汽車疲勞耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)（51頁)ppt課件

1、汽車疲勞耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及開展趨勢(shì)張式程全德華人機(jī)電工程學(xué)會(huì).汽車疲勞主要內(nèi)容 (分別見“疲勞耐久性-1,-2,-3 三個(gè)PPT文件)汽車疲勞耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及開展趨勢(shì)1) 目前疲勞分析所能到達(dá)的精度2 疲勞分析在汽車開發(fā)流程中的定位3 汽車疲勞測(cè)試方法、分析方法的現(xiàn)狀及開展趨勢(shì)4) 疲勞耐久性技術(shù)終究要處理什么問題課堂討論與問答疲勞耐久性分析實(shí)際根底及關(guān)鍵技術(shù)1) 疲勞壽命預(yù)測(cè)的根本實(shí)際2) 等效應(yīng)力選取原那么與多軸疲勞分析3) 疲勞目的值的設(shè)定4) 整車CAE中的焊點(diǎn)焊縫模型5) 焊點(diǎn)焊縫疲勞分析方法6) 焊點(diǎn)焊縫疲勞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)7) 能否以及如何建立一套適宜本人產(chǎn)品的疲勞分析方法課堂討論與問答汽

2、車疲勞耐久性分析工具(軟件軟件)的選擇1) 汽車開發(fā)常用疲勞分析軟件簡(jiǎn)介2) 疲勞分析與其他分析(剛度,強(qiáng)度,振動(dòng),碰撞)的關(guān)系3) 如何選擇疲勞分析軟件課堂討論與問答2.汽車疲勞測(cè)試方法、分析方法的現(xiàn)狀及開展趨勢(shì)汽車耐久性道路實(shí)驗(yàn)汽車耐久性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)汽車零部件耐久性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法分析方法Source: nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.03.4疲勞分析在汽車開發(fā)流程中的定位在第一階段: 評(píng)價(jià)各種設(shè)計(jì)方案能否滿足疲勞耐久性要求.在第二階段: 盡早發(fā)現(xiàn)疲勞危險(xiǎn)部位, 及時(shí)采取措施, 使樣車順利經(jīng)過汽車耐久性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和汽車耐久性道路實(shí)驗(yàn).在第三階段:

3、 發(fā)現(xiàn)前兩個(gè)階段漏判的部分問題還來得及改良, 假設(shè)必需進(jìn)展大的改動(dòng)那么闡明疲勞耐久性分析尚須改良.第一階段第二階段第三階段Source: Automotive Circle Internaional Conferrence, 13-14 March 2007, Bad Nauheim, Germany.5振動(dòng),碰撞等疲勞分析與其他分析(剛度剛度,強(qiáng)度強(qiáng)度,振動(dòng) 碰撞等)的關(guān)系Source: EuroCarBody 2007, 16-18 Oct. 2007, Bad Nauheim, Germany.耐久性設(shè)計(jì)目的設(shè)定與分解汽車設(shè)計(jì)(或希望保證)的運(yùn)用壽命, 例如30萬公里汽車在耐久性道路實(shí)驗(yàn)

4、場(chǎng)上的行使里程, 例如2000公里 不同路況 (市郊, 鄉(xiāng)間, 越野) 非正常情況(壓路邊妨礙物) 潮濕腐蝕路面汽車在耐久性道路實(shí)驗(yàn)場(chǎng)上行使過程中記錄各種工況下的有效疲勞載荷路譜(每種工況記錄一定時(shí)間)陳列組合不同路譜, 緊縮無效成份為零部件與整車臺(tái)架加速實(shí)驗(yàn)提供實(shí)驗(yàn)載荷虛擬路面汽車多體動(dòng)力學(xué)模型為耐久性計(jì)算或?qū)嶒?yàn)提供虛擬路譜汽車耐久性疲勞計(jì)算, 輸出損傷值 D各環(huán)節(jié)之間需求大量閱歷積累, 并無嚴(yán)厲的定量關(guān)系.6.1)2)3)4)5)目前疲勞分析所能到達(dá)的精度非常稱心的精度: 損傷值 1D10例如, 假設(shè)根據(jù)閱歷可以確定如下當(dāng)量關(guān)系:30萬公里正常運(yùn)用壽命大致相當(dāng)于2000公里汽車耐久性道路實(shí)

