现代汽车疲劳耐久技术--王齐鸣
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汽车疲劳耐久分析技术
产品开发中的疲劳强度分析
与有限元法相结合的疲劳强度分析给CAE工程师提供了一种有效的 手段，在产品开发的早期及耗时昂贵的疲劳试验开始前，发现结构中 薄弱环节并对其进行改进。疲劳强度分析对缩短产品的开发周期，
降低开发成本以及产品轻量化都有重要意义。
疲劳强度的评价标准
疲劳强度的评价标准应该是：
在给定的失效概率下保证系统 正常使用并达到设计寿命要求。
产品开发中的疲劳强度分析
疲劳寿命通常可分为两个阶段-裂纹萌生和裂纹扩展寿命。裂纹起始寿命包含裂纹萌生及小裂纹的 早期扩展。而裂纹扩展寿命包含的是裂纹扩展到断裂的过程。 然而准确的区分裂纹生成和裂纹扩 展寿命很困难，有时甚至是不可能的。 原因就是这样的区分和许多因素有关，如零部件的尺寸， 材料以及测量识别裂纹的方法等。这里讲的裂纹生成是工程意义上的裂纹萌生 (这时裂纹的尺寸 大约在2mm 左右)。裂纹扩展寿命是指自裂纹萌生到断裂的剩余寿命。
※ 应力寿命法：这是首先使用的疲劳分析方法。通常用于分析高周疲劳，即应力和应变值为线弹性。
通常用于计算总寿命，但也可以计算工程裂纹起始寿命。
※ 应变寿命法：60年代形成的分析方法，用于计算裂纹起始寿命。此时应变已不再是线弹性，而是已 包含一部分塑性应变。可用于分析有限寿命或低周疲劳问题。
※ 断裂力学方法： (LEFM, 线弹性断裂力学)用于计算自某个起始裂纹长度后的裂纹扩展寿命。经 常与应变寿命法结合计算零部件的总疲劳寿命(裂纹起始加裂纹扩展寿命)。
疲劳强度……
什么是疲劳
·金属疲劳是承受重复荷载零部件过早失效或损坏的过程。这一个复 杂过程很难准确地在微观水平进行描述和模拟。
Bannantine,Comer,Hardrock
·失效发生在重复的或变负载条件下，该载荷的大小不会达到一次导 致零部件损坏的水平。
NAFEMS
·疲劳失效-许多机器零件受到较高频的波动载荷而发生失效，此时该 载荷值远远低于可施加的静态载荷。
G.H.(Ryder
·金属材料在重复或波动载荷作用下失效，其载荷大小远低于一次性 加载导致破坏的负载。发生在动态加载条件下的失效被称为疲劳破坏。
·疲劳的概念是一百多年前法国工程师Monsieur Poncelet 提出的。
·德语中的疲劳“ Betriebsfestigkeit” ( 运用强度)是对疲劳现象 的更准确的描述。
· 自1830年以来金属零部件受到重复或波动载荷时的失效载荷远低于 静态破坏负载已成为共识。这种动态载荷条件下的破坏形式被称为 疲劳。至少90%机械零部件在运用中发生的失效是由于疲劳导致。
●德国工程师Woehle r通过实验(1850-1875) 确定了疲劳强度极限的存在。
· 1903年Ewing &Humphrey用光学显微镜检查同一区域的标本在不 同阶段的疲劳寿命，指出晶体往复滑移是导致的疲劳损伤的原因。
·Jekin在1923年首创使用弹簧滑块模型来模拟金属材料的循环变形 应力应变行为。大约这个时候Griffith出版了他的经典的断裂论文， 指出疲劳断裂循环是疲劳裂纹长超过其稳定长度引起的脆性断裂。
·Coffin和Manson从1950年开始他们的研究，建立了塑性应变与疲劳 寿命的定量关系。60年代完成了许多重要的工作。Irwin和其他人 开发了断裂力学作为一个实用的工程工具。
·70年代末80年代初疲劳分析逐渐在汽车及其它行业采用，以有限元 分析结果为基础的疲劳分析软件开始出现。
疲劳强度的概念
疲劳强度是门综合学科，研究外载荷、 材料、制造方法及结构相互作用下零部 件的运用强度。
· 外载荷：机械，环境影响 (温度，腐 蚀环境...) 。
· 材料：疲劳劳强度
· 制造方法：铸造，锻造，焊接，点焊， 粘合等，决定了零部件材料，尤其是高 应力区的材料特性。
· 结构：几何形状，缺口等，决定了外 载荷作用下零部件危险部位的应力、应 变大小。
疲劳强度划分
· 极限载荷也称之为过载。例如压力容器受超压作用或底盘零部件缓慢地通过一个障碍物。 此时的设计要求是，局部的塑性变形不准许超标同时设计的使用寿命不会因局部的塑性 变形而受影响。
· 结构的失稳。此时零件受高速、高能量冲击载荷作用。例如高速通过一个大坑，在冰面 上滑动冲击路沿。在结构设计及选材上要保证零部件在这种情况下不能因此发生脆断， 也就是说，韧性断裂准许发生。这种载荷工况在汽车行业应该属于不当使用工况。
· 蠕变载荷，例如汽轮机的叶片受高温和高离心力作用。或者在室温条件下的的某些零部 件其材料的屈服极限底有较强的蠕变趋势。
· 磨损发生在有接触的零部件之间，如轴承，铁路路轨和车轮轮毂，齿轮。
循环载荷下疲劳强度划分
· 循环载荷分为等幅和变幅，还可能叠加上由于装配或其它原因造成的常量载荷。零部件 在等幅载荷下的疲劳强度可以用零部件的 S-N 曲线描述；变幅载荷下的疲劳强度可以用 Gassner曲线表达。S-N 曲线可以分为低周区，弹塑性变形，塑性变形较大，失效循环次 数到5e4 。下一个是有限寿命区，弹塑性变形，疲劳寿命在5e4到1e6之间。最后是无线寿 命区，宏观弹性变形，有微观塑性变形，疲劳寿命大于1e6 。在这个区域一般不存在疲劳 强度极限，分析时也认为S-N曲线的疲劳强度极限连续下降。
·Gassner 曲线的循环次数可以在1e4及以上。所受的变幅载荷可以是确定的或随机的。典 型的低周区零部件，例如反应堆压力容器，有限寿命区的零部件比如车门，无限寿命区 的零部件例如齿轮，曲轴，曲柄等。底盘零部件受的是变幅载荷，如车轮、控制臂、前 后副车架、转向节。
· 前面提到的受载形式(极限载荷，蠕变载荷，磨损，循环载荷)单独出现的很少，它们 有可能先后或同时出现。例如底盘零部件过坑产生的冲击载荷与变幅循环载荷；涡轮机 叶片受到的蠕变及循环载荷；齿轮表面的循环压力及磨损载荷它们之间的相互作用必须 予以考虑。
·等幅载荷或应力，在低周、有限或无限寿命区单独出现的可能性很小。在运用中载荷或 应力的幅值是变化的，可以用载荷谱表示。
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