普通高等教育 “十一五”国家级规划教材 《汽车车身设计》

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

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 概述 1. 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 2. 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 3. 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 1. 变载荷作用下, 交变应力在远小于材料的强度极限, 破坏就可能发生 2. 常表现为低应力类脆性断裂 在宏观上常表现为无明显塑性变形的突然断裂 3. 在断口处明显的分为两个区 : 光滑区和粗糙区 这是判定是否为疲劳破坏的一个重要判据 4. 疲劳破坏常具有局部性质 5. 疲劳破坏是一个累积损伤的过程, 通常要经历裂纹形成 裂纹扩展 裂纹扩展到临界尺寸时的快速断裂三个阶段

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 1. 材料本质 化学成份 金相组织 纤维方向 内部有无缺陷 2. 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 3. 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 4. 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, 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 1 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 2 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 1 2 3 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 1 2 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 某加工试样的疲劳强度标准光滑试件的疲劳强度 1 2 3

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 β 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 β 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 S max, 一般用 S r 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 (>10 7 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 ε-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 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 两个问题 : 1 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? 2 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 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 (ε-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 对称循环 ( 图 a): 完全对称的正弦型等幅应力循环, 在没有过载且以恒速运转的旋转轴中最常见 脉动循环 ( 图 b): 最大应力不等于最小应力, 且都是拉伸应力 随机应力循环 ( 图 c): 应力循环没有一定的规律 通常是由作用在结构上的随机载荷所致, 这种情况在实际工程中更具有代表性

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 S-N 曲线 材料疲劳失效前所经历的应力或应变循环数称为疲劳寿命, 一般用 N 表示 疲劳寿命取决于材料的力学性能和施加的应力 / 应变水平 一般, 材料的强度极限愈高, 外加的应力 / 应变水平愈低, 试样的疲劳寿命就愈长 表示外加应力 / 应变水平和标准试样疲劳寿命间关系的曲线称为材料的 S-N 曲线, 简称 S-N 曲线, 又称为 Wohler 曲线

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 确定 S-N 曲线的步骤 疲劳特性都是用完全对称应力循环 (R=-1) 下进行的 R.R.Moore 的疲劳测试 用四点载荷法施加弯矩对旋转圆柱形的沙漏状试样进行试验 试样测试部分的直径在 6mm 到 8mm 之间, 为克服试件表面缺陷对试验结果的影响, 试验前对试件表面进行镜面磨光 试样表面的应力水平仍然用弹性梁方程来计算 S Mc / I 式中,S 为垂直于横断面处的名义应力 ;M 为弯矩 ;c 为表面到中性轴的距离 ;I 为截面惯性矩

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 确定 S-N 曲线的步骤 确定 S-N 曲线的方法 在某一高应力水平下对第一根试样进行试验, 此应力水平大约是材料静拉伸强度的三分之二 随后的试样中, 试验应力降低到至少有一个或两个试样在 1 10 7 次循环前失效 试样不发生失效的最高应力与相邻应力水平的应力平均值就是材料的疲劳极限 S-N 曲线通常要测试 15 根试样来确定 测试结果有很大的分散性, 需要统计分析 S-N 数据一般用交变应力 应力幅 σ a 和应力范围 σ r 对失效周期的双对数形式画出

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 S-N 曲线的限定 S-N 对于循环载荷引起的名义应力在弹性范围内的情况比较有效 为保证不发生明显的塑性, 必须把寿命轴设定为大于 10 4 次, 否则误差会很大

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 S-N 曲线的经验计算 经过大量实验和多年的经验积累, 人们已经在金属材料 ( 尤其是钢材 ) 的 S-N 曲线和拉伸特性之间建立了比较成熟的经验关系式 当强度不同的不同钢材的 S-N 曲线用疲劳极限 S e ( 即 10 6 次循环时的应力幅 S 6 ) 和极限抗拉强度 S u 绘出时, 所有的曲线都倾向于下式表达的简单曲线 S S 0.5 S S 1400MPa 6 S S 700 MPa S 1400MPa 6 e u u e 根据这些指可以得到材料的通用 S-N 曲线 u

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 在给定寿命的条件下, 研究循环应力幅和平均应力的关系, 可得到 Haigh 曲线

