ZHANG-疲劳耐久性-1
疲劳寿命计算
疲劳分析的数值计算方法及实例第一节引 言零件或构件由于交变载荷的反复作用，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扩展、最后突然断裂。
这种现象称为疲劳破坏。
疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性而在疲劳断裂时又具有瞬发性，因此疲劳破坏往往会造成极大的经济损失和灾难性后果。
金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设计。
随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。
近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。
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。
金属疲劳的研究已有近150年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。
但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。
据统计，至今有约90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。
因此，在21世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。
疲劳断裂是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。
这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部位。
因此，提高构件疲劳强度的基本途径主要有两种。
一种是机械设计的方法，主要有优化或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。
支架振动疲劳试验对比
10.16638/ki.1671-7988.2021.010.023支架振动疲劳试验对比刘香爱，贺娜，任斌（陕西重型汽车有限公司，陕西西安710200）摘要：文章将定频、正弦扫频和频域加速振动试验方法应用于商用车某异形支架的振动疲劳试验。
通过对试验结果进行分析，三种振动试验方法验证得到的支架开裂位置均与试验车及用户车故障基本一致。
从试验时间、与实际工况的关联性、试验目的等方面进行对比，分析三种振动试验方法各自的特点和应用场景，从而为以后的支架振动试验方法的选择提供参考。
关键字：牵引车；振动疲劳试验；定频试验；正弦扫频试验；频域加速振动试验中图分类号：U461.99 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)10-80-03Comparative Analysis on Vibration Fatigue Test of a Certain Bracket of TractorLiu Xiang’ai, He Na, Ren Bin( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200 )Abstract:In this paper, the constant frequency, sinusoidal sweep frequency and acceleration vibration test methods are applied to the vibration fatigue test for a certain bracket of a tractor. Through the comparative analysis of the test results, three vibration test methods are used to verify the support. The cracking position is basically consistent with the failure of test vehicle and user vehicle. From the test time and the correlation with the actual working conditionsIn consideration of other aspects, it is recommended to use frequency-domain accelerated vibration test method to verify the new design and improved support.Keywords: Tractor; Vibration fatigue test; Constant frequency test; Sine sweep test; Frequency acceleration vibration testCLC NO.: U461.99 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)10-80-03引言运动机械在运行中会产生振动，某些强烈而持续的振动和随机振动将导致动态特性不佳的结构总体性能下降，造成疲劳失效，据统计，结构出现损坏80%是由振动疲劳引起。