5、驗(yàn)行使里程,而針對(duì)2000公里汽車耐久性道路實(shí)驗(yàn)行使里程的疲勞耐久性計(jì)算得出的被實(shí)驗(yàn)證明的疲勞破壞部位的損傷值D大約在1.0和10之間.到達(dá)上述精度往往需求多年的閱歷積累以及根據(jù)閱歷反復(fù)的修正.如何改良精度?檢查能否存在系統(tǒng)誤差, 如是可以將過大或過小的損傷值經(jīng)過一個(gè)系數(shù)修正到1.0和10之間.全面檢查疲勞耐久性計(jì)算的各個(gè)環(huán)節(jié), 特別是邊境條件. 在這個(gè)過程中可經(jīng)過敏感性分析計(jì)算確定哪些要素有較大影響.對(duì)疲勞耐久性分析而言閱歷非常重要, 和有閱歷的計(jì)算工程師和疲勞實(shí)驗(yàn)工程師深化討論往往很有協(xié)助.有時(shí)也不能排除實(shí)驗(yàn)中的錯(cuò)誤(人們普通疑心計(jì)算結(jié)果而很少疑心實(shí)驗(yàn)結(jié)果),經(jīng)常標(biāo)定實(shí)驗(yàn)設(shè)備很重要.計(jì)算與

6、實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合: 實(shí)驗(yàn)前用計(jì)算協(xié)助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)后用丈量結(jié)果驗(yàn)證計(jì)算.7.疲勞計(jì)算主要環(huán)節(jié)單位載荷作用下線彈性靜載應(yīng)力計(jì)算(獲得應(yīng)力分量和單位載荷的關(guān)系)載荷譜(實(shí)踐載荷與時(shí)間的關(guān)系)線性疊加原理找出最大等效應(yīng)力(危險(xiǎn)截面上的最大正應(yīng)力或最大剪應(yīng)力)對(duì)于鋒利缺口附近應(yīng)力過高等情況經(jīng)過思索應(yīng)力梯度將過高的應(yīng)力修正到接近實(shí)踐的程度用Neuber修正將線彈性最大等效應(yīng)力轉(zhuǎn)換成最大線彈性最大等效應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算疲勞損傷參量變(例如Pswt)同時(shí)思索平均應(yīng)力的影響實(shí)驗(yàn)測(cè)定的資料疲勞特性曲線(S-N曲線或應(yīng)變E-N曲線以及循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線)計(jì)算疲勞損傷積累(普通采用Miner準(zhǔn)那么)計(jì)算有效循環(huán)次數(shù)(Rain

7、flow counting)輸出計(jì)算結(jié)果(損傷值D, 或稱疲勞目的值)D1 表示能夠出現(xiàn)疲勞破壞8.疲勞分類LCF: 低周疲勞HCF: 高周疲勞疲勞極限Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 20059.高周疲勞與低周疲勞高周疲勞: 應(yīng)力較高, 應(yīng)變較低 普通采用應(yīng)力S-N曲線 (只需測(cè)試相對(duì)簡(jiǎn)單的S-N曲線 ) 汽車疲勞計(jì)算多為高周疲勞低周疲勞: 應(yīng)變較高, 應(yīng)力較低 普通采用應(yīng)變E-N曲線 (需測(cè)試相對(duì)復(fù)雜的E-N曲線

8、) 汽車疲勞計(jì)算中和溫度有關(guān)時(shí)多為底周疲勞為了運(yùn)用方便, 許多疲勞軟件在方法上給用戶提供應(yīng)力曲線法和應(yīng)變曲線法的選擇, 實(shí)踐上做了如下延伸: 用應(yīng)力S-N曲線覆蓋低周疲勞 用應(yīng)變E-N曲線覆蓋高周疲勞 實(shí)際闡明這種延伸在汽車疲勞計(jì)算中是可以接受的10.疲勞破壞機(jī)理Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 200511.12積分)應(yīng)力強(qiáng)度因子)等效應(yīng)力選取原那么與多軸疲勞分析載荷名義應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力缺口應(yīng)力缺口應(yīng)變斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)S

9、ource: IIW document XIII-2151-07 / XV-1254-07汽車構(gòu)造疲勞分析常用等效應(yīng)力參量多軸疲勞分析: 危險(xiǎn)截面法(J積分(應(yīng)力強(qiáng)度因子.損傷積累計(jì)算的Miner方法那么niNi損傷值:D = niNiSource: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 200713.應(yīng)力壽命方法,壽命方法 計(jì)算疲勞壽命時(shí)常用的一些近似處置光滑試件SN曲線思索各種影響要素后的SN曲線Miner originalMi

10、ner modifiedMiner elementarySource: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 200514.15應(yīng)變壽命壽命方法應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)曲線:每個(gè)循環(huán)所包圍的面積為該循環(huán)的能量損耗Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 2005.16應(yīng)變壽命壽命方法

11、Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 2005.應(yīng)變壽命壽命方法Source: Seminar Betriebsfestigkeit auf der Grundlage rtlicher Beanspruchungen, TU Darmstadt, 11.-13.03.200317.應(yīng)變壽命壽命方法Source: Seminar Betriebsfestigkeit auf der Grundlage rtlicher B

12、eanspruchungen, TU Darmstadt, 11.-13.03.200318.損傷參數(shù) P最常用Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 200719.應(yīng)力20疲勞載荷描畫SmaxSmin最大應(yīng)力最小應(yīng)力SmaxSmean 平均應(yīng)力SmeanSminR=SminSmax應(yīng)力比時(shí)間SmaxSminSource: Christoph Bach, Dissertation, “Beitrag zur Model

