xué)的變化。層的幾何、物理和化學(xué)的變化。6 6表面噴丸強(qiáng)化表面噴丸強(qiáng)化 是既能延長(zhǎng)裂紋形成壽命,又能延長(zhǎng)是既能延長(zhǎng)裂紋形成壽命,又能延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展壽命的有

18、效方法。裂紋擴(kuò)展壽命的有效方法。其他類型疲勞熱疲勞1、基本概念在循環(huán)熱應(yīng)力和熱應(yīng)變作用下,產(chǎn)生的疲勞稱為熱疲勞。 熱疲勞屬低周疲勞(周期短;明顯塑性變形)。 由溫度和機(jī)械應(yīng)力疊加引起的疲勞,稱為熱機(jī)械疲勞。2、熱應(yīng)力的產(chǎn)生外部約束 不讓材料自由膨脹;內(nèi)部約束 溫度梯度,相互約束,產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)變 導(dǎo)致裂紋的萌生,擴(kuò)展。3、衡量標(biāo)準(zhǔn)一定溫度幅,產(chǎn)生一定尺寸疲勞裂紋的循環(huán)次數(shù)。4、提高熱疲勞壽命的途徑材料 減小熱膨脹系數(shù),提高,均勻性,高溫強(qiáng)度。工件狀況 減小應(yīng)力集中。使用 減小熱沖擊。沖擊疲勞1、基本概念 在重復(fù)沖擊載荷作用下的疲勞斷裂,稱為沖擊疲勞。沖擊次數(shù)N105,具有典型的疲勞斷口。 A

19、kN2、影響沖擊疲勞的因素 小能量多沖擊 主要為強(qiáng)度。 較大能量時(shí) 沖擊作用下,材料易出現(xiàn)塑性變形,即易出現(xiàn)低周疲勞。 能量再大時(shí) 則沖擊疲勞退居次要地位,應(yīng)考慮材料的斷裂韌性。接觸疲勞1、基本概念 對(duì)偶件(如軸承、齒輪等)在交變接觸壓應(yīng)力長(zhǎng)期作用下,而在材料表面產(chǎn)生的疲勞損傷。 形貌:點(diǎn)蝕,淺層剝落和深層剝落。 (軸承、齒輪表面、鋼軌等) 接觸疲勞曲線兩種 接N,接1/N。2、接觸應(yīng)力(赫茲應(yīng)力) 兩物體接觸,表面上產(chǎn)生局部的壓應(yīng)力,稱為接觸應(yīng)力。 接觸處的接觸應(yīng)力為三向壓應(yīng)力。 接觸處,zyx超過(guò)一定深度zyy相應(yīng)的最大切應(yīng)力為:在最大切應(yīng)力處,材料易出現(xiàn)局部塑性變形。222454545x

20、yyzxxxyys ss s s ss s s ss s 接觸疲勞破壞方式(1)麻點(diǎn)剝落局部塑性變形,產(chǎn)生裂紋、擴(kuò)展(滑移帶開(kāi)裂)潤(rùn)滑劑氣蝕(高壓沖擊波)剝落下一塊金屬而形成一凹坑(2)淺層剝落 最大切應(yīng)力處,塑化變形最劇烈,非金屬夾雜物附近萌生裂紋。 表層、次表層產(chǎn)生了加工硬化。(3)深層剝落 過(guò)渡區(qū)是薄弱區(qū),萌生裂紋,先平行于表面擴(kuò)展,后垂直于表面擴(kuò)展,最后形成大的剝落坑。影響接觸疲勞抗力的因素(1)材料內(nèi)因 組織(晶粒大小,相組成,夾雜物,第二相等) (殘余奧氏體,可形成形變M,不利于接觸疲勞) 表面硬度和心部硬度(2)外因 表面粗糙度,接觸精度; 硬度匹配; 潤(rùn)滑情況。疲勞分析的步驟疲

21、勞分析的步驟獲取應(yīng)力譜獲取應(yīng)力譜 獲取材料數(shù)據(jù)獲取材料數(shù)據(jù)損傷計(jì)算損傷計(jì)算壽命評(píng)估壽命評(píng)估現(xiàn)代疲勞分析工具現(xiàn)代疲勞分析工具Ansys+Fe-safeAnsys+Fe-safeMSC.Nastran+MSC.FatigueMSC.Nastran+MSC.Fatigue獲取應(yīng)力譜方法獲取應(yīng)力譜方法應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變片測(cè)量 在應(yīng)力集中的區(qū)域,然后按左下圖在應(yīng)力集中區(qū)域布置三在應(yīng)力集中的區(qū)域,然后按左下圖在應(yīng)力集中區(qū)域布置三個(gè)應(yīng)變片;個(gè)應(yīng)變片;動(dòng)力學(xué)仿真動(dòng)力學(xué)仿真獲取材料數(shù)據(jù)獲取材料數(shù)據(jù) 做一組疲勞測(cè)試(正弦應(yīng)力,拉壓或彎曲均可,有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)做一組疲勞測(cè)試(正弦應(yīng)力,拉壓或彎曲均可,有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)),平均應(yīng)力對(duì)

