汽车车身设计-第七章车身疲劳强度分析基础
基于有限元模型的汽车车身强度分析与优化设计
基于有限元模型的汽车车身强度分析与优化设计引言：汽车车身设计是整车设计中至关重要的一环。
汽车车身不仅是汽车的“外衣”，还承担着对乘员安全和行驶稳定性的极其重要的作用。
车身的强度是确保车辆在各种复杂工况下保持结构稳定、寿命可靠的关键因素。
基于有限元模型的汽车车身强度分析与优化设计具有重要的意义。
1. 有限元分析在汽车车身设计中的应用有限元分析是一种基于力学原理和数值计算方法的数值模拟技术。
它可以将复杂的连续体结构离散为有限个单元，通过求解单元之间的相互作用力，得到结构的应力、应变等力学参数。
在汽车车身设计中，有限元分析可以有效地评估车身的强度、刚度、振动特性等。
2. 汽车车身强度分析的主要内容汽车车身强度分析主要分为静态强度分析和动态强度分析两个方面。
2.1 静态强度分析静态强度分析是对车身在静态加载条件下进行强度评估。
通过有限元分析，可以得到车身各部分的应力分布情况和最大应力值，进而判断车身是否足够强度。
在静态强度分析中，需要考虑的因素包括车身的受载状态、材料的力学性质、载荷的大小和方向等。
2.2 动态强度分析动态强度分析是对车身在动态加载条件下进行强度评估。
在实际使用中，汽车车身会受到各种道路激励和振动的影响，因此需要对车身进行动态强度分析。
通过有限元分析，可以得到车身在不同工况下的应力变化规律和疲劳寿命，进而优化车身结构设计，提升车身的抗疲劳能力。
3. 汽车车身设计的优化方法基于有限元模型的汽车车身优化设计可以通过调整车身结构和材料等手段来提升车身的强度和刚度。
3.1 结构优化在车身结构优化中，可以通过增加加强筋、设置补强板和优化焊缝位置等方式来提升车身的强度。
通过有限元分析，可以评估不同优化方案的效果，并选择最佳方案进行实施。
3.2 材料优化材料的选择对车身的强度和轻量化设计起着重要作用。
目前，高强度钢材和铝合金等轻量化材料正在被广泛应用于汽车车身设计中。
基于有限元分析，可以评估不同材料对车身强度的影响，并选择合适的材料进行使用。
车身疲劳寿命分析
车身疲劳寿命分析福建工程学院车辆工程0702班林文华摘要本文通过分析考察了车身结构的整体刚度特性，而且确定了车身疲劳寿命的薄弱位置，为车身结构设计及改进提供理论参考依据。
根据有限元疲劳分析的思路，对车身进行疲劳寿命分析。
施加单位载荷得到车身载荷响应；通过Matlab／Simulink建模仿真得到路面位移载荷谱，并作为车轮悬架振动模型的输入激励，最后得到路面作用在车身上的位移载荷谱；然后导入S．N曲线，分析结果显示车身最低寿命满足汽车场地试验三万公里标准。
有限元技术已经得到广泛应用，通过规范的力学建模以及边界条件的设置，可以得到满足工程需要的分析结果，有利于缩短开发周期，对产品设计改进都具有重要的指导意义及应用价值。
关键词：轿车车身，车身刚度，疲劳寿命The performance of integrative stiffness is examined and the fatigue life of body is obtained，which Call provide guidance for car design．The thesis contents are the following aspects．Fatigue life prediction of the car is carded out based on fmite element method．Unit load displacement response，combining the simulated displacement load history,is used to compute the fatigue performance of the car body．Matlab/ Simulink isapplied to simulate the load spectrum，which is used as the input signal of the tire-suspension model．The response of the tire-suspension model is the displacement spectrum loaded on the body．S—N curve is imported．The minimal fatigue life is 32800 kilometers，which can satisfy the thirty thousand kilometers test．Nowadays，CAE technology has been playing an important part in the forepart design of new production，which can provide reliable results with exact mechanical model and boundary condition．Key words：Car body；Body stiffness；Fatigue life1．疲劳分析理论1．1疲劳寿命分析过程工程构件所承受的载荷往往是多方向的复杂交变载荷，要准确预测各个部位的疲劳损伤就需要测量相应的载荷历程。
客车车身骨架准静态疲劳强度分析.
