汽车车身设计-第七章车身疲劳强度分析基础

零构件的工作应力超过其疲劳极限
汽车等对自重有较高要求的产品都广泛使用这种设计 方法
• 安全寿命设计必须考虑安全系数，以考虑疲劳数据的 分散性和其他未知因素的影响 • 可根据S-N曲线设计（名义应力有限寿命设计），也可 根据ε-N曲线进行设计（局部应力应变法）
第二节 疲劳设计方法 3.破损—安全设计 一、疲劳强度、疲劳极 • 结构在规定的使用年限中，允许产生疲劳裂纹，并允 限与疲劳寿命的概念 许疲劳裂纹扩展，但其剩余结构的强度应大于限制载 二、疲劳设计方法简介 荷。在设计中要采用断裂控制措施，确保裂纹在被检 三、确定疲劳寿命的方 法 四、疲劳分析软件
疲劳寿命分析方法随计算机技术和有限元分析的发展 得到了广泛的应用 用有限元法计算疲劳寿命
– 第一步：根据载荷和几何结构计算其中的应力变化历程 – 第二步：获得应力应变响应后，结合材料性能参数，应用不同 的疲劳损伤模型进行寿命计算
有限元技术已成为一种不可缺少的分析工具。在一些 重要的工业领域得到应用 • 有限元疲劳计算的优点：
第一节 疲劳破坏的特征 及影响疲劳寿命的因素 一、疲劳破坏的特征 二、影响疲劳寿命的 因素
5. 载荷施加形式的影响 1）载荷频率 • 构件疲劳强度与其在单次循环中处于高应力水平下的 时间有关
– 随着载荷频率的提高，构件在单次循环中处于高应力水平下的 时间会减少，从而疲劳强度会提高 – 提高频率相当于提高加载速率，加载速率高于裂纹扩展速率时 使裂纹来不及扩展，从而使其疲劳强度与寿命提高
疲劳破坏
– 在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏现象 – 材料或结构受到多次重复变化的载荷后，应力值虽没超过材料的 强度极限，甚至比弹性极限还低得多的情况下就可能发生破坏
3.
疲劳
在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形 成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展 过程
② 大尺寸零件中包含了更多可能产生疲劳裂纹的不利因 素
③ 加工零件时，表面将有一些硬化，这通常可提高疲劳 极限，对小试件的影响较大
第一节 疲劳破坏的特征 及影响疲劳寿命的因素 一、疲劳破坏的特征 二、影响疲劳寿命的 因素
3. 表面加工及表面处理的影响
• 疲劳裂纹源通常萌生于试件表面，零部件的表面状况 对其疲劳强度有着显著的影响 ① 外表面的应力水平往往最高，缺陷往往也最多 ② 表面层材料的约束小，滑移带最易开动
2.
零件几何形状及表面质量
– – –
3.
工作条件
– – –
4.
表面热处理和残余内应力
– – –
第一节 疲劳破坏的特征 及影响疲劳寿命的因素 一、疲劳破坏的特征 二、影响疲劳寿命的 因素
1. 应力集中的影响
• 疲劳源总是出现在应力集中的地方，使结构或构件的 疲劳强度降低，对疲劳强度有较大影响
• 应力集中来自百度文库材料强度的影响
• 表面敏感系数

某加工试样的疲劳强度 1 2 3 标准光滑试件的疲劳强度
第一节 疲劳破坏的特征 及影响疲劳寿命的因素 一、疲劳破坏的特征 二、影响疲劳寿命的 因素
3. 表面加工及表面处理的影响 （1）表面加工粗糙度β1 • 表面加工粗糙度对疲劳强度有很大的影响
– 一般来说，表面加工粗糙度越低，疲劳强度就越高
• 对于需要经历无限次循环（>10 次）的零部件，如车 三、确定疲劳寿命的方 架、车身骨架的承载区域等，无限寿命设计是一种简 法 单而合理的设计方法 四、疲劳分析软件 • 缺点：设计过于保守，构件比较笨重
第二节 疲劳设计方法 2.安全寿命设计 一、疲劳强度、疲劳极 • 是依据试验中得到的S-N曲线来进行设计的方法 限与疲劳寿命的概念 • 只保证零构件在规定的使用期限内能安全使用，允许 二、疲劳设计方法简介 三、确定疲劳寿命的方 • 法 四、疲劳分析软件
一、样本载荷 二、综合事件下危险疲劳单元的选择 三、综合事件下的疲劳寿命预测
第一节 疲劳破坏的特征 及影响疲劳寿命的因素 一、疲劳破坏的特征
二、影响疲劳寿命的 因素
• 概述 1. 疲劳强度问题
汽车行驶中，由于路面不平整等因素影响，车身结构通常会受到交 变载荷的作用，由这种交变载荷引起的强度问题
2.
