第5章 零件的疲劳强度分析(补充)-学生
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内燃机零件强度 分析与疲劳试验
参考书：《材料力学—金属疲劳》 《疲劳强度》 《结构疲劳强度》
静强度计算
• • • 用于受静载零件和不太重要受变载零件 可用于对受变载荷零件的初步计算。 静载下零件失效（failure）形式：⑴屈服 ⑵断裂 （脆性或者韧性断裂） 第一强度理论：最大拉应力（最大主应力）：用于脆 性金属，如铸铁 第三强度理论：最大剪应力：塑性材料，屈雷斯加应 力（ Tresca） 第四强度理论：歪形能理论，米塞斯应力（ von mises）
零件的载荷谱和应力谱
• • • 动态应变仪可测量零件应力历程 有限元分析可计算零件应力历程 如何计算疲劳强度？？
简单应力循环（对称和脉动）
• 最大应力，最小应力（应力幅、平均应力，应力比）
Smax Smin Sm 2
Smax - Smin Sa 2
Smin R Smax
随机应力循环
S（ -1 R -1)
S （ 0 R 0)
材料疲劳强度的估算
高周疲劳和低周疲劳
• 低周疲劳、高周疲劳、安全寿命 • 高周疲劳：S-N曲线 低周：e-N曲线
疲劳计算
如平均应力不为0，修正S—N曲线 （Smith、 Goodman、Goodman-Smith、Haigh、等寿命曲线等）
• 左Smith图纵坐标：σmax, σmax 右图纵坐标：σa
• 随机应力和简单应力的如何等效？
S-N曲线
• • S-N曲线：对称循环应力下的试验，疲劳主要取决于 应力循环次数，受应力波形、频率影响不大， 有限寿命和无限寿命： 钢：107 次：无限寿命 铝：人为指定，如2X107 或5X107
材料的疲劳极限
• 一定的循环特征（应力比R=-1，或R=0 ），一定的循 环次数（钢107,铝要指定)下的最大应力（对R=-1来 说就是应力幅）
大应变低周疲劳寿命主要由应变控制（e-N曲线）
影响疲劳强度的因素
多种载荷下的疲劳寿命（S-N曲线的应用）
疲劳损伤线性累积（Miner法则）
复杂载荷的处理
• 疲劳主要取决于最大、最小应力（应力幅和 平均应力），应力循环的次数。波形、频率 对疲劳影响较小（正弦和三角波差别不大） • 平均应力为零的正弦应力：S-N曲线 • 平均应力不为零的正弦应力：Goodman图 • 多个正弦应力的作用：Miner准则
•
•
4通道轮胎耦合道路模拟试验机（4-poster）
MTS和Instron 电液伺服试验设备）
16通道轴耦合道路模拟试验机
2通道摩托车轮胎耦合道路模拟试验机
Honda的3通道轴耦合道路模拟试验机
曲轴疲劳强度试验方法
• Rig testing：曲柄销圆角应力 • 钢轴：107 球铁：5x106 • 几个小时完成疲劳试验
• • •
疲劳强度计算
• • • • 疲劳破坏：零件在变应力下的失效 金属材料的疲劳极限远小于强度极限，约1/3左右 45钢 σ-1=260MPa， σb=600MPa 疲劳破坏没有明显的塑性变形，疲劳断口的典型形貌 特征 断口分析：电镜扫描（SEM）+能谱分析（EDS）
疲劳强度计算
• • • • S-N曲线 Goodman曲线（Goodman-Simth,Haigh图） 雨流计数法 Miner准则
百度文库
• 任意的应力循环（随机载荷）怎样应用？
复杂载荷的处理——载荷计数
随机疲劳载荷等效处理——载荷计数（循环次数）
• • 各种计数方法：峰值计数、幅值计数、雨流计数 雨流计数法最常用
雨流计数
疲劳试验
• 0、整机试验复杂，成本高，优先零部件试验 • 1、零部件试验中，真实载荷复杂，难以施加。可施加根据载
•
•
Mahle公司的活塞销试验
• 右图为试验和分析的关系性
含平均应力的疲劳极限图的简化形式
• Gerber抛物线公式
•
Goodman直线公式，偏保守，简单，最常用
•
其他公式（折线）
