汽车疲劳耐久性技术现状及发展趋势

应力寿命方法 寿命方法, 计算疲劳寿命时常用的一些近似处理
光滑试件SN曲线
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
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应变寿命 寿命方法
Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005
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应变寿命 寿命方法
Source: Seminar Betriebsfestigkeit auf der Grundlage ö rtlicher Beanspruchungen, TU Darmstadt, 11.-13.03.2003 17
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耐久性设计目标设定与分解
汽车设计(或希望保证)的使用寿命, 例如30万公里
汽车在耐久性道路试验场上的行使里程, 例如2000公里 • 不同路况 (市郊, 乡间, 越野) • 非正常情况(压路边障碍物) • 潮湿腐蚀路面
虚拟路面
汽车在耐久性道路试验场上行使过程中记录 各种工况下的有效疲劳载荷路谱(每种工况记录一定时间)
弹性缺口应力集中系数与疲劳缺口系数 弹性缺口应力集中系数 k Kt= n 疲劳缺口系数
Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005 23
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）
缺口应变
断裂力学 (J积分 )
断裂力学 (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
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损伤积累计算的Miner方法则
ni
Ni
损伤值:
D=
ni Ni
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Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermü dungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007
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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
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
第一阶段
第二阶段
第三阶段
Source: Automotive Circle Internaional Conferrence, 13-14 March 2007, Bad Nauheim, Germany
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疲劳分析与其他分析(刚度刚度,强度强度 振动,碰撞等 ,振动 碰撞等)的关系
Source: EuroCarBody 2007, 16-18 Oct. 2007, Bad Nauheim, Germany
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
应变寿命 寿命方法
Source: Seminar Betriebsfestigkeit auf der Grundlage ö rtlicher Beanspruchungen, TU Darmst源自文库dt, 11.-13.03.2003 18
损伤参数 P
最常用
Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermü dungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007 19
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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
达到上述精度往往需要多年的经验积累以及根据经验反复的修正.
如何改进精度? 1) 2) 3) 4) 5) 检查是否存在系统误差, 如是可以将过大或过小的损伤值通过一个系数 修正到1.0和10之间. 全面检查疲劳耐久性计算的各个环节, 特别是边界条件. 在这个过程中可通过 敏感性分析计算确定哪些因素有较大影响. 对疲劳耐久性分析而言经验非常重要, 和有经验的计算工程师和疲劳试验工程师 深入讨论往往很有帮助. 有时也不能排除试验中的错误(人们一般怀疑计算结果而很少怀疑试验结果), 经常标定试验设备很重要. 计算与试验有机结合: 试验前用计算帮助设计试验, 试验后用测量结果验证计算.
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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
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
低周疲劳:
• 应变较高, 应力较低 • 一般采用应变E-N曲线 (需测试相对复杂的E-N曲线 ) • 汽车疲劳计算中和温度有关时多为底周疲劳 为了使用方便, 许多疲劳软件在方法上给用户提供应力曲线法和应变 曲线法的选择, 实际上做了如下延伸: • 用应力S-N曲线覆盖低周疲劳 • 用应变E-N曲线覆盖高周疲劳 • 实践表明这种延伸在汽车疲劳计算中是可以接受的
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
疲劳载荷描述
Smax
Smin
最大应力 最小应力
Smax Smean
Smin
Smean 平均应力 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
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疲劳破坏机理
Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005 11
等效应力选取原则与多轴疲劳分析
载荷
名义应力
结构应力
缺口应力
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
N
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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
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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.
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.
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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.