② 如何在保证结构安全和功能的条件下，提高结构使用、维护的 经济性？
• 耐久性设计方法：以结构的经济寿命分析为基础的一 种更经济、更有效的疲劳设计方法 • 两个最重要的发展
– 从考虑若干最危险的细节，发展到考虑结构中可能发生疲劳开 裂的细节全体 – 从保证结构的使用安全性，发展到既考虑结构使用安全又追求 更好的使用维修经济性
① 静强度：与材料的性质有关，对脆性材料影响较大， 对塑性较好的材料则影响较小
② 疲劳强度：不论是对塑性材料还是对脆性材料，都是 不可忽视的影响因素
第一节 疲劳破坏的特征 及影响疲劳寿命的因素 一、疲劳破坏的特征 二、影响疲劳寿命的 因素
2. 尺寸的影响
• 零件尺寸对疲劳强度有较大的影响，这同应力梯度和 材料不均匀性有关 • 注意：一般零件的疲劳强度随其尺寸的增大而降低 ① 尺寸不同，相同载荷作用下，零件的应力梯度不同。 大尺寸零件的高应力区域大，产生疲劳裂纹的概率大
疲劳设计方法
– 用以处理动应力以及由动应力而产生的破坏方式的基本 方法
疲劳破坏是车辆产品最主要的一种失效方式
车身结构设计中，除考虑必要的静强度外，必须进行 疲劳分析和按疲劳观点进行设计
第二节 疲劳设计方法 1.无限寿命设计 一、疲劳强度、疲劳极 • 无限寿命设计是最早的疲劳设计方法，它要求构件的 限与疲劳寿命的概念 设计应力低于其疲劳极限，从而具有无限寿命 二、疲劳设计方法简介 7
普通高等教育 “十一五”国家级规划教材
《汽车车身设计》
第七章 车身疲劳强度分析基础
提纲
第一节 疲劳破坏的特征及影响疲劳寿命 的因素
一、疲劳破坏的特征 二、影响疲劳寿命的因素
第四节 车身结构疲劳寿命分析流程和方 法
一、车身结构疲劳寿命分析流程概述 二、疲劳寿命分析结果的实例
第二节 疲劳设计方法
一、疲劳强度、疲劳极限与疲劳寿命的 概念 二、疲劳设计方法简介 三、确定疲劳寿命的方法 四、疲劳分析软件
试验分析法
– 依据材料的疲劳性能，对照结构所受到的载荷历程，按分析模 型来确定结构的疲劳寿命 – 包含三部分：材料疲劳行为的描述，循环载荷下结构的响应， 疲劳累积损伤法则 – 按计算疲劳损伤参量不同分为：名义应力法、局部应力应变法 、应力应变场强度法、能量法、损伤力学法、功率谱密度法等
第二节 疲劳设计方法 • 一、疲劳强度、疲劳极 限与疲劳寿命的概念 • 二、疲劳设计方法简介 三、确定疲劳寿命的方 法 四、疲劳分析软件 •
第五节 结构应力响应计算
一、载荷 二、惯性释放分析 三、应力影响系数和线性叠加 四、结构应力响应计算的模态法
第六节 单轴疲劳寿命预测
一、危险单元的选择 二、单轴疲劳寿命的预测方法
第三节 疲劳分析基本理论简介
一、疲劳问题 二、应力循环 三、S-N曲线 四、平均应力对疲劳过程的影响
第七节 综合事件下的疲劳寿命分析
疲劳强度
– 材料或构件在交变载荷作用下的强度 – 材料或构件疲劳性能的好坏用疲劳强度来衡量
疲劳极限
– 在一定循环特征R下，材料可以承受无限次应力循环而不发生 疲劳破坏的最大应力Smax，一般用Sr表示。因材料的疲劳极限随 加载方式和应力比的不同而异，通常以对称循环下的疲劳极限 作为材料的基本疲劳极限 – 疲劳强度的大小用疲劳极限来衡量
疲劳与断裂是引起工程结构和构件失效的最主要的原因。也是 导致汽车车身承载结构早期破坏的主要原因
第一节 疲劳破坏的特征 及影响疲劳寿命的因素 一、疲劳破坏的特征 二、影响疲劳寿命的 因素
1. 2. 3. 4. 5.