13、lierung des Schwingermdungsverhaltens und zur rechnerischenLebensdaueranalyse von endlos kohlenstofffaserverstrkten Vinylester-Matrixsystemen“, TU Kaiserslautern, 2007.Neuber修正目的: 以線彈性應(yīng)力應(yīng)變估算彈塑性應(yīng)力應(yīng)變線彈性應(yīng)力應(yīng)變彈塑性應(yīng)力應(yīng)變Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidel

14、berg 1995, 2003 und 200721.思索應(yīng)力梯度將過高的應(yīng)力修正到接近實(shí)踐的程度過高的缺口應(yīng)力接近實(shí)踐程度的缺口應(yīng)力Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 200722.彈性缺口應(yīng)力集中系數(shù)與疲勞缺口系數(shù)彈性缺口應(yīng)力集中系數(shù)疲勞缺口系數(shù)Kt=knSource: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Else

15、vier ButterworthHeinemann, 200523.金屬資料的SN曲線實(shí)驗(yàn)曲線擬合技術(shù)要點(diǎn) 采用雙對(duì)數(shù)線性回歸 以疲勞壽命N為因變量, 應(yīng)力幅度為自變量 在同一應(yīng)力幅程度實(shí)驗(yàn)點(diǎn)太少時(shí), 以回歸中線為縱軸使一切實(shí)驗(yàn)點(diǎn)參與統(tǒng)計(jì)分布(如紅線所示)Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 200524.金屬資料的SN曲線實(shí)驗(yàn)曲線擬合技術(shù)要點(diǎn) 采用雙對(duì)數(shù)線性回歸 以疲勞壽命N為因變量, 應(yīng)力幅度為自變量 在同一應(yīng)力幅程度

16、實(shí)驗(yàn)點(diǎn)太少時(shí), 以回歸中線為縱軸使一切實(shí)驗(yàn)點(diǎn)參與統(tǒng)計(jì)分布(如紅線所示) 思索存活概率 (50%為中線)A50%90%10% A50%10%90%NNSource: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 200725.26汽車計(jì)算常用軟件包CAD：CATIAPro/EngineerPre-/Postprocessor:MedinaANSAHyperMeshFE-Solver：NASTRAN (MSC.NASTRAN, NX.NASTR

17、AN)ABAQUSMARCANSYSPERMASLS-DYNAPAM-CRASHRADIOSSSTAR-CD(STAR-CCM+), FLUERENT, POWERFLOW.汽車疲勞計(jì)算常用軟件DesignLife (nCode)FEMFATFEMSITEFE-SAFELMS Virtual.Lab Durability英國, 德國奧地利奧地利英國德國, 比利時(shí)27.包括焊點(diǎn)焊縫)數(shù)據(jù)疲勞分析必備條件構(gòu)造外形尺寸(包括焊點(diǎn)焊縫 數(shù)據(jù)資料數(shù)據(jù)載荷數(shù)據(jù)分析結(jié)果: 疲勞損傷值的分布Source: nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.028.疲勞分析必備條

18、件Source: nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.029.30汽車車身車身計(jì)算建模表示圖Source: 26. Europische Karosseriekonferenz, 26-27 Feb. 2021, Bad Nauheim, Germany.資料疲勞性能實(shí)驗(yàn)Source: nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.031.疲勞載荷Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin H

19、eidelberg 1995, 2003 und 200732.時(shí)間應(yīng)力任務(wù)疲勞載荷 Rainflow 循環(huán)次數(shù)計(jì)數(shù)法應(yīng)變應(yīng)變應(yīng)變應(yīng)變Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 200733.疲勞載荷的獲取整車實(shí)驗(yàn)場(chǎng)整車實(shí)驗(yàn)臺(tái)零部件實(shí)驗(yàn)設(shè)備Source: nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.034.汽車多體動(dòng)力學(xué)模型Source: Gnther Preschany, Lotha

20、r Witte, Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication35.汽車多體動(dòng)力學(xué)模型 - 輪胎模型Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication36.汽車多體動(dòng)力學(xué)模型 - 輪胎模型Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesam

21、tfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication37.汽車多體動(dòng)力學(xué)模型 虛擬路面真實(shí)路面虛擬路面Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication38.汽車多體動(dòng)力學(xué)模型 - 正常路面Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesamtfahrzeu

22、gmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication39.汽車多體動(dòng)力學(xué)模型 耐久性實(shí)驗(yàn)路面Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication40.汽車多體動(dòng)力學(xué)模型 - 與有限元模型結(jié)合Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication41.載荷譜損傷譜汽車多體動(dòng)力學(xué)模型 - 模擬與實(shí)測(cè)的比較實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值模擬值模擬值模擬值模擬值實(shí)測(cè)值Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesamtfahrzeugmodell