汽車疲勞耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢概述課件

汽車疲勞耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢張式程全德華人機(jī)電工程學(xué)會(huì)汽車疲勞耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢張式程全德華人機(jī)電工程學(xué)會(huì)1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)狀及發(fā)展趨勢1)目前疲勞分析所能達(dá)到的精度2）疲勞分析在汽車開發(fā)流程中的定位3）汽車疲勞測試方法、分析方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4)疲勞耐久性技術(shù)究竟要解決什么問題（課堂討論與問答）疲勞耐久性分析理論基礎(chǔ)及關(guān)鍵技術(shù)1)疲勞壽命預(yù)測的基本理論2)等效應(yīng)力選取原則與多軸疲勞分析3)疲勞目標(biāo)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)焊縫疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)7)能否以及如何建立一套適合自己產(chǎn)品的疲勞分析方法（課堂討論與問答）汽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汽車疲勞主要內(nèi)容(分別見“疲勞耐久性-1,-2,-3”三2汽車疲勞測試方法、分析方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢汽車耐久性道路試驗(yàn)汽車耐久性臺(tái)架試驗(yàn)汽車零部件耐久性臺(tái)架試驗(yàn)測試方法 分析方法

Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.0 3汽車疲勞測試方法、分析方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢汽車耐久性道路試驗(yàn)34

疲勞分析在汽車開發(fā)流程中的定位在第一階段:評價(jià)各種設(shè)計(jì)方案是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,使樣車順利通過汽車耐久性臺(tái)架試驗(yàn)和汽車耐久性道路試驗(yàn).在第三階段:發(fā)現(xiàn)前兩個(gè)階段漏判的局部問題還來得及改進(jìn),如果必須進(jìn)行大的改動(dòng)則說明疲勞耐久性分析尚須改進(jìn).第一階段第二階段第三階段Source:AutomotiveCircleInternaionalConferrence,13-14March2007,BadNauheim,Germany4 疲勞分析在汽車開發(fā)流程中的定位第一階段第二階段第三階段S45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:EuroCarBody2007,16-18Oct.2007,BadNauheim,Germany5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)5耐久性設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)定與分解

汽車設(shè)計(jì)(或希望保證)的使用壽命,例如30萬公里 汽車在耐久性道路試驗(yàn)場上的行使里程,例如2000公里

?不同路況(市郊,鄉(xiāng)間,越野) ?非正常情況(壓路邊障礙物) ?潮濕腐蝕路面 汽車在耐久性道路試驗(yàn)場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) 排列組合不同路譜,壓縮無效成份為 零部件與整車臺(tái)架加速試驗(yàn)提供試驗(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 試驗(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)之間需要大量經(jīng)驗(yàn)積累,并無嚴(yán)格的定量關(guān)系.

6耐久性設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)定與分解 ?不同路況(市郊,鄉(xiāng)間61)2)3)4)5)目前疲勞分析所能達(dá)到的精度非常滿意的精度:損傷值1<D<10例如,如果根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以確定如下當(dāng)量關(guān)系:30萬公里正常使用壽命大致相當(dāng)于2000公里汽車耐久性道路試驗(yàn)行使里程,而針對2000公里汽車耐久性道路試驗(yàn)行使里程的疲勞耐久性計(jì)算得出的被試驗(yàn)證實(shí)的疲勞破壞部位的損傷值D大約在1.0和10之間.達(dá)到上述精度往往需要多年的經(jīng)驗(yàn)積累以及根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反復(fù)的修正.如何改進(jìn)精度?檢查是否存在系統(tǒng)誤差,如是可以將過大或過小的損傷值通過一個(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),特別是邊界條件.在這個(gè)過程中可通過敏感性分析計(jì)算確定哪些因素有較大影響.對疲勞耐久性分析而言經(jīng)驗(yàn)非常重要,和有經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算工程師和疲勞試驗(yàn)工程師深入討論往往很有幫助.有時(shí)也不能排除試驗(yàn)中的錯(cuò)誤(人們一般懷疑計(jì)算結(jié)果而很少懷疑試驗(yàn)結(jié)果),經(jīng)常標(biāo)定試驗(yàn)設(shè)備很重要.計(jì)算與試驗(yàn)有機(jī)結(jié)合:試驗(yàn)前用計(jì)算幫助設(shè)計(jì)試驗(yàn),試驗(yàn)后用測量結(jié)果驗(yàn)證計(jì)算.71)2)3)4)5)目前疲勞分析所能達(dá)到的精度非常滿意的精度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)際載荷與時(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) 對于尖銳缺口附近應(yīng)力過高等情況 通過考慮應(yīng)力梯度將過高的應(yīng)力修正到接近實(shí)際的水平 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)考慮平均應(yīng)力的影響試驗(yàn)測定的材料疲勞特性曲線 (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(一般采用Miner準(zhǔn)則)

