傳動系疲勞計算及CAE分析

傳動系疲勞計算及CAE分析趙勇2014.3.12目錄疲勞計算基礎(chǔ)知識疲勞計算實例CAE應(yīng)用簡介CAE計算實例一.疲勞計算基礎(chǔ)知識疲勞定義及特點（ASTME206-72）

在某點或某些點承受擾動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為疲勞。特點：擾動應(yīng)力，高應(yīng)力局部，裂紋，發(fā)展過程。研究目的：預(yù)測壽命。N=Ni+Np裂紋萌生+擴(kuò)展SSmax0Smint常用導(dǎo)出量：平均應(yīng)力Sm=(Smax+Smin)/2

應(yīng)力幅Sa=(Smax-Smin)/2

應(yīng)力變程DS=Smax-Smin

應(yīng)力比R=Smin/Smax恒幅循環(huán)應(yīng)力水平的基本量：Smax

SminSmSaSa循環(huán)應(yīng)力(cyclestress)的描述0StR=-1對稱循環(huán)0StR=1靜載0StR=0脈沖循環(huán)疲勞計算分類應(yīng)力疲勞:Smax<Sy，Nf>104，也稱高周疲勞。應(yīng)變疲勞:Smax>Sy，Nf<104，也稱低周應(yīng)變疲勞。應(yīng)力s應(yīng)變eSyo疲勞計算需要用到：材料疲勞特性（S-N曲線）外部載荷譜R=-1(Sa=Smax)條件下得到的S-N曲線。用一組標(biāo)準(zhǔn)試件，在R=-1下，施加不同的Sa，進(jìn)行疲勞試驗，可得到S-N曲線。疲勞極限(endurancelimit

)Sf：壽命N趨于無窮大時所對應(yīng)的應(yīng)力S的極限值Sf。對稱循環(huán)下的疲勞極限Sf(R=-1)，簡記為S-1。滿足S＜Sf的設(shè)計，即無限壽命設(shè)計?；維-N曲線S103104105106107NfSNSf冪函數(shù)式Sm.N=C

m與C是與材料、應(yīng)力比、加載方式等有關(guān)的參數(shù)。二邊取對數(shù)，有:lgS=A+BlgNS-N間有對數(shù)線性關(guān)系；參數(shù)A=LgC/m,B=-1/m。LgS34567LgNSfS-N曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式StR=-1R=-1/3R=0SmR，Sm；且有：

Sm=(1+R)Sa/(1-R)Sm>0,拉伸平均應(yīng)力作用對疲勞是不利；Sm<0,壓縮平均應(yīng)力存在對疲勞是有利的。噴丸、擠壓和預(yù)應(yīng)變殘余壓應(yīng)力提高壽命。Sa不變，RorSm；N；N不變，RorSm；SN;SNSm<0Sm=0Sm>0aR增大平均應(yīng)力Sm的影響SS-1aSuSmN=104N=107Sa/S-1101Sm/SuN=107Haigh圖如圖，在等壽命線上，

Sm，Sa；SmSu。GerberGoodman直線形式簡單，且在給定壽命下，由此作出的Sa-Sm關(guān)系估計是偏于保守，故在工程實際中常用。Gerber：(Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1Goodman：(Sa/S-1)+(Sm/Su)=1Sa-Sm關(guān)系（等壽命曲線）典型載荷塊：“100起落”SN(起落次數(shù))100200某飛機(jī)主輪轂實測載荷譜滑行滑行滑行拐彎拐彎著陸著陸載荷譜分實測譜和設(shè)計譜。SS1n3S2S3n2n10n設(shè)計載荷譜外部載荷譜

若構(gòu)件在某恒幅應(yīng)力水平S作用下，循環(huán)至破壞的壽命為N，則循環(huán)至n次時的損傷定義為：

D=n/N若n=0,則D=0，構(gòu)件未受損傷；若n=N，則D=1，發(fā)生疲勞破壞D隨循環(huán)數(shù)n線性增長：Di=ni/Ni疲勞破壞判據(jù)為：D=1Miner線性累積損傷理論nD0n1D1N1ni

是在Si作用下的循環(huán)次數(shù)，由載荷譜給出；Ni

是在Si下循環(huán)到破壞的壽命，由S-N曲線確定。

若構(gòu)件在k個應(yīng)力水平Si作用下，各經(jīng)受ni次循環(huán)，總損傷為：

(i=1,2,...k

)DDnNikii==??1Miner

線性累積損傷理論的破壞準(zhǔn)則為：

DnNii==?1Miner線性累積損傷理論二.疲勞計算實例

齒數(shù)齒寬變位系數(shù)螺旋角法向壓力角法向模數(shù)MotorPinion20400.318853017.51.5MotorWheel9540-4.33E-02OutputPinion2050-9.64E-0215202.25OutputWheel6750-0.46516

輸入軸轉(zhuǎn)速(rpm)傳遞功率(kW)持續(xù)時間(h)工況1200089000工況21500101000幾何參數(shù)列表設(shè)計載荷譜Romax模型齒輪疲勞計算因此，Motor

Pinion齒輪壽命為：10000/61.189%=16342.8(h)軸承疲勞計算OutputShaftLeftBearing：

因此，OutputShaftLeftBearing壽命為：10000/49.7%=20120.7(h)三.CAE應(yīng)用簡介靜強(qiáng)度分析主要用來分析由于穩(wěn)態(tài)外載荷所引起的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等。應(yīng)力云圖變形云圖疲勞分析主要用來分析構(gòu)件受外載荷（恒幅、隨機(jī)變幅）作用下產(chǎn)生的疲勞損傷、壽命。應(yīng)力云圖損傷云圖壽命云圖接觸分析主要用來分析相接觸的兩構(gòu)件之間的接觸應(yīng)力大小及分布情況。應(yīng)力云圖接觸應(yīng)力云圖模態(tài)分析主要用來求解結(jié)構(gòu)件的固有頻率及其振型。前5階固有頻率15432溫度場分析主要用來分析溫度的分布及其產(chǎn)生的熱應(yīng)力情況。溫度分布云圖表淬壓應(yīng)力云圖碰撞分析用于對碰撞、沖擊過程進(jìn)行模擬，查看碰撞過程中的最大應(yīng)力及變形。應(yīng)力云圖能量變化曲線四.CAE計算實例拖拉機(jī)輸出前軸CAE分析危險截面不考慮應(yīng)力集中時，危險截面處最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為光軸切應(yīng)力云圖原輸出前軸切應(yīng)力云圖可見，危險截面處的應(yīng)力集中較嚴(yán)重，由于應(yīng)力集中，最大切應(yīng)力由93.29MPa增大到260.65MPa。靜強(qiáng)度分析改后輸出前軸切應(yīng)力云圖改進(jìn)后，危險截面處最大切應(yīng)力由260.65MPa降為209.97MPa，應(yīng)力水平降低了19.4%。安全系數(shù)由1.036增大到1.286。改前改后疲勞分析經(jīng)計算，原輸出前軸危險截面處經(jīng)20000次脈動循環(huán)載荷作用后造