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1、,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,汽车疲劳,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）,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
2、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）,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 3,4,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
3、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.,第一阶段,第二阶段,第三阶段,Source: Automotive Circle Internaional Conferrence, 13-14 March 2007, Bad Nauheim, Germany,5,振动,碰撞等,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,Source: EuroCarBody 2007, 16-18 Oct. 2007, Bad Nauheim, Germany,
4、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 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) 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,虚拟路面 汽车多体动力学模型 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. 6,1),2),3),4),5),目前疲劳分析所能达到的精度,非
5、常满意的精度: 损伤值 1D10,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.,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?,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
6、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.,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 计算疲劳损伤
7、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),计算疲劳损伤积累(一般采用Miner准则),计算有效循环次数 (Rainflow counting),输出计算结果(损伤值D, 或称疲劳目标值) D1 表示可能出现疲劳破坏 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 ButterworthHeinemann, 2005,9,高周疲劳
8、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,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,10,疲劳破坏机理,Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analy
9、sis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 2005,11,12,积分),应力强度因子),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,缺口应变,断裂力学,断裂力学,Source: IIW document XIII-2151-07 / XV-1254-07,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,(J积分,(应力强度因子,损伤积累计算的Miner方法则,ni,Ni,损伤值:,D = ,ni Ni,Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: E
10、rmdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007 13,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 ButterworthHeinemann, 2005,14,15,应变寿命,寿命
11、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 ButterworthHeinemann, 2005,16,应变寿命,寿命方法,Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 2005,应变寿命,寿命方法,Source: Seminar Betri
12、ebsfestigkeit auf der Grundlage rtlicher Beanspruchungen, TU Darmstadt, 11.-13.03.2003,17,应变寿命,寿命方法,Source: Seminar Betriebsfestigkeit auf der Grundlage rtlicher Beanspruchungen, TU Darmstadt, 11.-13.03.2003,18,损伤参数 P,最常用,Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Be
13、rlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007,19,应力,20,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 Smin Source: Christoph Bach, Dissertation, “Beitrag zur Modellierung des Schwingermdungsverhaltens und zur rechnerischen Lebensdaueranalyse von endlos kohlenstofffaserverstrkte
14、n Vinylester-Matrixsystemen“, TU Kaiserslautern, 2007,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: Ermdungsfestigkeit, 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:
15、 Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007,22,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,疲劳缺口系数,Kt=,k n,Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 2005 23,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
16、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 ButterworthHeinemann, 2005,24,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,50%,10%,90%,N,N,Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berli