Goodman-Smith、Haigh曲线
QT800的疲劳极限图
•
•
• • •
以平均应力为横坐标，最大应力（=平均应力+应力幅）为纵坐 标得点L，从原点过L作直线交于点F，得安全系数。n F / a 2 max 2 直线斜率k一定，则R一定。 k max m max min 1 R 用的是同一R下，应力幅比值。 问题：疲劳极限多是弯曲试验得到，拉压，扭转疲劳极限是不 同的，非弯曲受载应用该弯曲疲劳极限图不合理。 注意：安全系数有不同的定义方法
活塞销孔疲劳
高压腔压力：0～25 MPa 低压腔压力：0～5 MPa 波形：正弦，相位差180° 频率：15 Hz 107 次循环需8X24h
连杆疲劳强度试验（Rig Test）
• 电液伺服试验台（大头动力润滑，磨损不能模拟）
滑动轴承零部件试验（Rig testing）
• Underwood 轴承试验（多用）：偏心块调整轴承载 荷
荷计数的得到的等效载荷，多为正弦载荷。计数组的个数、载 荷施加顺序、载荷施加频率对试验结果是有影响的 • 2、摩托车和汽车的道路模拟试验机。能再现整车受到的实际载 荷，还能滤掉对疲劳影响很小的载荷（如107），加速疲劳试验 进程 3、摩托车和汽车的在试车场进行耐久试验。试车场包含了可能 遇到的典型路面：大正弦路、比利时路、搓板路 4、本田摩托（上海研究所）的100米“典型路面”测量路谱， 得到载荷谱，然后进行耐久试验？
• Sapphire 轴承试验：液压油调整轴承载荷 • 用于轴承轴承可靠性，但难以和发动机测试关联
活塞销磨损试验
• • • 要体现销座的弯曲变形 油雾和点滴泵润滑 电液伺服高频模拟销孔合力（气体力、惯性力、连 杆力），保证合力方向 浮式销慢速旋转 仍难以和发动机试验关联，可考察表面粗糙度、处 理度
参考书：《材料力学—金属疲劳》 《疲劳强度》 《结构疲劳强度》
静强度计算
• • • 用于受静载零件和不太重要受变载零件 可用于对受变载荷零件的初步计算。 静载下零件失效（failure）形式：⑴屈服 ⑵断裂 （脆性或者韧性断裂） 第一强度理论：最大拉应力（最大主应力）：用于脆 性金属，如铸铁 第三强度理论：最大剪应力：塑性材料，屈雷斯加应 力（ Tresca） 第四强度理论：歪形能理论，米塞斯应力（ von mises）
零件的载荷谱和应力谱
• • • 动态应变仪可测量零件应力历程 有限元分析可计算零件应力历程 如何计算疲劳强度？？
简单应力循环（对称和脉动）
• 最大应力，最小应力（应力幅、平均应力，应力比）
Smax Smin Sm 2
Smax - Smin Sa 2
Smin R Smax
随机应力循环
S（ -1 R -1)
S （ 0 R 0)
材料疲劳强度的估算
高周疲劳和低周疲劳
• 低周疲劳、高周疲劳、安全寿命 • 高周疲劳：S-N曲线 低周：e-N曲线
疲劳计算
如平均应力不为0，修正S—N曲线 （Smith、 Goodman、Goodman-Smith、Haigh、等寿命曲线等）
• 左Smith图纵坐标：σmax, σmax 右图纵坐标：σa
• 随机应力和简单应力的如何等效？
S-N曲线
• • S-N曲线：对称循环应力下的试验，疲劳主要取决于 应力循环次数，受应力波形、频率影响不大， 有限寿命和无限寿命： 钢：107 次：无限寿命 铝：人为指定，如2X107 或5X107
材料的疲劳极限
• 一定的循环特征（应力比R=-1，或R=0 ），一定的循 环次数（钢107,铝要指定)下的最大应力（对R=-1来 说就是应力幅）
大应变低周疲劳寿命主要由应变控制（e-N曲线）
影响疲劳强度的因素
多种载荷下的疲劳寿命（S-N曲线的应用）
疲劳损伤线性累积（Miner法则）
复杂载荷的处理
• 疲劳主要取决于最大、最小应力（应力幅和 平均应力），应力循环的次数。波形、频率 对疲劳影响较小（正弦和三角波差别不大） • 平均应力为零的正弦应力：S-N曲线 • 平均应力不为零的正弦应力：Goodman图 • 多个正弦应力的作用：Miner准则