計(jì)算有效循環(huán)次數(shù)(Rainflowcounting)輸出計(jì)算結(jié)果(損傷值D,或稱疲勞目標(biāo)值)

D≥1表示可能出現(xiàn)疲勞破壞

8疲勞計(jì)算主要環(huán)節(jié) 載荷譜 線性疊加原理試驗(yàn)測定的8疲勞分類LCF:低周疲勞HCF:高周疲勞疲勞極限Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,20059疲勞分類LCF:低周疲勞疲勞極限Source:Y.Le9高周疲勞與低周疲勞高周疲勞:?應(yīng)力較高,應(yīng)變較低?一般采用應(yīng)力S-N曲線(只需測試相對簡單的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?一般采用應(yīng)變E-N曲線(需測試相對復(fù)雜的E-N曲線)?汽車疲勞計(jì)算中和溫度有關(guān)時(shí)多為底周疲勞為了使用方便,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)際上做了如下延伸:?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)踐表明這種延伸在汽車疲勞計(jì)算中是可以接受的10高周疲勞與低周疲勞高周疲勞:?應(yīng)力較高,應(yīng)變較低?一般10疲勞破壞機(jī)理Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200511疲勞破壞機(jī)理Source:Y.Leeetal.:F1112積分)應(yīng)力強(qiáng)度因子)等效應(yīng)力選取原則與多軸疲勞分析載荷名義應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力缺口應(yīng)力缺口應(yīng)變斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)Source:IIWdocumentXIII-2151-07/XV-1254-07汽車結(jié)構(gòu)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12積分)應(yīng)力強(qiáng)度因子)等效應(yīng)力選取原則與多軸疲勞分析載荷名12損傷積累計(jì)算的Miner方法則niNi損傷值:D=∑

niNiSource:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und2007 13損傷積累計(jì)算的Miner方法則niNi損傷值:D=∑ n13應(yīng)力壽命方法,壽命方法計(jì)算疲勞壽命時(shí)常用的一些近似處理光滑試件SN曲線考慮各種影響因素后的SN曲線MineroriginalMinermodifiedMinerelementarySource:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200514應(yīng)力壽命方法,壽命方法計(jì)算疲勞壽命時(shí)常用的一些近似處理光1415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.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200515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S1516應(yīng)變壽命壽命方法Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200516應(yīng)變壽命壽命方法Source:Y.Leeetal16應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetriebsfestigkeitaufderGrundlage?rtlicherBeanspruchungen,TUDarmstadt,11.-13.03.200317應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetrie17應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetriebsfestigkeitaufderGrundlage?rtlicherBeanspruchungen,TUDarmstadt,11.-13.03.200318應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetrie18損傷參數(shù)P最常用Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200719損傷參數(shù)P最常用Source:DieterRadaj,19應(yīng)力20疲勞載荷描述SmaxSmin最大應(yīng)力最小應(yīng)力SmaxSmean平均應(yīng)力Smean