ICEflow汽车疲劳耐久性工程解决方案
ICEflow汽车疲劳耐久性工程解决方案作者：英国nCode国际有限公司林晓斌近年来，随着CAD/CAE技术突飞猛进，靠实验室台架试验或试车场路试来评价或改进汽车耐久性的方法成本高、周期长，已经逐步被虚拟耐久性设计理念取代。
随着汽车行业内的竞争不断加剧，汽车制造商无不面临着如下情况：满足用户日益提高的安全性及可靠性要求的同时做到节省成本。
其中，汽车的疲劳耐久性设计就是必须面对的重要课题之一。
疲劳耐久性工程长期以来，汽车的耐久性主要靠实验室台架试验或试车场路试来评价或改进，这种设计思路成本高、周期长。
近一二十年来，CAD/CAE技术突飞猛进，虚拟耐久性设计理念已经在一些著名的汽车公司得到了广泛应用。
一个完整的疲劳耐久性解决方案通常包括如下步骤（如图1）：根据用户用途建立寿命设计目标；采集用户使用环境和试车场载荷数据；验证分析处理实测数据；创建零构件几何模型；求取零构件间所传递的载荷；获取材料的疲劳寿命性能；预估零构件的疲劳寿命；台架模拟试验；试车场耐久性试验。
图1 疲劳耐久性解决方案流程ICE-flow的功能作为著名的疲劳耐久性技术服务公司之一的英国恩科（nCode）国际有限公司开发了一整套用于汽车耐久性设计、分析、试验及管理的硬件和软件工具——ICE-flow系列产品。
包括：数据采集器SomateDAQ、数据分析处理及实验疲劳软件GlyphWorks、CAE疲劳分析软件DesignLife和耐久性数据管理软件系统Library。
ICE-flow集工程数据采集分析处理、疲劳寿命分析模拟、实验室台架加速和远程数据传递及管理于一身，是进行一体化抗疲劳设计必备的一个分析工具，也是进行异地协同设计的有效工具。
ICE-flow系列产品如图2所示，以下对各功能分别进行介绍。
图2 ICE-flow系列产品1、数据采集道路载荷谱采集是疲劳耐久性设计的基础，我们需要调查用户的使用环境和用途，需要实测数据在实验室台架上做道路模拟试验，也需要为多体动力学分析、有限元分析以及疲劳寿命分析提供输入数据。
疲劳系数 kf -回复
疲劳系数kf -回复疲劳系数（kf）是用来衡量材料在长时间受力作用下的疲劳强度和寿命的参数。
在工程设计和材料研究中，疲劳系数的准确评估对于确保材料的可靠性和维持结构的长期运行至关重要。
本文将从定义、计算方法、影响因素和应用领域等方面逐步回答有关疲劳系数的问题。
一、疲劳系数的定义疲劳系数（kf）是指材料在疲劳载荷作用下的强度与静态强度的比值。
通常用来衡量材料在长时间循环加载和不同应力水平下的耐久性。
二、疲劳系数的计算方法疲劳系数的计算通常涉及到材料的疲劳寿命和疲劳极限。
疲劳寿命是指材料在一定载荷条件下能够承受多少次循环加载，而疲劳极限是指材料在特定应力水平下的疲劳寿命。
疲劳系数的计算方法包括以下步骤：1. 确定材料的疲劳寿命曲线，即S-N曲线。
该曲线描述了材料在不同应力水平下的疲劳寿命。
2. 选择合适的疲劳载荷和加载频率。
加载频率决定了疲劳载荷的循环次数。
3. 根据实验数据或理论模型，计算材料的疲劳极限。
疲劳极限可以通过使用常见的疲劳强度修正因子来考虑应力集中等因素。
4. 根据所选疲劳载荷和加载频率，将材料的疲劳极限与疲劳寿命曲线相交，尽可能减小疲劳系数，以确保材料在长时间循环加载下的可靠性。
三、疲劳系数的影响因素疲劳系数受多种因素的影响，包括材料的化学成分、晶体结构、加工工艺、表面处理、温度、湿度和加载频率等。
下面将详细介绍几个重要的影响因素：1. 材料的化学成分和晶体结构：不同材料的化学成分和晶体结构会对其疲劳性能产生显著影响。
一些元素的添加可以改善材料的疲劳寿命，而一些杂质元素可能导致疲劳寿命的降低。
2. 加工工艺和表面处理：材料的加工方法和表面处理可以影响其疲劳性能。
不当的加工工艺和表面处理可能导致内部应力集中和表面裂纹的形成，从而降低材料的疲劳寿命。
3. 温度和湿度：温度和湿度是影响材料疲劳性能的重要因素。
高温会导致材料的塑性变形增加，从而降低其疲劳寿命。
湿度也可能导致材料腐蚀和氢脆等问题，进一步影响材料的疲劳性能。
机械结构疲劳寿命评估方法
机械结构疲劳寿命评估方法疲劳是指在循环加载下，材料或结构受到变形和应力的影响，最终导致破坏的现象。
在机械工程中，疲劳问题常常是导致机械结构失效的主要原因之一。
因此，评估机械结构的疲劳寿命是非常重要的。
机械结构的疲劳寿命评估方法有许多种，下面我们将介绍几种常用的方法。
1. Wöhler曲线方法Wöhler曲线方法是疲劳寿命评估的经典方法之一。
该方法通过在不同应力幅水平下进行试验，得出应力幅与疲劳寿命的关系曲线。
通过该曲线，可以根据给定应力水平来预测疲劳寿命。
但是，Wöhler曲线方法的缺点是需要进行大量的试验，成本较高，且所得的曲线只适用于特定材料和加载条件下。
2. 快速计算法快速计算法是评估机械结构疲劳寿命的一种便捷方法。
该方法通过使用一些近似公式和简化的计算步骤来估算疲劳寿命。
这些公式和步骤可以减少试验数量和时间。
然而，快速计算法的准确性不如Wöhler曲线方法高，并且只适用于较简单的加载条件和结构。
3. 应力计数法应力计数法是一种常用的疲劳寿命评估方法。
该方法将应力加载历程分解为若干个循环，然后对每个循环的应力幅进行计数。
