傳動(dòng)系疲勞計(jì)算及CAE分析

傳動(dòng)系疲勞計(jì)算及CAE分析趙勇2014.3.12目錄疲勞計(jì)算基礎(chǔ)知識(shí)疲勞計(jì)算實(shí)例CAE應(yīng)用簡介CAE計(jì)算實(shí)例一.疲勞計(jì)算基礎(chǔ)知識(shí)疲勞定義及特點(diǎn)（ASTME206-72）

在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為疲勞。特點(diǎn)：擾動(dòng)應(yīng)力，高應(yīng)力局部，裂紋，發(fā)展過程。研究目的：預(yù)測壽命。N=Ni+Np裂紋萌生+擴(kuò)展SSmax0Smint常用導(dǎo)出量：平均應(yīng)力Sm=(Smax+Smin)/2

應(yīng)力幅Sa=(Smax-Smin)/2

應(yīng)力變程DS=Smax-Smin

應(yīng)力比R=Smin/Smax恒幅循環(huán)應(yīng)力水平的基本量：Smax

SminSmSaSa循環(huán)應(yīng)力(cyclestress)的描述0StR=-1對(duì)稱循環(huán)0StR=1靜載0StR=0脈沖循環(huán)疲勞計(jì)算分類應(yīng)力疲勞:Smax<Sy，Nf>104，也稱高周疲勞。應(yīng)變疲勞:Smax>Sy，Nf<104，也稱低周應(yīng)變疲勞。應(yīng)力s應(yīng)變eSyo疲勞計(jì)算需要用到：材料疲勞特性（S-N曲線）外部載荷譜R=-1(Sa=Smax)條件下得到的S-N曲線。用一組標(biāo)準(zhǔn)試件，在R=-1下，施加不同的Sa，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，可得到S-N曲線。疲勞極限(endurancelimit

)Sf：壽命N趨于無窮大時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力S的極限值Sf。對(duì)稱循環(huán)下的疲勞極限Sf(R=-1)，簡記為S-1。滿足S＜Sf的設(shè)計(jì)，即無限壽命設(shè)計(jì)?；維-N曲線S103104105106107NfSNSf冪函數(shù)式Sm.N=C

m與C是與材料、應(yīng)力比、加載方式等有關(guān)的參數(shù)。二邊取對(duì)數(shù)，有:lgS=A+BlgNS-N間有對(duì)數(shù)線性關(guān)系；參數(shù)A=LgC/m,B=-1/m。LgS34567LgNSfS-N曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式StR=-1R=-1/3R=0SmR，Sm；且有：

Sm=(1+R)Sa/(1-R)Sm>0,拉伸平均應(yīng)力作用對(duì)疲勞是不利；Sm<0,壓縮平均應(yīng)力存在對(duì)疲勞是有利的。噴丸、擠壓和預(yù)應(yīng)變殘余壓應(yīng)力提高壽命。Sa不變，RorSm；N；N不變，RorSm；SN;SNSm<0Sm=0Sm>0aR增大平均應(yīng)力Sm的影響SS-1aSuSmN=104N=107Sa/S-1101Sm/SuN=107Haigh圖如圖，在等壽命線上，

Sm，Sa；SmSu。GerberGoodman直線形式簡單，且在給定壽命下，由此作出的Sa-Sm關(guān)系估計(jì)是偏于保守，故在工程實(shí)際中常用。Gerber：(Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1Goodman：(Sa/S-1)+(Sm/Su)=1Sa-Sm關(guān)系（等壽命曲線）典型載荷塊：“100起落”SN(起落次數(shù))100200某飛機(jī)主輪轂實(shí)測載荷譜滑行滑行滑行拐彎拐彎著陸著陸載荷譜分實(shí)測譜和設(shè)計(jì)譜。SS1n3S2S3n2n10n設(shè)計(jì)載荷譜外部載荷譜

若構(gòu)件在某恒幅應(yīng)力水平S作用下，循環(huán)至破壞的壽命為N，則循環(huán)至n次時(shí)的損傷定義為：

D=n/N若n=0,則D=0，構(gòu)件未受損傷；若n=N，則D=1，發(fā)生疲勞破壞D隨循環(huán)數(shù)n線性增長：Di=ni/Ni疲勞破壞判據(jù)為：D=1Miner線性累積損傷理論nD0n1D1N1ni

是在Si作用下的循環(huán)次數(shù)，由載荷譜給出；Ni

是在Si下循環(huán)到破壞的壽命，由S-N曲線確定。

若構(gòu)件在k個(gè)應(yīng)力水平Si作用下，各經(jīng)受ni次循環(huán)，總損傷為：

(i=1,2,...k

)DDnNikii==??1Miner

線性累積損傷理論的破壞準(zhǔn)則為：

DnNii==?1Miner線性累積損傷理論二.疲勞計(jì)算實(shí)例

齒數(shù)齒寬變位系數(shù)螺旋角法向壓力角法向模數(shù)MotorPinion20400.318853017.51.5MotorWheel9540-4.33E-02OutputPinion2050-9.64E-0215202.25OutputWheel6750-0.46516

輸入軸轉(zhuǎn)速(rpm)傳遞功率(kW)持續(xù)時(shí)間(h)工況1200089000工況21500101000幾何參數(shù)列表設(shè)計(jì)載荷譜Romax模型齒輪疲勞計(jì)算因此，Motor

Pinion齒輪壽命為：10000/61.189%=16342.8(h)軸承疲勞計(jì)算OutputShaftLeftBearing：

因此，OutputShaftLeftBearing壽命為：10000/49.7%=20120.7(h)三.CAE應(yīng)用簡介靜強(qiáng)度分析主要用來分析由于穩(wěn)態(tài)外載荷所引起的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等。應(yīng)力云圖變形云圖疲勞分析主要用來分析構(gòu)件受外載荷（恒幅、隨機(jī)變幅）作用下產(chǎn)生的疲勞損傷、壽命。應(yīng)力云圖損傷云圖壽命云圖接觸分析主要用來分析相接觸的兩構(gòu)件之間的接觸應(yīng)力大小及分布情況。應(yīng)力云圖接觸應(yīng)力云圖模態(tài)分析主要用來求解結(jié)構(gòu)件的固有頻率及其振型。前5階固有頻率15432溫度場分析主要用來分析溫度的分布及其產(chǎn)生的熱應(yīng)力情況。溫度分布云圖表淬壓應(yīng)力云圖碰撞分析用于對(duì)碰撞、沖擊過程進(jìn)行模擬，查看碰撞過程中的最大應(yīng)力及變形。應(yīng)力云圖能量變化曲線四.CAE計(jì)算實(shí)例拖拉機(jī)輸出前軸CAE分析危險(xiǎn)截面不考慮應(yīng)力集中時(shí)，危險(xiǎn)截面處最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為光軸切應(yīng)力云圖原輸出前軸切應(yīng)力云圖可見，危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力集中較嚴(yán)重，由于應(yīng)力集中，最大切應(yīng)力由93.29MPa增大到260.65MPa。靜強(qiáng)度分析改后輸出前軸切應(yīng)力云圖改進(jìn)后，危險(xiǎn)截面處最大切應(yīng)力由260.65MPa降為209.97MPa，應(yīng)力水平降低了19.4%。安全系數(shù)由1.036增大到1.286。改前改后疲勞分析經(jīng)計(jì)算，原輸出前軸危險(xiǎn)截面處經(jīng)20000次脈動(dòng)循環(huán)載荷作用后造