第9期2010年9月文章编号：1001-3997（2010）09-0099-03机械设计与制造MachineryDesign＆Manufacture99客车车身骨架准静态疲劳强度分析*朱健苏小平陈本军）（南京工业大学机械与动力工程学院，南京210009Pseudo-staticfatiguestrengthanalysisofbusbodyframeworkZHUJian，SUXiao-ping，CHENBen-jun （SchoolofMechanicalandPowerEngineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，China）【摘要】运用有限元方法建立了某轻型客车车架骨架的有限元模型，在确定载荷的简化和施加方法后，进行了该车身骨架在满载弯曲工况下的有限元仿真，以此对其进一步的疲劳分析。
为该车车身骨架的优化设计和进一步研究提供了理论依据。
关键词：车身骨架；有限元；疲劳分析【Abstract】Finiteelementmodelingofthebusframeworkisestablishedbyusingfiniteelementmeth－ods.Whenthesimplifiedloadandloadwayexertingontheframeworkareensured，thefiniteelementsimula－tionofbusframeworkisexecutedunderfullyloadedbendingcondition.Andthenfurtherfatigu eanalysisfinishes.Theseresultsprovidetheoreticalbasisforoptimizationandfurtherstudyoft hebusframework.Keywords：Busframework；Finiteelementanalysis；Fatigueanalysis1引言车身骨架是客车的主要承载结构，车身骨架的强度、刚度及安全性、操作稳定性等疲劳性能都直接影响着客车的使用寿命、基本性能。
车辆耐疲劳分析
车辆耐疲劳分析计算机产生的道路载荷和应力分析陈亨毅二零零六年一月二十日前言传统上所谓的“道路载荷”就是车辆在崎岖不平的道路上行驶，激起轮胎的连续变形。
藉着力的传导，轮胎的反弹力经由悬挂体而传播分布到车身各处。
在重覆的受力状态下，部件若在指定的驶程内产生破裂，则需重新设计。
但是，车辆工程人员迄今仍无法掌握导致部件破裂的“道路载荷”。
而在有测试的前提下，用正确的有限元方法模拟各种工况，和有创新能力的软件商一起完成“道路载荷”的获取是最省事的做法。
二十世纪初期，车辆的耐久性已是车辆设计规范之一。
汽车制造商为了要测定车辆的耐疲劳性，测试人员将各类的车辆，以不同的速度行驶于底特律的各种不同的道路上。
再根据车辆的破坏程度来修正车辆设计上的缺陷。
随着时代的演进和试车场的诞生，车辆的耐疲劳测试逐渐改在可控制的道路状况下重覆的进行测试。
由于测试的技术亦不断的进步，试车员可将耐疲劳的行驶里程由五位数减至四位数并和原先的全程测试得到的结果相仿。
为了缩短出车的时间，大家都在增进效率上努力。
二十世纪末期，复合材料模拟方法，超单元算法，橡胶单元面世，因计算机的速度突飞猛进带动了结构分析软件的技术开发。
一九八四年最好的有限元单元问世，接触面的运算方法和隐式性积分无条件收敛的算法获得验证。
先後为结构分析人员提供了在计算机上，用有限元方法模拟车辆行驶于耐疲劳道路上应力分析的工具。
以期达到减重，耐久，可以免除测试的好处。
开发成功便能取代耗时的耐疲劳行驶测试，缩短产品开发时间，这创新将是产品自主开发的利器。
有限元方法已是成熟的技术。
模拟车辆在耐疲劳道路上行驶，除了用正确有限元方法模拟不同零件的方法，祗需要掌握下文叙述的，线性，非线性，子结构分析知识和技术即可。
结构分析和道路载荷在没有电子计算机的时代，汽车结构分析是用比较性的分析；分析人员仅能将目标车的断面，和设计车的断面，用手运算後作粗枝大叶的比较，谈不上精确度。
设计人员基本上是仰赖车辆在耐疲劳道路上的测试报告为依据。
疲劳强度分析--精选.docx
疲劳强度疲劳的定义：材料在循环应力或循环应变作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化，从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳。
疲劳的分类：(1)按研究对象 :材料疲劳和结构疲劳(2)按失效周次 :高周疲劳和低周疲劳(3)按应力状态 :单轴疲劳和多轴疲劳(4)按载荷变化情况 : 恒幅疲劳、变幅疲劳、随机疲劳(5)按载荷工况和工作环境 :常规疲劳、高低温疲劳、热疲劳、热—机械疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳。