根据统计分析，可以得出疲劳寿命。
这种方法相对来说比较简单和实用，但是对于复杂的应力加载历程和结构，计数的准确性可能会受到影响。
4. 有限元分析法有限元分析法是一种基于数值计算的评估方法。
该方法通过将机械结构建模为有限元模型，然后通过求解有限元方程来分析结构的应力和变形状态。
通过分析得到的结果，可以评估疲劳寿命。
有限元分析法具有较高的准确性和灵活性，能够适应不同的材料和复杂的加载条件。
但是，该方法需要较高的计算资源和专业知识，适用性有一定限制。
总之，机械结构疲劳寿命评估方法的选择应根据具体情况而定。
不同的方法具有不同的优缺点和适用范围。
在实际应用中，可以根据结构的复杂性、预算和要求准确性等因素进行评估方法的选择。
同时，为了提高评估的准确性，可以采用多种方法的综合应用。
一种老龄飞机疲劳（耐久性）延寿试验周期的确定方法
一种老龄飞机疲劳（耐久性）延寿试验周期的确定方法何宇廷;高潮;张腾;崔荣洪;伍黎明【摘要】针对老龄飞机疲劳(耐久性)延寿试验中存在的问题，提出了一种老龄飞机疲劳(耐久性)延寿试验周期的确定方法。
在3种不同情况下对延寿试验机疲劳(耐久性)试验载荷谱的选取进行了分析；根据服役飞机的实际飞行情况，按等损伤原则对服役飞机的总当量飞行小时数进行了计算；以飞机疲劳寿命母体分布为基础，通过数值仿真方法对老龄飞机剩余疲劳(耐久性)寿命疲劳分散系数进行了分析，并确定了老龄飞机疲劳(耐久性)延寿试验周期；最后通过算例分析证明了方法的可行性。
%Aimed at the problem of fatigue test to prolong life for aging aircraft,the method of determining fatigue test period to prolong fatigue(durability)life for old aircraft is put forward.The three different conditions were analyzed for choosing the fatigue test loadings;Based on the actual flying hours,the total equivalent flying hours were calculated by damage equivalency principle for service aircraft;The fatigue scatter factor of residual fatigue life was analyzed by numerical simulation based on fatigue life distribu-tion,and the fatigue test period for aging aircraft was determined;Finally,this method was illuminated by a calculation example.【期刊名称】《空军工程大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】4页(P1-4)【关键词】老龄飞机;试验周期;当量飞行小时;疲劳分散系数;试验载荷谱【作者】何宇廷;高潮;张腾;崔荣洪;伍黎明【作者单位】空军工程大学航空航天工程学院，陕西西安，710038;空军工程大学航空航天工程学院，陕西西安，710038;空军工程大学航空航天工程学院，陕西西安，710038;空军工程大学航空航天工程学院，陕西西安，710038;空军工程大学航空航天工程学院，陕西西安，710038【正文语种】中文【中图分类】V215.5目前，飞机的疲劳(耐久性)安全寿命通常依据全机疲劳(耐久性)试验飞行小时数除以疲劳分散系数得到[1]。
材料疲劳与耐久性
材料疲劳与耐久性材料的疲劳与耐久性一直是工程材料研究领域的重要议题之一。
随着科学技术的不断进步，人们对于材料疲劳和耐久性的要求也越来越高。
本文将探讨材料的疲劳机理、测试方法以及提高材料耐久性的策略。
第一部分：材料疲劳机理疲劳是指材料在交变或周期性载荷作用下的损伤累积现象。
这种载荷可能是拉伸、压缩、弯曲等力的作用。
疲劳可能导致材料的断裂，特别是在应力集中或缺陷存在的区域。
材料的疲劳机理主要涉及到以下几个方面：1. 微观裂纹生成：在材料受到压力作用下，微观裂纹会逐渐生成并扩展。
2. 裂纹扩展：一旦微观裂纹生成，它们会在接下来的载荷作用下扩展，最终导致材料的断裂。
3. 疲劳寿命：疲劳寿命是指材料在一定载荷下能够承受多少次循环载荷，通常用S-N曲线表示。
第二部分：材料疲劳测试方法为了评估材料的疲劳性能，科学家和工程师发展了各种各样的疲劳测试方法。
以下是一些常用的疲劳测试方法：1. 拉伸-压缩疲劳测试：将材料置于拉伸和压缩载荷之间，通过循环加载和卸载来评估材料的疲劳性能。
2. 弯曲疲劳测试：将材料放置在弯曲装置中，施加循环载荷以模拟实际使用条件下的应力情况。
3. 旋转弯曲疲劳测试：用于评估材料在旋转装置中承受循环载荷时的疲劳性能。
4. 疲劳寿命预测：通过分析材料疲劳寿命的S-N曲线，可以预测材料在实际工作条件下的使用寿命。
第三部分：提高材料耐久性的策略为了提高材料的耐久性和抗疲劳性能，科学家和工程师们采取了一系列策略。