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4通道轮胎耦合道路模拟试验机（4-poster）
MTS和Instron 电液伺服试验设备）
16通道轴耦合道路模拟试验机
2通道摩托车轮胎耦合道路模拟试验机
Honda的3通道轴耦合道路模拟试验机
曲轴疲劳强度试验方法
• Rig testing：曲柄销圆角应力 • 钢轴：107 球铁：5x106 • 几个小时完成疲劳试验
• • •
疲劳强度计算
• • • • 疲劳破坏：零件在变应力下的失效 金属材料的疲劳极限远小于强度极限，约1/3左右 45钢 σ-1=260MPa， σb=600MPa 疲劳破坏没有明显的塑性变形，疲劳断口的典型形貌 特征 断口分析：电镜扫描（SEM）+能谱分析（EDS）
疲劳强度计算
• • • • S-N曲线 Goodman曲线（Goodman-Simth,Haigh图） 雨流计数法 Miner准则
百度文库
• 任意的应力循环（随机载荷）怎样应用？
复杂载荷的处理——载荷计数
随机疲劳载荷等效处理——载荷计数（循环次数）
• • 各种计数方法：峰值计数、幅值计数、雨流计数 雨流计数法最常用
雨流计数
疲劳试验
• 0、整机试验复杂，成本高，优先零部件试验 • 1、零部件试验中，真实载荷复杂，难以施加。可施加根据载
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Mahle公司的活塞销试验
• 右图为试验和分析的关系性
含平均应力的疲劳极限图的简化形式
• Gerber抛物线公式
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Goodman直线公式，偏保守，简单，最常用
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其他公式（折线）
Goodman-Smith、Haigh曲线
QT800的疲劳极限图
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以平均应力为横坐标，最大应力（=平均应力+应力幅）为纵坐 标得点L，从原点过L作直线交于点F，得安全系数。n F / a 2 max 2 直线斜率k一定，则R一定。 k max m max min 1 R 用的是同一R下，应力幅比值。 问题：疲劳极限多是弯曲试验得到，拉压，扭转疲劳极限是不 同的，非弯曲受载应用该弯曲疲劳极限图不合理。 注意：安全系数有不同的定义方法
活塞销孔疲劳
高压腔压力：0～25 MPa 低压腔压力：0～5 MPa 波形：正弦，相位差180° 频率：15 Hz 107 次循环需8X24h
连杆疲劳强度试验（Rig Test）
• 电液伺服试验台（大头动力润滑，磨损不能模拟）
滑动轴承零部件试验（Rig testing）
• Underwood 轴承试验（多用）：偏心块调整轴承载 荷
荷计数的得到的等效载荷，多为正弦载荷。计数组的个数、载 荷施加顺序、载荷施加频率对试验结果是有影响的 • 2、摩托车和汽车的道路模拟试验机。能再现整车受到的实际载 荷，还能滤掉对疲劳影响很小的载荷（如107），加速疲劳试验 进程 3、摩托车和汽车的在试车场进行耐久试验。试车场包含了可能 遇到的典型路面：大正弦路、比利时路、搓板路 4、本田摩托（上海研究所）的100米“典型路面”测量路谱， 得到载荷谱，然后进行耐久试验？
• Sapphire 轴承试验：液压油调整轴承载荷 • 用于轴承轴承可靠性，但难以和发动机测试关联
活塞销磨损试验
• • • 要体现销座的弯曲变形 油雾和点滴泵润滑 电液伺服高频模拟销孔合力（气体力、惯性力、连 杆力），保证合力方向 浮式销慢速旋转 仍难以和发动机试验关联，可考察表面粗糙度、处 理度