第一章疲劳破坏的特征和断口分析§1-1 疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征和静力破坏有着本质的不同，主要有五大特征：（ 1）在交变裁荷作用下，构件中的交变应力在远小于材料的强度极限（ b ）的情况下，破坏就可能发生。
（2）不管是脆性材料或塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然断裂，故疲劳断裂常表现为低应力类脆性断裂。
（3）疲劳破坏常具有局部性质，而并不牵涉到整个结构的所有材料，局部改变细节设计或工艺措施，即可较明显地增加疲劳寿命。
（4）疲劳破坏是一个累积损伤的过程，需经历一定的时间历程，甚至是很长的时间历程。
实践已经证明，疲劳断裂由三个过程组成，即 (I)裂纹 (成核 )形成， (II)裂纹扩展， (III)裂纹扩展到临界尺寸时的快速 (不稳定 )断裂。
（5）疲劳破坏断口在宏观和微观上均有其特征，特别是其宏观特征在外场目视捡查即能进行观察，可以帮助我们分析判断图 1-1 磨床砂轮轴的典型断口是否属于疲劳破坏等。
图 1-1及图 l-2所示为磨床砂轮轴及一个航空发动机压气机叶片的典型断口。
图中表明了疲劳裂纹起源点(常称疲劳源 )，疲劳裂纹扩展区 (常称光滑区 )及快速断裂区 (也称瞬时破断区，常呈粗粒状 )。
图 1-2 航空发动机压气机叶片的典型断口§ 1-2 疲劳破坏的断口分析宏观分析：用肉眼或低倍(如二十五倍以下的)放大镜分析断口。
基于疲劳设计理论解决轿车车身后部开裂问题
基于疲劳设计理论解决轿车车身后部开裂问题汪沛伟;龚侃;袁亮;张铁;宋瀚【摘要】本文针对项目开发过程中的试验开裂问题,基于疲劳设计的基本理论,对影响车身疲劳耐久性能的因素进行分析.提出改善思路及改善方向,通过大扭转静态仿真分析方法,快速提出了有效的改善方案.该方案通过试验样车耐久测试,验证切实可行,为今后车身结构解决疲劳失效的问题提供重要参考.【期刊名称】《汽车科技》【年(卷),期】2016(000)006【总页数】4页(P108-111)【关键词】疲劳耐久;应力集中;大扭转工况静态分析【作者】汪沛伟;龚侃;袁亮;张铁;宋瀚【作者单位】东风汽车公司技术中心,武汉430070;东风汽车公司技术中心,武汉430070;东风汽车公司技术中心,武汉430070;东风汽车公司技术中心,武汉430070;东风汽车公司技术中心,武汉430070【正文语种】中文【中图分类】U463.3+6汪沛伟武汉理工大学机械工程硕士研究生毕业，现任东风汽车公司技术中心工程师，研究方向为：车体结构设计。
随着汽车市场越来越大，人们对汽车的安全性、可靠性的要求越来越高。
在汽车行驶过程中，由于路面不平整等因素影响，车身通常会受到交变载荷的作用，在交变载荷的重复作用下车身结构可能产生低于材料最大应力水平下的疲劳破坏。
车身作为汽车的重要支撑结构，其疲劳耐久性能对整车的安全性、可靠性影响尤其明显。
本文针对某三厢车型开发过程中，车身后部在耐久试验中开裂问题为例，根据疲劳设计理论提出解决思路，并由此提出新的仿真分析思路，快速有效的提出解决方案，最终通过实车验证解决了开裂问题。
某三厢轿车在试制样车阶段进行轮胎耦合道路耐久试验中，车身后部出现了不同程度的开裂现象。
开裂的地方主要发生在车身后部后隔板处，后隔板是三厢轿车特有的结构，位于车身后排座椅靠背的后面，行李箱的前面，连接左右侧C柱钣金结构，如图1所示。
后隔板是重要的传力路径，对整个车身起到一个横向的支撑，对整个车身的扭转刚度、强度均有重要影响。
汽车车身设计-第七章车身疲劳强度分析基础综述
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
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
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
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 •
疲劳分析介绍
F6前轮球轴断裂 前轮球轴断裂 断轴门” “断轴门” ：广本雅阁、一汽马 、北奔-戴克克莱斯勒 戴克克莱斯勒300C 双横臂式前悬挂： 双横臂式前悬挂 广本雅阁、一汽马6、北奔-戴克克莱斯勒 雅阁、 ，其球头方向是向上的， 雅阁、F6，其球头方向是向上的 属下挂式，承受车重， 凯美瑞、锐志、F6、 凯美瑞、锐志、F6、雅阁，属下挂式，承受车重，过度疲 劳。 马6、奔驰等采用是下压式。 、奔驰等采用是下压式。
1.概述-疲劳的定义 概述概述