下面是一些常见的策略：1. 材料优化设计：通过选择适当的材料和处理方法，可以使材料在条件限制下具有更好的抗疲劳性能。
2. 表面处理：通过对材料表面进行机械、化学或热处理，可以增强材料的表面硬度和耐疲劳性能。
3. 应力控制：通过合理控制应力分布和应力集中的位置，可以降低材料的疲劳损伤。
4. 增加材料强度：通过增加材料的强度和硬度，可以提高其抗疲劳性能。
5. 定期检测和维护：定期对材料进行检测和维护，可以及早发现并修复潜在的疲劳损伤。
基于CAE方法车身疲劳耐久性研究
机电技术 2012年2月104作者简介：宋名洋(1981－)，男，工程师，研究方向：虚拟仿真系统在整车研发中的应用和二次开发。
基于CAE 方法车身疲劳耐久性研究宋名洋(东南(福建)汽车工业有限公司研发中心，福建 福州 350119)摘 要：基于试验场实车测量的某乘用车在标准工况下的载荷谱数据，结合多体动力学计算、有限元的非线性强度分析和MSC. Fatigue 疲劳分析等多种CAE 分析手段，对该乘用车白车身在实测载荷谱作用下的疲劳寿命进行计算分析。
同时，总结出了一套符合真实工况的试验和虚拟分析相结合的白车身一体化疲劳分析流程。
关键词：白车身；道路载荷谱；疲劳耐久性中图分类号：U463.82 U461.7+1 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(2012)01-104-03当前，随着汽车工业的发展，消费者对产品的安全性和可靠性的要求越来越高。
如何将汽车这样复杂的机器在尽量短的时间周期内保质保量的研发出来，并且能得到消费者的认可是摆在所有汽车研发机构面前的难题。
依传统的设计观念，在研发过程中，需通过反复的样件试制和工程样车试制，对部件、白车身进行大量的台架试验和整车疲劳耐久性试验，从而验证所设计产品万无一失。
但，这样的方法在导致整车的开发成本居高不下的同时，整个开发周期也很长，同时往往无法抓住“病根”，一旦批量化后会出现再次反复修改的现象。
为能有效的节省汽车研发成本、有效缩短汽车研发时间。
全球汽车业已在全面推行汽车有限元疲劳耐久性分析方法，通过有限元疲劳分析在产品设计初期对整车的强度耐久性进行预测，找到结构的薄弱环节，提出合理的改进方案。
在汽车工业相对发达的国家已经建立了适当的分析方法和流程，在产品的研发过程中发挥了越来越重要的作用。
目前，我国汽车行业有限元疲劳耐久性分析领域起步较晚、水平较低，严重滞后于我国汽车工业的发展速度。
因此，加快汽车领域有限元耐久性分析的研究和应用迫在眉睫。
本文以某车型前半车身疲劳耐久性为例，阐述了如何利用MSC.ADAMS 、LS-DYNA 以及MSC.Fatigue 软件E-N 法和Miner 累积损伤理论对汽车基于全仿真过程的疲劳耐久性分析，预测过程中的塑性应变分布及其疲劳寿命进行评估，以期为车辆的前期开发设计提供理论依据。
机械结构的疲劳寿命评估与优化设计
机械结构的疲劳寿命评估与优化设计一、引言机械结构是各行业中广泛采用的一种设计形式，它承担着负载并保证系统的正常运行。
然而，由于长期工作负载引起的疲劳现象，机械结构的寿命成为了研究的重点之一。
本文将探讨机械结构的疲劳寿命评估与优化设计，希望能为相关领域的研究和应用提供参考。
二、机械结构的疲劳寿命评估机械结构的疲劳寿命评估是基于疲劳损伤积累的原理，通过对应力、载荷和材料等因素的分析，来评估机械结构在特定工况下的使用寿命。
常用的评估方法包括极限耐久度法和应力寿命法等。
极限耐久度法是通过寻找疲劳破坏的起始点，再利用经验公式或实验数据计算出机械结构的寿命。
它通过试验和统计方法，结合应力集中系数和载荷代表值，来确定结构的疲劳强度。
应力寿命法是通过将应力水平和循环次数的关系绘制成S-N曲线，然后根据实际工况下的应力范围来确定机械结构的疲劳寿命。
这种方法考虑了材料的强度和韧性，更加准确地评估了结构的疲劳寿命。
三、机械结构的优化设计为了提高机械结构的疲劳寿命，优化设计成为一种重要的手段。
优化设计旨在通过调整结构的几何形状、材料选择和工艺参数等，来改善结构的载荷分布和应力集中状况，从而延长机械结构的使用寿命。
在优化设计中，几何形状的调整是经常采用的方法之一。
通过改变结构的断面形状、角度和曲线等，可以减小应力集中和应力梯度，从而降低结构的疲劳损伤。
此外，还可以通过增加结构的支撑点、加强连接方式等手段，改善结构的载荷分布，提高其疲劳寿命。
材料的选择也对疲劳寿命具有重要影响。
不同材料的强度、韧性和疲劳极限等性能不同，在优化设计中需要根据具体工况选择合适的材料。
一般来说，高强度材料可以提高结构的抗疲劳能力，但是也会增加结构的成本和重量，需要综合考虑。
最后，工艺参数的选择也是优化设计的关键。
合理的工艺参数可以保证制造过程中的质量，并减小材料的缺陷和不均匀性，从而提高结构的疲劳寿命。
例如，采用合适的焊接方法和热处理工艺可以提升焊接接头的疲劳强度，延长结构的使用寿命。
材料力学中的疲劳寿命预测
材料力学中的疲劳寿命预测材料力学是研究物质强度和变形性质的一门科学。
在材料工程中，疲劳寿命预测是一项重要的课题。
疲劳是材料在反复加载下出现的损伤，很多工程零件常常因疲劳损伤导致失效。
因此，疲劳寿命预测对于工程安全至关重要，是工程设计必不可少的一部分。
疲劳寿命预测是基于材料的疲劳性能进行的。
材料在受到周期性负荷时往往会发生疲劳损伤。
这种损伤是逐渐累积的，可能会导致工程部件失效。