SminR=SminSmax應(yīng)力比

時(shí)間

Smax

SminSource:ChristophBach,Dissertation,“BeitragzurModellierungdesSchwingermüdungsverhaltensundzurrechnerischen Lebensdaueranalysevonendloskohlenstofffaserverst?rktenVinylester-Matrixsystemen“,TUKaiserslautern,2007應(yīng)力20疲勞載荷描述Smax最大應(yīng)力SmaxSmean20Neuber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:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200721Neuber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21考慮應(yīng)力梯度將過高的應(yīng)力修正到接近實(shí)際的水平過高的缺口應(yīng)力接近實(shí)際水平的缺口應(yīng)力Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200722考慮應(yīng)力梯度將過高的應(yīng)力修正到接近實(shí)際的水平過高的缺口應(yīng)力接22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=σkσnSource:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,2005 23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23金屬材料的SN曲線試驗(yàn)曲線擬合技術(shù)要點(diǎn)?采用雙對數(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)力幅水平試驗(yàn)點(diǎn)太少時(shí),以回歸中線為縱軸使所有試驗(yàn)點(diǎn)參加統(tǒng)計(jì)分布(如紅線所示)Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200524金屬材料的SN曲線試驗(yàn)曲線擬合技術(shù)要點(diǎn)?采用雙對數(shù)線性回歸24金屬材料的SN曲線試驗(yàn)曲線擬合技術(shù)要點(diǎn)?采用雙對數(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)力幅水平試驗(yàn)點(diǎn)太少時(shí),以回歸中線為縱軸使所有試驗(yàn)點(diǎn)參加統(tǒng)計(jì)分布(如紅線所示)?考慮存活概率(50%為中線)σA

50%90%10%σA50%10%90%NNSource:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und2007 25金屬材料的SN曲線試驗(yàn)曲線擬合技術(shù)要點(diǎn)σA 50%10%σ2526汽車計(jì)算常用軟件包CAD：CATIAPro/EngineerPre-/Postprocessor:MedinaANSAHyperMeshFE-Solver：NASTRAN(MSC.NASTRAN,NX.NASTRAN)ABAQUSMARCANSYSPERMASLS-DYNAPAM-CRASHRADIOSSSTAR-CD(STAR-CCM+),FLUERENT,POWERFLOW26汽車計(jì)算常用軟件包CAD：CATIAPro/Engine26汽車疲勞計(jì)算常用軟件DesignLife(nCode)FEMFATFEMSITEFE-SAFELMSVirtual.LabDurability英國,德國奧地利奧地利英國德國,比利時(shí)27汽車疲勞計(jì)算常用軟件DesignLife(nCode)英國27包括焊點(diǎn)焊縫)數(shù)據(jù)疲勞分析必備條件結(jié)構(gòu)形狀尺寸(包括焊點(diǎn)焊縫數(shù)據(jù)材料數(shù)據(jù)載荷數(shù)據(jù)分析結(jié)果:疲勞損傷值的分布Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.028包括焊點(diǎn)焊縫)數(shù)據(jù)疲勞分析必備條件結(jié)構(gòu)形狀尺寸(包括焊點(diǎn)焊縫28疲勞分析必備條件Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.029疲勞分析必備條件Source:nCode2004?F2930汽車車身車身計(jì)算建模示意圖Source:26.Europ?ischeKarosseriekonferenz,26-27Feb.2008,BadNauheim,Germany30汽車車身車身計(jì)算建模示意圖Source:26.Eur30材料疲勞性能試驗(yàn)Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.031材料疲勞性能試驗(yàn)Source:nCode2004?F31疲勞載荷Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200732疲勞載荷Source:DieterRadaj,Mich32時(shí)間應(yīng)力工作疲勞載荷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:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und2007 33時(shí)間應(yīng)力工作疲勞載荷Rainflow循環(huán)次數(shù)計(jì)數(shù)法應(yīng)33疲勞載荷的獲取整車試驗(yàn)場整車試驗(yàn)臺(tái)零部件試驗(yàn)設(shè)備Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.0 34疲勞載荷的獲取整車試驗(yàn)場整車試驗(yàn)臺(tái)零部件試驗(yàn)設(shè)備Source34汽車多體動(dòng)力學(xué)模型Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication35汽車多體動(dòng)力學(xué)模型Source:GüntherPresc35汽車多體動(dòng)力學(xué)模型-輪胎模型Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication36汽車多體動(dòng)力學(xué)模型-輪胎模型Source:Günt36汽車多體動(dòng)力學(xué)模型-輪胎模型Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication37汽車多體動(dòng)力學(xué)模型-輪胎模型Source:Günt37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:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication 38汽車多體動(dòng)力學(xué)模型–虛擬路面真實(shí)路面虛擬路面Sour38汽車多體動(dòng)力學(xué)模型-正常路面Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication39汽車多體動(dòng)力學(xué)模型-正常路面Source:Günt39汽車多體動(dòng)力學(xué)模型–耐久性試驗(yàn)路面Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication40汽車多體動(dòng)力學(xué)模型–耐久性試驗(yàn)路面Source:G40汽車多體動(dòng)力學(xué)模型-與有限元模型結(jié)合Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication41汽車多體動(dòng)力學(xué)模型-與有限元模型結(jié)合Source:41載荷譜損傷譜汽車多體動(dòng)力學(xué)模型-模擬與實(shí)測的比較