• 零件或构件由于交变载荷的反复作用 零件或构件由于交变载荷的反复作用 的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静 强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并 强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并 扩展、最后突然断裂。这种现象称为疲劳破坏 扩展、最后突然断裂。这种现象称为疲劳破坏 这种现象称为疲劳破坏 • The process of progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations. —— ASTM E206-72 • 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 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 且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹 且在足够多的循环扰动作用之后形成 或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的 或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为疲劳 永久结构变化的发展过程，称为疲劳
车辆疲劳设计汇总
疲劳的基础知识
主要内容
1. 引言 2. 疲劳的基本概念 3. 疲劳设计方法 4. 疲劳载荷类型与S-N曲线 5. Miner损伤累积的能量属性 6. 计算疲劳寿命的基本公式 7. 计算疲劳寿命前的应力编谱 8. 一个用计算器计算疲劳寿命的例子
大连交通大学
1. 引言1.Leabharlann 几个基本概念：1. 引言
1.5 疲劳问题研究的分类:
疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项 不可缺少的和重要的工作。
大连交通大学
w w w .hzdi yan.co m www .sysm k120.co m ww w.qcx www ht tp:// /dx htt p://ww w.tulo utours .com/ ht t p ://sj.39 .net/d x/1601 30/476 8378 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1604 29/48 41965 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1601 30/476 8376 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1604 29/48 41979 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1604 29/48 41986 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1604 29/48 41988 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1601 30/476 8372 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1604 30/48 42480 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1604 30/48 42481 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1604 30/48 42483 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1604 30/48 42484 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1604 30/48 42486 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1604 30/48 42487 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1604 30/48 42488 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1604 30/48 42489 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1601 30/476 8370 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1601 30/476 8368 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1605 03/48 44375 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1605 03/48 44387 .html ht t p ://sj.39 .net/d x/1605 03/48 44389 .html