因此，疲劳寿命预测往往需要对材料的疲劳性能进行测试，以确定材料的疲劳行为。
了解材料的疲劳特性是进行疲劳寿命预测的前提条件。
疲劳性能通常可以用两个参数来描述：疲劳极限和疲劳寿命。
疲劳极限是指材料在一定条件下能承受的最大循环应力，通常用来描述材料的强度。
而疲劳寿命则是指材料在一定循环应力下经历的循环次数，直到其引起疲劳失效。
疲劳性能的测试需要不断循环施加和卸载压力，直到材料失效。
这种测试方法被称为疲劳试验。
于是，疲劳寿命预测往往需要对已知疲劳性能的材料进行测试，并将测试结果应用于新的工程设计中。
这种设计方法被称为寿命预测方法。
寿命预测方法通常根据已知的材料疲劳性能和工程中可能出现的循环加载条件，采用不同的计算方法来计算材料的疲劳寿命。
一种常见的寿命预测方法是基于S-N曲线的方法。
S-N曲线描述了材料循环加载下的疲劳行为。
在这种方法中，材料的疲劳强度曲线（S-N曲线）被用来描述材料在循环载荷下的持久强度和疲劳极限。
然后，工程师可以将循环载荷的大小和方向输入到预测模型中，以预测材料的疲劳寿命。
还有一种寿命预测方法是使用疲劳损伤累计理论。
这种方法会监测工程组件中的所有疲劳载荷，将它们组合成一个调整载荷历史曲线（adjustment load history curve），然后使用曲线来计算材料的疲劳损伤。
疲劳损伤理论是一种计算机模型，通常使用有限元分析等技术来模拟疲劳生命周期，从而为寿命预测提供更精确的结果。
疲劳寿命预测在许多工业领域中都是至关重要的。
材料疲劳与耐久性
材料疲劳与耐久性材料疲劳是指材料在受到交替应力作用下产生的裂纹、变形和破坏现象。
疲劳破坏是材料在连续或交替应力作用下，经历了多次加载周期后，在应力远低于其静态强度时，由于应力集中造成的局部过载而导致的材料破坏现象。
而耐久性是材料在使用过程中能够持续保持其性能和功能的能力。
材料的疲劳性能与其耐久性息息相关，下文将从原理、影响因素、检测方法和提升措施等角度进行探讨。
原理材料在受到交替应力加载时，会引起晶体内部的位错滑移、位错聚集、裂纹扩展等过程，最终导致材料疲劳破坏。
疲劳破坏具有随机性和周期性，主要表现为疲劳寿命、疲劳极限等。
疲劳寿命是指材料在一定应力幅下经受循环加载所能承受的循环次数，一般用S-N曲线表示。
S-N曲线通过实验数据绘制而成，可以直观地显示材料在不同应力幅下的疲劳性能。
疲劳极限是指在经过一定次数的循环载荷后，材料受到的最大应力值，超过该应力值后材料将会迅速破坏。
影响因素材料的疲劳性能和耐久性受到多种因素的影响，主要包括材料本身的性能、工作条件、表面状态和制造工艺等。
材料的组织结构、晶格缺陷、杂质含量等直接影响了其抗疲劳性能。
工作条件包括应力水平、加载频率、温度及环境介质等，这些因素会影响疲劳破坏的形式和速度。
材料表面状态如粗糙度、氧化层等对疲劳性能也有一定影响。
而制造工艺如残余应力、表面处理等也会影响材料的疲劳性能和耐久性。
检测方法为了评估材料的疲劳性能和耐久性，常常需要进行疲劳试验和寿命预测。
疲劳试验是通过施加交替载荷，并记录应力应变曲线来评估材料的疲劳性能。
通过搭建疲劳试验系统，可以获得材料的S-N曲线和疲劳寿命。
寿命预测是通过建立疲劳损伤演化模型，结合实验数据和数值模拟得出材料的寿命预测结果。
此外，还可以借助非破坏性检测方法如超声波检测、磁粉探伤等对材料进行质量评估。
提升措施为了提升材料的疲劳性能和耐久性，可以采取一系列措施。
首先是优化材料的组织结构和制造工艺，去除杂质、提高晶粒度、减少残余应力等措施可以提高材料的抗疲劳性能。
耐久疲劳分析SN方法概述
耐久疲劳分析-SN方法概述SN（名义应力）法是疲劳计算的最古老方法，由德国铁路工程师August Whler 于1852 年到1870 年之间建立。
他用如下左图所示的实验台同时对两根铁路车轴进行旋转弯曲疲劳试验来研究车轴的累积失效问题，然后将名义应力值和发生失效的循环周数的对应关系绘制在一个图表上，这就是众所周知的SN 曲线图，SN 曲线也叫Whler 曲线。
SN 方法是目前应用最为广泛的疲劳分析方法，一条典型的SN 曲线如下右图所示。
SN 曲线的几个特征需要说明：在约1000 次循环的转折点以下的SN 曲线是无效的，因为此时的名义应力是弹塑性的，其发生失效的循环次数较少，也成为低周疲劳。
由于疲劳是由塑性剪切应变能的释放来驱动的，因此材料发生屈服之后，应力与应变不再是线性关系，应力就不能再作为疲劳计算的参数，这将由后续介绍到的EN（应变寿命）法来处理。
在转折点和疲劳极限（约10E6－10E8 次循环）之间的应力范围，SN 分析是有效的。
低于疲劳极限的部分，SN 曲线的斜率急剧下降趋于水平，即无限寿命区。
然后实际应用中，无限寿命是很难达到的。
比如，铝合金的SN 曲线没有水平部分，不表现出无限寿命特征。
疲劳分析器中应用“三段线性”曲线来表征SN 曲线，即由三段对数坐标的直线分别对应低周（塑性）、高周（弹性）和无限寿命区间。
两条典型SN 曲线如右图所示，分别代表低合金钢MANTEN和高强度钢RQC100，低于1000 次循环的虚线代表低周区间，10E8次循环处代表疲劳极限点。
为计算构件的疲劳寿命，疲劳分析器需要材料的SN曲线和失效点处的交变应力时域历程两个信息。
首先，疲劳分析器会对时域信号进行雨流分析以提取疲劳循环，然后通过SN 曲线来计算每个循环产生的损伤并对所有损伤值进行线性累积，系统将自动执行这一过程。