变载荷作用下，交变应力在远小于材料的强度极限， 破坏就可能发生 常表现为低应力类脆性断裂。在宏观上常表现为无明 显塑性变形的突然断裂 在断口处明显的分为两个区：光滑区和粗糙区。这是 判定是否为疲劳破坏的一个重要判据 疲劳破坏常具有局部性质 疲劳破坏是一个累积损伤的过程，通常要经历裂纹形 成、裂纹扩展、裂纹扩展到临界尺寸时的快速断裂三 个阶段
第二节 疲劳设计方法 • 一、疲劳强度、疲劳极 • 限与疲劳寿命的概念 二、疲劳设计方法简介 三、确定疲劳寿命的方 法 四、疲劳分析软件 •
主要有两类：试验法和试验分析法 试验法
– 完全依赖于试验，是传统的方法 – 直接通过与实际情况相同或相似的试验来获取所需的疲劳数据 – 可靠，但必须在样机试制之后才能进行。费用高、周期长，且 无法和设计并行，试验结果不具有通用性
四、疲劳分析软件
第二节 疲劳设计方法 5.耐久性设计 一、疲劳强度、疲劳极 • 前述方法共同点： 限与疲劳寿命的概念 – 以保证结构的安全为目的 二、疲劳设计方法简介 – 以构件最危险的细节的疲劳破坏代表整个构件的破坏 三、确定疲劳寿命的方 • 法 四、疲劳分析软件
两个问题：
① 除最危险细节外，其它可能发生疲劳破坏处的损伤情况如何？ 它们是否会在转变为影响结构安全的主要矛盾？
– 可以和设计并行 – 能够减少试验样机的数量，缩短开发周期，降低开发成本，提 高市场竞争力
第二节 疲劳设计方法 • 一、疲劳强度、疲劳极 • 限与疲劳寿命的概念 • 二、疲劳设计方法简介 三、确定疲劳寿命的方 法 四、疲劳分析软件
• 表面加工缺陷是产生应力集中的因素，往往就是疲劳 源，会大大降低疲劳强度
– 特别是对高强度材料
第一节 疲劳破坏的特征 及影响疲劳寿命的因素 一、疲劳破坏的特征
二、影响疲劳寿命的 因素
3. 表面加工及表面处理的影响 （2）表层组织结构β2 • 表面层对零部件的疲劳强度有重要影响 • 可通过表面处理工艺来提高表面层的疲劳强度
– – – – – 表面渗碳 渗氮 氰化 表面淬火 表面激光处理等
第一节 疲劳破坏的特征 及影响疲劳寿命的因素 一、疲劳破坏的特征 二、影响疲劳寿命的 因素
3. 表面加工及表面处理的影响 （3）表层应力状态β3 • 表面冷作变形是提高零部件疲劳强度的有效途径，本 质是改变了零部件表层的应力状态
– 滚压 – 喷丸 – 挤压
第一节 疲劳破坏的特征 及影响疲劳寿命的因素 一、疲劳破坏的特征 二、影响疲劳寿命的 因素
影响因素 1. 材料本质
– – – – 化学成份 金相组织 纤维方向 内部有无缺陷 应力集中系数 尺寸系数 表面光洁度 载荷特性：应力状态、应力比、载荷顺序、载荷频率等 环境介质 使用温度 冷作硬化 表面热处理 表面涂层
• 疲劳寿命
– 疲劳失效时所经受的应力或应变的循环次数，一般用N表示 – 试样的疲劳寿命取决于材料的力学性能和所施加的应力水平。 一般，材料的强度极限愈高，外加的应力水平愈低，试样的疲 劳寿命就愈长
• 材料S-N曲线
– 表示外加应力水平和标准试样疲劳寿命之间关系的曲线
第二节 疲劳设计方法 • 一、疲劳强度、疲劳极 限与疲劳寿命的概念 二、疲劳设计方法简介 三、确定疲劳寿命的方 • 法 • 四、疲劳分析软件
测出来而未修复之前不致造成结构破坏
第二节 疲劳设计方法 4.损伤容限设计 一、疲劳强度、疲劳极 • 是破损—安全设计方法的体现和改进 限与疲劳寿命的概念 • 首先假定零构件内存在初始裂纹，应用断裂力学方法 二、疲劳设计方法简介
来估算其剩余寿命，并通过试验来校验，确保在使用 三、确定疲劳寿命的方 期内裂纹不致扩展到引起破坏的程度 法 • 适用于裂纹扩展缓慢而断裂韧性高的材料
第一节 疲劳破坏的特征 及影响疲劳寿命的因素 一、疲劳破坏的特征 二、影响疲劳寿命的 因素
4. 温度的影响 • 材料在不同温度下，疲劳强度会有很大的变化 • 高温时
– 在静载荷长期作用下，材料存在蠕变现象 – 温度越高，材料的蠕变变形越快，破坏所需的时间就越短
• 高于室温，但低于蠕变温度
– 高温对疲劳寿命的影响是降低其疲劳强度 – 这时，要评价构件的疲劳性能，需要采用对应高温条件下的疲 劳曲线
• 进行车身结构疲劳分析时，要重点考虑频率较低的路 面载荷 2）应力状态 • 一般，拉应力容易使裂纹扩展，而压应力则相反 • 进行疲劳分析时，应该考虑应力状态的影响，对结果 进行修正
第二节 疲劳设计方法 • 一、疲劳强度、疲劳极 限与疲劳寿命的概念 二、疲劳设计方法简介 三、确定疲劳寿命的方 • 法 四、疲劳分析软件