實(shí)測值實(shí)測值實(shí)測值模擬值 模擬值模擬值 模擬值實(shí)測值Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication 42載荷譜損傷譜汽車多體動(dòng)力學(xué)模型-模擬與實(shí)測的比較實(shí)測42一些特殊的疲勞耐久性問題車門和后備箱開關(guān)正常載荷的疲勞耐久性問題 非正常載荷(過載過載)對汽車 疲勞耐久性的影響

Source:PublikationenderBMWGroup,Stand01/07 43一些特殊的疲勞耐久性問題車門和后備箱開關(guān)正常載荷的疲勞耐久性43汽車CAE建模過程Source:MSC.Nastran2004,MakingConnections,Oct.200344汽車CAE建模過程Source:MSC.Nastran244基于匹配網(wǎng)格與非匹配網(wǎng)格的焊點(diǎn)建模成本比較基于匹配網(wǎng)格基于非匹配網(wǎng)格Source:MSC.Nastran2004,MakingConnections,Oct.200345基于匹配網(wǎng)格與非匹配網(wǎng)格的焊點(diǎn)建模成本比較基于匹配網(wǎng)格基于非45基于匹配網(wǎng)格)早期的焊點(diǎn)模型(基于匹配網(wǎng)格Source:MSC.Nastran2004,MakingConnections,Oct.200346基于匹配網(wǎng)格)早期的焊點(diǎn)模型(基于匹配網(wǎng)格Source:M46基于非匹配網(wǎng)格焊點(diǎn)模型的原理Source:MSC.Nastran2004,MakingConnections,Oct.200347基于非匹配網(wǎng)格焊點(diǎn)模型的原理Source:MSC.Nast47基于非匹配網(wǎng)格焊點(diǎn)模型實(shí)例Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.048基于非匹配網(wǎng)格焊點(diǎn)模型實(shí)例Source:nCode20048基于匹配網(wǎng)格的焊縫模型Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.049基于匹配網(wǎng)格的焊縫模型Source:nCode200449基于匹配網(wǎng)格的焊縫模型Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.050基于匹配網(wǎng)格的焊縫模型Source:nCode200450基于非匹配網(wǎng)格的焊縫模型仍在研究階段Source:MSC.Nastran2004,MakingConnections,Oct.200351基于非匹配網(wǎng)格的焊縫模型仍在研究階段Source:MSC.51汽車疲勞耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢張式程全德華人機(jī)電工程學(xué)會(huì)汽車疲勞耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢張式程全德華人機(jī)電工程學(xué)會(huì)52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)狀及發(fā)展趨勢1)目前疲勞分析所能達(dá)到的精度2）疲勞分析在汽車開發(fā)流程中的定位3）汽車疲勞測試方法、分析方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4)疲勞耐久性技術(shù)究竟要解決什么問題（課堂討論與問答）疲勞耐久性分析理論基礎(chǔ)及關(guān)鍵技術(shù)1)疲勞壽命預(yù)測的基本理論2)等效應(yīng)力選取原則與多軸疲勞分析3)疲勞目標(biāo)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)焊縫疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)7)能否以及如何建立一套適合自己產(chǎn)品的疲勞分析方法（課堂討論與問答）汽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汽車疲勞主要內(nèi)容(分別見“疲勞耐久性-1,-2,-3”三53汽車疲勞測試方法、分析方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢汽車耐久性道路試驗(yàn)汽車耐久性臺(tái)架試驗(yàn)汽車零部件耐久性臺(tái)架試驗(yàn)測試方法 分析方法

Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.0 3汽車疲勞測試方法、分析方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢汽車耐久性道路試驗(yàn)544

疲勞分析在汽車開發(fā)流程中的定位在第一階段:評價(jià)各種設(shè)計(jì)方案是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,使樣車順利通過汽車耐久性臺(tái)架試驗(yàn)和汽車耐久性道路試驗(yàn).在第三階段:發(fā)現(xiàn)前兩個(gè)階段漏判的局部問題還來得及改進(jìn),如果必須進(jìn)行大的改動(dòng)則說明疲勞耐久性分析尚須改進(jìn).第一階段第二階段第三階段Source:AutomotiveCircleInternaionalConferrence,13-14March2007,BadNauheim,Germany4 疲勞分析在汽車開發(fā)流程中的定位第一階段第二階段第三階段S555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:EuroCarBody2007,16-18Oct.2007,BadNauheim,Germany5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)56耐久性設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)定與分解

汽車設(shè)計(jì)(或希望保證)的使用壽命,例如30萬公里 汽車在耐久性道路試驗(yàn)場上的行使里程,例如2000公里

?不同路況(市郊,鄉(xiāng)間,越野) ?非正常情況(壓路邊障礙物) ?潮濕腐蝕路面 汽車在耐久性道路試驗(yàn)場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) 排列組合不同路譜,壓縮無效成份為 零部件與整車臺(tái)架加速試驗(yàn)提供試驗(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 試驗(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)之間需要大量經(jīng)驗(yàn)積累,并無嚴(yán)格的定量關(guān)系.

6耐久性設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)定與分解 ?不同路況(市郊,鄉(xiāng)間571)2)3)4)5)目前疲勞分析所能達(dá)到的精度非常滿意的精度:損傷值1<D<10例如,如果根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以確定如下當(dāng)量關(guān)系:30萬公里正常使用壽命大致相當(dāng)于2000公里汽車耐久性道路試驗(yàn)行使里程,而針對2000公里汽車耐久性道路試驗(yàn)行使里程的疲勞耐久性計(jì)算得出的被試驗(yàn)證實(shí)的疲勞破壞部位的損傷值D大約在1.0和10之間.達(dá)到上述精度往往需要多年的經(jīng)驗(yàn)積累以及根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反復(fù)的修正.如何改進(jìn)精度?檢查是否存在系統(tǒng)誤差,如是可以將過大或過小的損傷值通過一個(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),特別是邊界條件.在這個(gè)過程中可通過敏感性分析計(jì)算確定哪些因素有較大影響.對疲勞耐久性分析而言經(jīng)驗(yàn)非常重要,和有經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算工程師和疲勞試驗(yàn)工程師深入討論往往很有幫助.有時(shí)也不能排除試驗(yàn)中的錯(cuò)誤(人們一般懷疑計(jì)算結(jié)果而很少懷疑試驗(yàn)結(jié)果),經(jīng)常標(biāo)定試驗(yàn)設(shè)備很重要.計(jì)算與試驗(yàn)有機(jī)結(jié)合:試驗(yàn)前用計(jì)算幫助設(shè)計(jì)試驗(yàn),試驗(yàn)后用測量結(jié)果驗(yàn)證計(jì)算.71)2)3)4)5)目前疲勞分析所能達(dá)到的精度非常滿意的精度58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)際載荷與時(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) 對于尖銳缺口附近應(yīng)力過高等情況 通過考慮應(yīng)力梯度將過高的應(yīng)力修正到接近實(shí)際的水平 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)考慮平均應(yīng)力的影響試驗(yàn)測定的材料疲勞特性曲線 (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(一般采用Miner準(zhǔn)則)