张式程 ZHANG-疲劳耐久性-3
A stress solver for spot welds Input : ij
Stress components around a spot weld
Stress solver
The Stress Solver
A package of analytic solutions to spot welds
Stress solver
3(ui li ) = arctan ui uo +li lo
3uo +2ui lo T uo = 4 T T +++ ui =li =uo ui li lo 4 T 3+2li uo lo =lo 4
*
(i, j =1,2)
r =
4F 6M 4Fz + + dt dt2 d2 4F
( F = Fx2 +Fy2 ; M =Mx 2+M y2 )
(1+ k = dt
KI =
2 3 +19 t 6M 5d t t 4Fz ) )+ (1+ ) + 2 (1+ 3 3 t 2 8 d2 dt
Source: SAE Papers 2001-01-0432 and 2005-01-0905, Detroit, USA; FEMFAT User Meeting, May 9-11, 2007, Steyr, Austria
2
Q&A about local stress parameters at spot welds
Stress solver
Source: SAE Papers 2001-01-0432 and 2005-01-0905, Detroit, USA; FEMFAT User Meeting, May 9-11, 2007, Steyr, Austria
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。
疲劳试验常见术语
疲劳试验常见术语1、循环屈服强度 Cyclic yield strength符号：σy循环应力应变曲线0.2%应变偏离处的屈服强度。
2、弹性应变 Elastic strain符号：εe总应变的弹性部分，εe＝εt-εp3、疲劳极限 Fatigue limit应力振幅的极限值，在这个值以下，被测试样能承受无限次的应力周期变化注：见N 个循环后的疲劳强度4、疲劳缺口系数Fatigue notch factor符号：Kf在相同的疲劳寿命下，缺口试样的疲劳强度同平面试样疲劳强度的比值5、疲劳裂纹扩展速率 Fatigue crack growth rate符号：da/dN每个循环周期内裂纹扩展的长度(mm/周)6、疲劳裂纹扩展的门槛值 Fatigue crack growth threshold符号：ΔKthda/dN 趋近于0 的时候，ΔK 的渐近线的值注：对多数材料门槛值定在10-8 mm/周对应的应力强度因子范围7、疲劳延性系数 Fatigue ductility coefficient符号：εf’log(εα)-log(2Nf)曲线上相交于2Nf＝1 的应变值8、疲劳寿命 Fatigue life符号：Nf达到疲劳失效判据的实际循环数9、振幅：变化范围的一半注：常用作下脚标，如εa，应变振幅10、循环 Cycle循环性重复作用的力、应力、应变等最小的时间段11、力比或应力比 Force ratio or stress ratio符号：R一个循环内力或应力的最小值同最大值的比率12、频率 Frequency疲劳试验中，单位时间内应力或应变变化的循环次数13、高周疲劳试验 High cycle fatigue test应力特性主导的，疲劳寿命相对较长的疲劳试验14、滞后回线 Hysteresis loop一个循环中试样的闭合应力应变响应曲线15、循环应变硬化指数 Cyclic strain hardening exponent符号：n’循环曲线log(σa)-log(εpa)的斜率16、循环强度系数 Cyclic strength coefficient符号：K’循环曲线log(σa)-log(εpa)上相交于εpa＝1 的应力值17疲劳强度 Fatigue strength符号：S在指定寿命下使试样失效的应力水平18、N 次循环后的疲劳强度 Fatigue strength at N cycles符号：σN在规定的应力比下，使试样的寿命为N 个循环的应力振幅值注：一些金属通常显现不出定义中的“疲劳极限”或“耐久极限”。
疲劳寿命预测方法
疲劳寿命预测方法10船王茹娇080412022035疲劳裂纹形成寿命的概念发生疲劳破坏时的载荷循环次数，或从开始受载到发生断裂所经过的时间称为该材料或构件的疲劳寿命。
疲劳寿命的种类很多。
从疲劳损伤的发展看，疲劳寿命可分为裂纹形成和裂纹扩展两个阶段：结构或材料从受载开始到裂纹达到某一给定的裂纹长度a0为止的循环次数称为裂纹形成寿命。
此后扩展到临界裂纹长度acr为止的循环次数称为裂纹扩展寿命，从疲劳寿命预测的角度看，这一给定的裂纹长度与预测所采用的寿命性能曲线有关。
此外还有三阶段和多阶段，疲劳寿命模型等。
疲劳损伤累积理论疲劳破坏是一个累积损伤的过程。
对于等幅交变应力，可用材料的S—N曲线来表示在不同应力水平下达到破坏所需要的循环次数。
于是，对于给定的应力水平，就可以利用材或零部件的S—N曲线，确定该零件至破坏时的循环数N，亦即可以估算出零件的寿命，但是，在仅受一个应力循环加载的情况下，才可以直接利用S—N曲线估算零件的寿命。
如果在多个不同应力水平下循环加载就不能直接利用S—N曲线来估计寿命了。
对于实际零部件，所承受的是一系列循环载荷，因此还必须借助疲劳累积损伤理论。
损伤的概念是，在疲劳载荷谱作用下材料的改变（包括疲劳裂纹大小的变化，循环应变硬化或软化以及残余应力的变化等）或材料的损坏程度。
疲劳累积损伤理论的基本假设是：在任何循环应力幅下工作都将产生疲劳损伤，疲劳损伤的严重程度和该应力幅下工作的循环数有关，与无循环损伤的试样在该应力幅下产生失效的总循环数有关。
而且每个应力幅下产生的损伤是永存的，并且在不同应力幅下循环工作所产生的累积总损伤等于每一应力水平下损伤之和。
当累积总损伤达到临界值就会产生疲劳失效。
目前提出多种疲劳累积损伤理论，应用比较广泛的主要有以下3种:线性损伤累积理论，修正的线性损伤累积理论和经验损伤累积理论。
线性损伤累积理论在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性地累加的，各个应力之间相互独立和互不相干，当累加的损伤达到某一数值时，试件或构件就发生疲劳破坏，线性损伤累积理论中典型的是Miner理论。
NcodeEN疲劳耐久参数
1EN疲劳分析参数其它参数参考SN分析参数定义。
1.2.1 Analysis Runs/Runs1:1.2.2 Analysis Runs/Runs1/AnaDef/ENEngine:1）ENMethod：Standard（默认即可）。
2）CombinationMethod:部件某一点的应力张量是随着时间变化的，为了能利用EN曲线计算疲劳损伤，需要把此张量转化为一标量。
AbsMaxPrincipal：绝对值最大主应力。
SignedVonMises：带符号的米赛斯应力。
SignedShear：带符号的剪应力。
CriticalPlane：关键截面。
TypeBCriticalPlaneShearStrain：B型关键面切应变。
3）MeanStressCorrection:平均应力修正。
SmithWatsonTopper：简称SWT，对于每个应力滞后环，软件会通过下面公式计算一中间值Pswt。
此公式考虑了平均应力的影响，计算的Pswt再与由平均应变为零的EN曲线得到的Pswt-N曲线结合，得到每一个应力滞回环的寿命值。
Morrow：Morrow法通过以下公式计算每一滞回环的寿命值，公式也是考虑了平均应力的影响。
Interpolate：ENMethod选择MultiMeanCurve或者MultiRRatioCurve时才起作用。
4）InterpolationLimit: 在ENMethod选择MultiMeanCurve或者MultiRRatioCurve时才起作用。
5）MultiAxialAssessment：应力的多轴状态，振动疲劳（Vibration）此选项不起作用，保持默认Standard即可。
6）ElasticPlacsticCorrection:弹塑性修正。
Neuber，假设这两条曲线围成的面积相同,适用于单轴状态。
HoffmannSeeger：此方法在弹塑性修正时考虑到了应力的当前状态,适用于多轴状态。
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考虑应力梯度将过高的应力修正到接近实际的水平
过高的缺口应力
接近实际水平的缺口应力
Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermü dungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007 22
计算疲劳损伤参量变(例如Pswt)同时考虑平均应力的影响
试验测定的材料疲劳特性曲线 (S-N曲线或应变E-N曲线以及 循环应力应变曲线) 计算有效循环次数 (Rainflow counting)
计算疲劳损伤积累(一般采用Miner准则)
输出计算结果(损伤值D, 或称疲劳目标值) D≥1 表示可能出现疲劳破坏
金属材料的SN曲线试验曲线拟合技术要点
• 采用双对数线性回归 • 以疲劳寿命N为因变量, 应力幅度为自变量 • 在同一应力幅水平试验点太少时, 以回归中线为纵轴使所有试验点参加统计分布(如红线所示) • 考虑存活概率 (50%为中线)
A
50% 90% 10%
A
90%
50% 10%
N
Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermü dungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007
2
汽车疲劳测试方法、分析方法的现状及发展趋势
汽车耐久性道路试验
汽车耐久性台架试验
汽车零部件耐久性台架试验
测试方法
分析方法
Source: nCode 2004 • FE-Fatigue Overview – Release 6.0 3
疲劳分析在汽车开发流程中的定位
在第一阶段: 评价各种设计方案是否满足疲劳耐久性要求. 在第二阶段: 尽早发现疲劳危险部位, 及时采取措施, 使样车顺利通过汽车耐久性台架试验和汽车耐久性道路试验. 在第三阶段: 发现前两个阶段漏判的局部问题还来得及改进, 如果必须进行大的改动则说明疲劳耐久性分析尚须改进.