22、壽命有影響。也可以根據(jù)不同的經(jīng)驗(yàn)公式(如平均應(yīng)力對(duì)壽命有影響。也可以根據(jù)不同的經(jīng)驗(yàn)公式(如準(zhǔn)則,準(zhǔn)則等),由普通的準(zhǔn)則,準(zhǔn)則等),由普通的曲線(即平均應(yīng)力為)來(lái)計(jì)算平均應(yīng)力不為零時(shí)對(duì)應(yīng)的疲勞曲線(即平均應(yīng)力為)來(lái)計(jì)算平均應(yīng)力不為零時(shí)對(duì)應(yīng)的疲勞壽命。壽命。 損傷計(jì)算損傷計(jì)算 損傷累積的計(jì)算方法有很多種,最常用的是線性累計(jì)損傷(損傷累積的計(jì)算方法有很多種,最常用的是線性累計(jì)損傷(即準(zhǔn)則),但其結(jié)果不保守,計(jì)算得到的壽命偏高即準(zhǔn)則),但其結(jié)果不保守,計(jì)算得到的壽命偏高。常用的疲勞分析工具:常用的疲勞分析工具: MSC疲勞分析疲勞分析內(nèi)容內(nèi)容uMSCMSC疲勞分析簡(jiǎn)介疲勞分析簡(jiǎn)介u應(yīng)力應(yīng)力/ /應(yīng)變分

23、析應(yīng)變分析u載荷歷程計(jì)算載荷歷程計(jì)算u疲勞分析疲勞分析u結(jié)論結(jié)論MSC疲勞分析簡(jiǎn)介疲勞分析簡(jiǎn)介u柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在旋轉(zhuǎn)時(shí),承受周期載荷,因此柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在旋轉(zhuǎn)時(shí),承受周期載荷,因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮疲勞破壞因素;設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮疲勞破壞因素;u柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸疲勞屬于高周疲勞問(wèn)題,適合使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸疲勞屬于高周疲勞問(wèn)題,適合使用用s-n方法預(yù)測(cè)壽命;方法預(yù)測(cè)壽命;u疲勞分析必須首先確定模型的載荷分布與載荷歷疲勞分析必須首先確定模型的載荷分布與載荷歷程。程。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)疲勞分析特點(diǎn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)疲勞分析特點(diǎn)疲勞分析步驟:疲勞分析步驟:u利用有限元分析軟件利用有限元分析軟件(本例采用本例采用MSC.Nastr

24、an),得到,得到模型的應(yīng)力模型的應(yīng)力/應(yīng)變分布;應(yīng)變分布;u利用利用MSC.Adams ,得到作用在模型上的載荷歷程;,得到作用在模型上的載荷歷程;u利用利用MSC.Fatigue ,進(jìn)行模型的疲勞分析。,進(jìn)行模型的疲勞分析。MSC公司提供完善的疲勞分析解決方案公司提供完善的疲勞分析解決方案MSC疲勞分析流程疲勞分析流程uMSC.NASTRAN MSC.NASTRAN 有限元分析有限元分析 MSC.FATIGUE MSC.FATIGUE 疲勞壽命分析疲勞壽命分析uMSC.ADAMS MSC.ADAMS 載荷歷程計(jì)算載荷歷程計(jì)算應(yīng)力應(yīng)力/應(yīng)變分析應(yīng)變分析模型上的應(yīng)力模型上的應(yīng)力/應(yīng)變分布應(yīng)變分

25、布u疲勞分析前,模型的應(yīng)力疲勞分析前,模型的應(yīng)力/應(yīng)變分布情況利應(yīng)變分布情況利用有限元分析得到;用有限元分析得到;u使用使用MSC.Patran+MSC.Nastran進(jìn)行模型的進(jìn)行模型的應(yīng)力應(yīng)力/應(yīng)變分析。應(yīng)變分析。應(yīng)力應(yīng)力/應(yīng)變分析應(yīng)變分析uMSC.Patran讀入原始的三維讀入原始的三維CAD模型,進(jìn)模型,進(jìn)行有限元分析的前處理;行有限元分析的前處理;u模型共劃分模型共劃分136,713個(gè)四面體單元(如下圖個(gè)四面體單元(如下圖所示)。所示)。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸有限元網(wǎng)格圖發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸有限元網(wǎng)格圖載荷工況與邊界條件載荷工況與邊界條件u模型在不同位置處分別承受垂直載荷與模型在不同位置處分別承受垂直載荷