车身静强度
车身静强度车身总成强度可用动态或静态试验方法加以考核。
动态强度试验主要包括实车碰撞、摆垂冲击、整车坠落及实车翻滚等试验，可以真实地再现实际使用状态，但试验难度大，试验成本高，所以在车身开发初期以较低成本用静态试验来初步评价车体的强度性能。
CAE静态分析，即用有限元法分析白车身的刚度、强度，包括结构、连接点、重要部位、焊点等；动态分析，即用有限元法分析白车身的模态，给出振动和噪声状况；碰撞分析，即用专用软件模拟撞车时的车身状态；空气空力学方面知识：汽车风阻的五个组成部分车身造型设计是一门很大的学问，其中重要的内容就是风阻问题。
平常说的风阻大都是指汽车的外部与气流作用产生的阻力。
实际上，流经汽车内部的气流也对汽车的行驶构成阻力。
研究表明，作用在汽车上的阻力是由5个部分组成的。
一、外型阻力，指汽车前部的正压力和车身后部的负压力之差形成的阻力，约占整个空气阻力的58%；二、干扰阻力，指汽车表面突出的零件，如保险杠、后视镜、前牌照、排水槽、底盘传动机构等引起气流互相干扰产生的阻力，约占整个空气阻力的14%；三、内部阻力，指汽车内部通风气流、冷却发动机的气流等造成的阻力，约占整个空气阻力的12%；四、由高速行驶产生的升力所造成的阻力，约占整个空气阻力的7%；五、空气相对车身流动的摩擦力，约占整个空气阻力的9%；针对第一、二种阻力，轿车车身应该尽量设计成流线型，横向截面面积不要太大，车身各部分用适当的圆弧过渡，尽量减少突出车身的附件，前脸、发动机舱盖、前挡风玻璃适当向后倾斜，后窗、后顶盖的长度、倾角的设计要适当。
此外，还可以在适当的位置安装导流板或扰流板。
通过研究汽车外部的气流规律，不仅可以设计出更加合理的车身结构，还可以巧妙地引导气流，适当利用局部气流的冲刷作用减少车身上的尘土沉积。
针对第四种阻力，要设法降低行驶中的升力，包括使弦线前低后高，底版尾部适当上翘，安装导流板和扰流板等措施。
一部分外部气流被引进汽车内部，可能会在一定程度上减少了外部气流对汽车的阻力，但气流在流经内部气道时也产生的摩擦、旋涡损失。
疲劳分析简介
02
循环计数法通常采用实验方法 进行，需要记录材料在不同应 力水平下的循环次数。
03
循环计数法适用于确定材料的 低周疲劳性能和疲劳极限。
裂纹扩展分析
基于裂纹扩展的疲劳分析方 法，通过研究裂纹在交变应 力作用下的扩展规律来预测
材料的疲劳寿命。
裂纹扩展分析通常采用实验 方法和有限元分析方法进行
。
涉及裂纹扩展速率、临界裂 纹长度等概念。
3. 提供了详细的疲劳数据报告，方便用 户理解和评估结果。
2. 支持各种材料类型，包括金属、塑料 、复合材料等。
特点
1. 提供了多种疲劳算法，包括名义应力 、应变-寿命、应力-寿命等。
FatigueMaster软件
特点
2. 支持多种疲劳预测方法，包括 名义应力法、局部应力应变法等 。
介绍：FatigueMaster是一款专业 的疲劳分析软件，广泛应用于汽 车、航空航天、电子设备等领域 。
多轴复杂应力状态下的疲劳研究
多轴复杂应力状态下的疲劳行为
在许多工程应用中，材料和结构常常受到多轴复杂应力作用，如航空航天、核能等领域中的关键部件 。因此，研究多轴复杂应力状态下的疲劳行为及其机理，对于提高这些部件的疲劳寿命和安全性具有 重要意义。
多轴复杂应力状态下的疲劳损伤演化机制
多轴复杂应力状态下的疲劳损伤演化机制是疲劳分析中的重要问题之一。因此，研究多轴复杂应力状 态下的疲劳损伤演化机制，对于揭示材料和结构的疲劳失效机理、预测其疲劳寿命具有重要作用。
汽车领域应用
要点一
车身结构分析
汽车车身结构在行驶过程中受到振动和冲击载荷的作用， 可能产生疲劳裂纹。通过对车身结构进行疲劳分析，可以 预测和防止疲劳裂纹的产生，提高车辆的安全性能。
汽车车身设计 第七章 车身疲劳强度分析基础
4. 疲劳破坏常具有局部性质
5. 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
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
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
劳曲线
第一节 疲劳破坏的特征 及影响疲劳寿命的因素
车身疲劳耐久评估方法简介
车身疲劳耐久评估方法简介不知道为什么小时候的我经常遇到需要弄断铁丝却没有老虎钳也没有小李飞刀的直接考验我智商的高光时刻。
虽然显然不能像非洲朋友那样牙咬手撕但我也不是没试过当然最后结局都是没成功。
后来可能是因为吃了家里唯一荤菜鸡蛋脑细胞发育了发现反复折弯再反复折弯铁丝就会突然断了。
至于铁丝为什么会突然断了我不知道反正就是断了。