20
Neuber修正 目的: 以线弹性应力应变估算弹塑性应力应变 线弹性应力应变
弹塑性应力应变
Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermü dungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007 21
金属材料的SN曲线试验曲线拟合技术要点
• 采用双对数线性回归 • 以疲劳寿命N为因变量, 应力幅度为自变量 • 在同一应力幅水平试验点太少时, 以回归中线为纵轴使所有试验点参加统计分布(如红线所示)
Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005 24
15
应变寿命 寿命方法
Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005
16
应变寿命 寿命方法
Source: Seminar Betriebsfestigkeit auf der Grundlage ö rtlicher Beanspruchungen, TU Darmstadt, 11.-13.03.2003 17
汽车疲劳耐久性技术现状及发展趋势
张式程 全德华人机电工程学会
主要内容 (分别见“疲劳耐久性-1,-2,-3 ”三个PPT文件)
汽车疲劳耐久性技术现状及发展趋势 1) 目前疲劳分析所能达到的精度 2） 疲劳分析在汽车开发流程中的定位 3） 汽车疲劳测试方法、分析方法的现状及发展趋势 4) 疲劳耐久性技术究竟要解决什么问题（课堂讨论与问答） 汽车疲劳 疲劳耐久性分析理论基础及关键技术 1) 疲劳寿命预测的基本理论 2) 等效应力选取原则与多轴疲劳分析 3) 疲劳目标值的设定 4) 整车CAE中的焊点焊缝模型 5) 焊点焊缝疲劳分析方法 6) 焊点焊缝疲劳试验设计 7) 能否以及如何建立一套适合自己产品的疲劳分析方法（课堂讨论与问答） 汽车疲劳耐久性分析工具(软件软件)的选择 1) 汽车开发常用疲劳分析软件简介 2) 疲劳分析与其他分析(刚度,强度,振动,碰撞)的关系 3) 如何选择疲劳分析软件（课堂讨论与问答）
汽车多体动力学模型
排列组合不同路谱, 压缩无效成份为 零部件与整车台架加速试验提供试验载荷
为耐久性计算或 试验提供虚拟路谱
汽车耐久性疲劳计算, 输出损伤值 D
各环节之间需要大量经验积累, 并无严格的定量关系.
6
目前疲劳分析所能达到的精度 非常满意的精度: 损伤值 1<D<10 例如, 如果根据经验可以确定如下当量关系: 30万公里正常使用寿命大致相当于2000公里汽车耐久性道路试验行使里程, 而针对2000公里汽车耐久性道路试验行使里程的疲劳耐久性计算 得出的被试验证实的疲劳破坏部位的损伤值D大约在1.0和10之间.
考虑各种影响因素后的SN曲线
Miner original Miner modified Miner elementary
Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005 14
疲劳载荷描述
Smax
Smin
最大应力 最小应力
Smax
Smean 平均应力
Smean
Smin
R=
Smin Smax
应力比
时间
Smax
应力
Smin
Source: Christoph Bach, Dissertation, “Beitrag zur Modellierung des Schwingermüdungsverhaltens und zur rechnerischen Lebensdaueranalyse von endlos kohlenstofffaserverstä rkten Vinylester-Matrixsystemen“, TU Kaiserslautern, 2007
7
疲劳计算主要环节
单位载荷作用下线弹性静载应力计算 (获得应力分量和单位载荷的关系) 载荷谱 (实际载荷与时间的关系) 线性叠加原理 找出最大等效应力 (危险截面上的最大正应力或最大剪应力) 对于尖锐缺口附近应力过高等情况 通过考虑应力梯度将过高的应力修正到接近实际的水平
用Neuber修正将线弹性最大等效应力 转换成最大线弹性最大等效应力应变
Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermü dungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007
应力寿命方法, 计算疲劳寿命时常用的一些近似处理 寿命方法
光滑试件SN曲线
缺口应变
断裂力学 积分) (J积分
断裂力学 应力强度因子) (应力强度因子
汽车结构疲劳分析常用等效应力参量 多轴疲劳分析: 危险截面法
Source: IIW document XIII-2151-07 / XV-1254-07
12
损伤积累计算的Miner方法则
ni
Ni
损伤值:
ni D= Ni
13
N
25
汽车计算常用软件包
CAD： CATIA Pro/Engineer Pre-/Postprocessor: Medina ANSA HyperMesh FE-Solver： NASTRAN (MSC.NASTRAN, NX.NASTRAN) ABAQUS MARC ANSYS PERMAS LS-DYNA PAM-CRASH RADIOSS STAR-CD(STAR-CCM+), FLUERENT, POWERFLOW
8
疲劳分类
LCF: 低周疲劳 HCF: 高周疲劳
疲劳极限
Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005 9
高周疲劳与低周疲劳 高周疲劳: • 应力较高, 应变较低 • 一般采用应力S-N曲线 (只需测试相对简单的S-N曲线 ) • 汽车疲劳计算多为高周疲劳
应变寿命 寿命方法 应力应变循环曲线: 每个循环所包围的面积 为该循环的能量损耗
Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005
第一阶段
第二阶段
第三阶段
Source: Automotive Circle Internaional Conferrence, 13-14 March 2007, Bad Nauheim, Germany
4
疲劳分析与其他分析(刚度刚度,强度强度,振动 碰撞等)的关系 振动,碰撞等
Source: EuroCarBody 2007, 16-18 Oct. 2007, Bad Nauheim, Germany
10
疲劳破坏机理
Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005 11