26、與水平載荷,對(duì)應(yīng)不同的的工況,在各工水平載荷,對(duì)應(yīng)不同的的工況,在各工況下施加約束條件與單位載荷;況下施加約束條件與單位載荷;u共定義共定義12個(gè)工況;個(gè)工況;u下圖所示為其中一個(gè)工況下的約束和載下圖所示為其中一個(gè)工況下的約束和載荷情況。荷情況。一個(gè)載荷工況的邊界條件一個(gè)載荷工況的邊界條件u 為軸承處約束為軸承處約束u 為聯(lián)結(jié)處載荷為聯(lián)結(jié)處載荷有限元分析結(jié)果有限元分析結(jié)果u模型應(yīng)力在各工況下分別計(jì)算;模型應(yīng)力在各工況下分別計(jì)算;u共得到共得到12個(gè)結(jié)果工況,應(yīng)力云圖見(jiàn)下圖。個(gè)結(jié)果工況,應(yīng)力云圖見(jiàn)下圖。各垂直載荷工況下應(yīng)力結(jié)果云圖各垂直載荷工況下應(yīng)力結(jié)果云圖各水平載荷工況下應(yīng)力結(jié)果云圖各水平載荷

27、工況下應(yīng)力結(jié)果云圖載荷歷程計(jì)算載荷歷程計(jì)算載荷歷程計(jì)算載荷歷程計(jì)算u利用利用MSC.ADAMS 2005/Engine對(duì)模型進(jìn)行仿真對(duì)模型進(jìn)行仿真分析;分析;u從分析結(jié)果,得出疲勞分析所需的載荷歷程。從分析結(jié)果,得出疲勞分析所需的載荷歷程。初始計(jì)算條件初始計(jì)算條件u發(fā)動(dòng)機(jī)夾角:發(fā)火夾角發(fā)動(dòng)機(jī)夾角:發(fā)火夾角120度度u點(diǎn)火順序:點(diǎn)火順序:1-5-3-6-2-4u活塞行程:活塞行程:135mmu缸間距:缸間距:135mmu缸徑:缸徑:113mmu有效連桿長(zhǎng)度:有效連桿長(zhǎng)度:217mmu軸承數(shù)目:軸承數(shù)目:7u曲柄軸承直徑:曲柄軸承直徑:75mmu曲柄軸承長(zhǎng)度:曲柄軸承長(zhǎng)度:42mmu主軸承直徑:主

28、軸承直徑:100mmu主軸承長(zhǎng)度:主軸承長(zhǎng)度:37mmu止推軸承位置:第七主軸承檔止推軸承位置:第七主軸承檔u活塞銷直徑:活塞銷直徑:45mmu活塞銷長(zhǎng)度:活塞銷長(zhǎng)度:92mmu發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力曲線見(jiàn)兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力曲線見(jiàn)兩個(gè)EXCEL文件,分別為文件,分別為1400轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分和分和2300轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分的工況。分的工況。u曲軸材料:曲軸材料:42CrMoAu彈性模量:彈性模量:2.06E5MPa,u泊松比:泊松比:0.3,u強(qiáng)度極限:強(qiáng)度極限:1080MPa,u屈服極限:屈服極限:930MPaMSC.ADAMS/Engine模型模型計(jì)算模型計(jì)算模型計(jì)算模型組成計(jì)算模型組成n44 Moving Par

29、ts (not including ground)n12 Point_masssn1 Cylindrical Jointsn5 Revolute Jointsn12 Spherical Jointsn19 Fixed Jointsn5 Hooke Jointsn1 Atpoint Primitive_Jointsn25 Inline Primitive_Jointsn8 Inplane Primitive_Jointsn1 Orientation Primitive_Jointsn12 Parallel_axes Primitive_Jointsn8 Perpendicular Primiti

30、ve_Jointsn5 Motions計(jì)算工況計(jì)算工況u發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速:1400rpmu發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速:2300rpm發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1400rpm工況載荷計(jì)算結(jié)工況載荷計(jì)算結(jié)果果各缸爆發(fā)壓力計(jì)算結(jié)果(各缸爆發(fā)壓力計(jì)算結(jié)果( 1400rpm )各缸主軸承載荷計(jì)算結(jié)果各缸主軸承載荷計(jì)算結(jié)果( 1400rpm )止推主軸承載荷計(jì)算結(jié)果止推主軸承載荷計(jì)算結(jié)果( 1400rpm )各曲柄軸承載荷計(jì)算結(jié)果各曲柄軸承載荷計(jì)算結(jié)果( 1400rpm )各活塞銷軸承載荷計(jì)算結(jié)果各活塞銷軸承載荷計(jì)算結(jié)果( 1400rpm )發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2300rpm工況載荷計(jì)算結(jié)工況載荷計(jì)算結(jié)果果各缸爆發(fā)壓力計(jì)算結(jié)果(各缸爆發(fā)壓力計(jì)算結(jié)果( 2300rpm )各缸主軸承載荷計(jì)算結(jié)果各缸主軸承載荷計(jì)算結(jié)果( 2300rpm )止推主軸承載荷計(jì)算結(jié)果止推主軸承載荷計(jì)算結(jié)果( 2300rpm )各曲柄軸承載荷計(jì)算結(jié)果各曲柄軸承載荷計(jì)算結(jié)果( 2300rpm )各活塞銷軸承載荷計(jì)算結(jié)果各活塞銷軸承載荷計(jì)算結(jié)果( 2300rpm )疲勞分析說(shuō)明疲勞分析說(shuō)明u在前面有限元分析和在前面有限元分析和Adams載荷分析基礎(chǔ)上,進(jìn)載荷分

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