再后来改革开放了日子好了能吃上猪肉了脑子也发育的差不多了其中的缘由也就慢慢的明白了。
一根铁丝，想要徒手拉断或者瞬间折断那几乎是不可能的，但是如果你将它反复折弯很多次便可以把它折断。
这其实就是铁丝被整疲劳了，发生了疲劳破坏。
因为铁丝等金属件在生产加工过程中会出现各种缺陷，比如宏观的气孔、杂质、表面划痕以及微观的晶体位错、滑移带等。
在外力作用下这些缺陷处会出现局部应力集中，当局部应力大于材料的屈服强度时便会萌生微裂纹，这些微裂纹在交变载荷作用下逐渐扩展，当扩展到一定程度时突然断裂。
铁丝的疲劳破坏过程中交变载荷水平较高，塑性应变起主导作用，疲劳寿命较短，属于应变疲劳或低周疲劳；当交变载荷水平较低，弹性应变起主导作用时，疲劳寿命较长，属于应力疲劳或高周疲劳。
高周疲劳在日常生活中更加普遍，因其交变载荷小，没有明显的塑性变形等前兆，不容易提前发觉，所以具有更大的危险性。
美国空军的一架F-15战斗机曾经在模拟空战时就出现了惊险的一幕，事故造成美军F-15战机大面积停飞，调查结果显示，事故起因于飞机上的一根金属纵梁发生了疲劳破坏。
图1 F-15战机疲劳破坏（图片源自网络）汽车作为我们日常生活中非常重要的代步工具，也是由大量金属件构成的。
当汽车行驶在道路上时由于路面的不平整，车身结构会受到交变载荷作用，从而产生微裂纹并逐渐扩展。
为了保证车身在整个设计生命周期内不发生疲劳破坏，我们需要对车身结构进行疲劳耐久性能评估。
评估方法可分为试验法及CAE（Computer Aided Engineering）仿真分析法，实际的项目开发过程中，两种方法相结合使用。
轮心六分力作用下车身疲劳寿命分析与改进
轮心六分力作用下车身疲劳寿命分析与改进摘要：车身疲劳寿命是汽车设计中的一个重要指标，本文通过轮心六分力的作用对车身进行了疲劳寿命分析，并对设计进行了改进，提高了车身的安全性和耐久性。
关键词：轮心六分力，疲劳寿命，车身设计，改进一、引言随着汽车工业的不断发展，汽车设计的重点逐渐从外观和性能转向了安全性和耐久性。
车身疲劳寿命是车身耐久性的一个重要指标，直接关系到汽车的安全性能。
因此，在车身设计过程中，需要对车身进行疲劳寿命分析和改进。
二、轮心六分力轮心六分力是轮胎垂直负载在车身上所产生的六个力，分别是前向力、后向力、左向力、右向力、上向力和下向力。
这些力是汽车行驶时车身所受到的主要力量，会对车身产生一定的影响。
三、车身疲劳寿命分析在汽车行驶过程中，车身受到轮心六分力的作用，引起车身的疲劳损伤。
为了确定车身的疲劳寿命，需要进行疲劳试验。
在试验中，将车身加上载荷，重复施加一定的负载，观察车身是否会出现疲劳破坏。
通过试验数据的分析可以确定车身的疲劳寿命。
四、车身设计改进为了提高车身的安全性和耐久性，需要对车身设计进行改进。
首先需要对车身结构进行改进，增强车身的承载能力。
其次，在车身部分应力集中的区域加强材料厚度，进一步防止疲劳破坏。
最后，加强车身的连接部位，确保连接牢固。
五、结论通过车身疲劳试验以及车身设计的改进，可以有效提高车身的安全性和耐久性。
疲劳寿命分析和改进设计是汽车设计中不可或缺的一部分，可以有效提高汽车的质量和安全性。
六、未来展望随着汽车行业的发展，未来汽车将更注重环保和安全性，并对车身材料、结构和设计提出更高的要求。
在这样的背景下，车身疲劳寿命分析和设计也将面临更大的挑战。
一方面，随着新能源汽车的快速发展，车身疲劳寿命分析和设计也需要与之相适应。
新能源汽车的车身结构和用材可能与传统汽车的不同，需要根据其特点进行分析和改进设计。
另一方面，汽车安全性问题越来越受到关注，车身疲劳寿命分析和设计也需要更严格的标准和措施。
汽车零部件的疲劳失效分析
疲劳失效分析基础
疲劳失效的特征：载荷的影响
9
疲劳失效断口图谱（举例）
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疲劳失效案例－轴类零件
作用：连接、传递扭矩、承受弯矩 受力：扭转、弯曲、接触应力
典型零件：曲轴 凸轮轴 变速箱二轴 、一轴 半轴 摇臂轴 轮毂轴 连通轴 各类连接轴、输出轴
特点：零件不同部位的受力要求相差很大， 需要在不同部位进行表面处理等手段。
典型零件： 后桥壳、车轮、轮毂轴管、半轴套管、传动轴 各类油管（不锈钢薄壁管、高压油管）、柱塞套
案例
柱塞套失效分析 燃油回油管
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疲劳失效案例－弹簧类零件
钢板弹簧 螺旋弹簧 扭力杆
钢板弹簧 服役条件：汽车悬架系统中的弹性元件，其作用主要有： 1. 传力作用。传递车桥与车架之间载荷。 2缓冲作用。缓冲来自车轮的冲击力。 3.导向作用。 当它在汽车上纵向安置并且一端与车架作固定铰链连接时，使车轮 按一定轨迹相对于车架和车身跳动。 工作中作用在钢板弹簧上的载荷主要有： 1.来自汽车车架的垂直压力以及由此产生的来自车桥的反向支承力。当车桥和车架 相互远离时，钢板弹簧所受的这一垂直载荷和变形逐渐减小，有时甚至会反向。 2.由于路面不平等原因引起的振动而对簧片产生的扭曲力。 3.钢板弹簧在载荷作用下变形时，各片之间相对滑动而产生的摩擦力与接触应力。
