汽车车身设计-第七章课件教学教材

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1、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,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

2、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 第七节 综合事件下的疲劳寿命分析 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,概述 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 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 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

3、构变化的发展过程 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,影响因素 材料本质 化学成份 金相组织 纤维方向 内部有无缺陷 零件几何形状及表面质量 应力集中系数 尺寸系数 表面光洁度 工作条件 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 表面热处理和残余内应力 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,1. 应力集中的影响 疲劳源总是出现在应力集中的地方

4、，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 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 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 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 大尺寸零件中包含了更多可能产生疲劳裂纹的不利因素 加工零件时，表面将有一

5、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 外表面的应力水平往往最高，缺陷往往也最多 表面层材料的约束小，滑移带最易开动 表面敏感系数,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1 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 表面加工缺陷是产生应力集中的因素，往

6、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2 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3 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

7、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

8、 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 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,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

9、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

10、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 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,1.无限寿命设计 无限寿命设计是最早的疲劳设计方法，它要求构件的设计应力低于其疲劳极限，从而具有无限寿命 对于需要经历无限次循环（107 次）的零部件，如车架、车身骨架的承载区域等，无限寿命设计是一种简单而合理的设计方法 缺点：设计过于保守，构件比较笨重,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,2.安全寿命设计 是依据试验中得到的S-N曲线来进

11、行设计的方法 只保证零构件在规定的使用期限内能安全使用，允许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-N曲线进行设计（局部应力应变法）,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,3.破损安全设计 结构在规定的使用年限中，允许产生疲劳裂纹，并允许疲劳裂纹扩展，但其剩余结构的强度应大于限制载荷。在设计中要采用断裂控制措施，确保裂纹在被检测出来而未

12、修复之前不致造成结构破坏,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,4.损伤容限设计 是破损安全设计方法的体现和改进 首先假定零构件内存在初始裂纹，应用断裂力学方法来估算其剩余寿命，并通过试验来校验，确保在使用期内裂纹不致扩展到引起破坏的程度 适用于裂纹扩展缓慢而断裂韧性高的材料,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,5.耐久性设计 前述方法共同点： 以保证结构的安全为目的 以构件最危险的细节的疲劳破坏代表整个构件的破坏 两

13、个问题： 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？ 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,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

14、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 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,疲劳寿命分析方法随计算机技术和有限元分析的发展

15、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： 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,MSC.Fatigue ETA/VPG FEMFAT ,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、

16、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,抗疲劳设计的问题 寿命计算通常不如强度计算精确 疲劳特性不能从其他机械特性中精确地推断出来，必须直接测量才能得到 为确保使用寿命，做整机测试是很有必要的 同样环境下得到的测试试验结果可能大相径庭，这就需要用统计数据来解释 材料和外形的选择必须考虑到裂纹扩展速率缓慢，尽量在发生破坏前就检查出裂纹的存在 为了获得一定的可靠性，必须进行“失效安全”设计,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,无限寿命设计条件 构件的应力水平通常用名义应力表示，上述方法称为名义应力法（S-N） 名义应力法主要适用于构件的实际应力水平在材料的弹性范围内，而且材料的失效循环次数很高的高频疲劳问题 应力水平较高、循环次数较低的低频疲劳区问题，在疲劳区通常会存在塑性应变成分，名义应力法的效果不好。应该使用基于应变-寿命分析的理论，如：局部应力-应变（-N ）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,典型的疲劳应力循环