第四节车身结构疲劳寿命分析流程和方法 一 车身结构整体耐久性分析流程 二 虚拟疲劳耐久性集成化仿真分析中的一些方法 三 在车身设计初期阶段疲劳计算载荷的选用 四 评估疲劳寿命的模态法 疲劳耐久性研究方法 试验测试方法 CAE 仿真分析方法 这两种方法都需要对道路载荷数据进行处理和测得材料的疲劳参数

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 车身疲劳寿命 CAE 分析过程 1. 单元过滤, 识别耐久性危险区和敏感单元 2. 通道过滤, 识别危险车身安装部位通道载荷 3. 载荷过滤, 识别危险工况的载荷 4. 根据上述, 计算危险单元的应力 / 时间历程和疲劳寿命

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 1. 模型描述和计算 在流程中, 第一步要建立整备车身模型, 并将模型用模态综合 (CMS) 方法描述到多体软件中, 建立整车刚柔组合模型 a- 有限元模型 b- 车身 / 底盘 16 个安装点 白车身结构的有限元模型和车身 / 底盘安装点

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 2. 危险通道载荷 底盘上的载荷是通过整备车身安装部位传递到车身上 例 : 1 2 输入耐久性分析过程的一个循环道路载荷数据, 并进行频谱分析获得频率曲线 将载荷加入整车刚柔多体模型的整车数据文件, 通过动力仿真计算, 获得车身支承的各个通道载荷

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 3. 危险循环事件载荷 对耐久性分析的道路载荷数据进行雨流分析, 获得各事件载荷 - 时间历程数据 将各事件载荷 - 时间历程数据输入整车模型, 对车身疲劳应力进行计算, 识别若干个危险循环事件载荷

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 4. 综合循环事件载荷, 进行疲劳寿命计算 最终车身结构系统疲劳寿命, 取决于危险循环事件载荷的组合 将循环事件载荷输入疲劳分析程序, 进行疲劳分析 计算危险单元的应力分量和一维当量应力时间历程, 并对后者按雨流计数法进行频谱分析, 获得直方图 根据直方图得出最大 最小应力, 计算平均应力和应力幅等应力参数 计算结构危险单元的累积损伤和疲劳寿命 ( 循环次数 里程 ) 和基于参考名义应力的安全系数等

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 1. 单轴疲劳应力 (1)Von Mises 一维当量应力 将多轴应力历程转化为单轴当量应力历程 测方法 2 2 2 von x y x y 3 xy (2) 临界平面应力 假设产生裂纹的原因是来自正交于开裂平面的应力, 且认为开裂面是不变的 用于预测单元内部该平面上的损伤程度 1 1 1, 2 ( ) ( ( ) ) 2 4 1 2 2 2 x y x y xy 1 xy 1 tan 2 x y

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 2. 应力排序和单元分类 应力排序 为识别危险单元, 需要对所有样本事件下各单元进行排序和分类 整个应力时间历程中, 各单元主应力范围值 1 max 1 min 2 max 2 min i i i i i p range max ( t) ( t), ( t) ( t) 单元分类 根据各单元最大主应力范围值, 按每隔 100MPa 的主应力范围取为一类 各类分别存放在多层文件夹中

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 1. 应力直方图 每个危险单元, 计算其所有时间步的主平面角, 并构造应力直方图

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 2. 应力修正 (1) 应力应变关系修正 当应力达到屈服极限时, 需要选择名义主应力, 计算实际的非线性应力和总应变 i i e ( t) e ( t) E i i ( t) ( t) 1 i i ( ) ( ) n i c t c t c () t E K c c

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 2. 应力修正 (2) 平均应力修正 平均应力修正 材料失效时反复交变次数修正 有平均应力修正时 max E 2 f a f f f f 2b N N b c 无平均应力修正时 E b N N f a f f f c

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 3. 疲劳累计损伤和寿命计算 疲劳累积损伤理论是疲劳分析的主要原理之一 损伤, 是指在疲劳过程中, 初期材料内的细微变化和后期裂纹的形成和扩展 损伤是可以积累的, 损伤达到临界值, 就会发生疲劳破坏 i n k Di, k 1,2,, z k ( N f) k L i 1 D i