案例
42CrMo 螺栓 减振器螺栓
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案例
喷射泵联接轴 轮毂半轴 连通轴
11
疲劳失效案例－杆类零件
作用：连接、承受弯矩或承受拉力 受力：单向或双向弯曲、部分零件存在接触应力 特点：形状复杂，多孔、多台阶等
大多要求调质处理 典型零件：前轴 横向稳定杆 直拉杆 变速器操纵 杆球头拉杆 转向节臂
案例
汽车车身结构疲劳寿命分析方法
ｕ 车 结 疲 寿 分 方 、 身构 劳 命 析 法 Ｌ 晕 Ｐ 弓
● 温树 德
’ 汽车车 身金属 板结 构 的疲 劳失 效检 测一般 依 赖于试 车 场的跑 车试 验 。如果 发现设 计 上 存 在缺点， 在试 验 阶段 的整 车 装 配将 耗费 大量 的 试验 费用 。 且 ， 果汽 车通 过 了可靠性 试验 也 而 如 很难 确定 “ 计能 力过 剩 ” 设 问题 ， 国 福特 汽 车 美 公 司研 制 了 一种 计 算 机辅 助 工 程 分析 方 法 ， 克
设计指导原 则如下 ： １ 设 计 低应 力 影响 系数 ； ．
，
２ 具 有适 当的弯 曲／ 转强 度 ； ． 扭 ３ 避 免 强度 沿车 身长 度方 向的剧 烈变 化 ； ． ５ ．在车 身 应 力 敏 感 区避 免 槽 、 、 点 存 孔 焊
接触位置的三维方向。在每个单位载荷下使用
步骤１ 完整的车 ｌ
ｌ身模型
惯 性释 放 分析
应力 输
彩色
显 示
出 信息
敏 感 因 素
步 样 寿命ｌ ｌ 过程 面 骤０ 车全 Ｉ 全 平
Ｉ 过程道路载 Ｈ 交叉或立体
Ｉ 荷数据 ｌ ｌ 交叉直方图
疲劳 寿 命 分析 程序
车身紧固 ｌ Ｉ 极限车 载荷初步 一Ｉ 身紧固
“ 性 释 放 ” 法 确 定 车 身 结 构 的 时 间一 惯 方 应 力 。 该 注意 车身 结构 同时受 到 许 多载 荷 作用 。 应 试 验 表 明每 个载 荷 的 影 响 基本 在附近 位置 ． 换
在；
６ 避 免小 半径 尖 角和刻 槽 的存 在 。 ．
句话说 ， 前悬挂载荷 几乎在后悬挂 附近不引起
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• 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
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：
• 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
– – – – – 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
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
• 应力集中对材料强度的影响
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
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
– 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
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
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
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
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.
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
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
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
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
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？
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
• 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