計(jì)算有效循環(huán)次數(shù)(Rainflowcounting)輸出計(jì)算結(jié)果(損傷值D,或稱疲勞目標(biāo)值)

D≥1表示可能出現(xiàn)疲勞破壞

8疲勞計(jì)算主要環(huán)節(jié) 載荷譜 線性疊加原理試驗(yàn)測定的59疲勞分類LCF:低周疲勞HCF:高周疲勞疲勞極限Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,20059疲勞分類LCF:低周疲勞疲勞極限Source:Y.Le60高周疲勞與低周疲勞高周疲勞:?應(yīng)力較高,應(yīng)變較低?一般采用應(yīng)力S-N曲線(只需測試相對簡單的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?一般采用應(yīng)變E-N曲線(需測試相對復(fù)雜的E-N曲線)?汽車疲勞計(jì)算中和溫度有關(guān)時(shí)多為底周疲勞為了使用方便,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)際上做了如下延伸:?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)踐表明這種延伸在汽車疲勞計(jì)算中是可以接受的10高周疲勞與低周疲勞高周疲勞:?應(yīng)力較高,應(yīng)變較低?一般61疲勞破壞機(jī)理Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200511疲勞破壞機(jī)理Source:Y.Leeetal.:F6212積分)應(yīng)力強(qiáng)度因子)等效應(yīng)力選取原則與多軸疲勞分析載荷名義應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力缺口應(yīng)力缺口應(yīng)變斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)Source:IIWdocumentXIII-2151-07/XV-1254-07汽車結(jié)構(gòu)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12積分)應(yīng)力強(qiáng)度因子)等效應(yīng)力選取原則與多軸疲勞分析載荷名63損傷積累計(jì)算的Miner方法則niNi損傷值:D=∑

niNiSource:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und2007 13損傷積累計(jì)算的Miner方法則niNi損傷值:D=∑ n64應(yīng)力壽命方法,壽命方法計(jì)算疲勞壽命時(shí)常用的一些近似處理光滑試件SN曲線考慮各種影響因素后的SN曲線MineroriginalMinermodifiedMinerelementarySource:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200514應(yīng)力壽命方法,壽命方法計(jì)算疲勞壽命時(shí)常用的一些近似處理光6515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.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200515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S6616應(yīng)變壽命壽命方法Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200516應(yīng)變壽命壽命方法Source:Y.Leeetal67應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetriebsfestigkeitaufderGrundlage?rtlicherBeanspruchungen,TUDarmstadt,11.-13.03.200317應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetrie68應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetriebsfestigkeitaufderGrundlage?rtlicherBeanspruchungen,TUDarmstadt,11.-13.03.200318應(yīng)變壽命壽命方法Source:SeminarBetrie69損傷參數(shù)P最常用Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200719損傷參數(shù)P最常用Source:DieterRadaj,70應(yīng)力20疲勞載荷描述SmaxSmin最大應(yīng)力最小應(yīng)力SmaxSmean平均應(yīng)力Smean

SminR=SminSmax應(yīng)力比

時(shí)間

Smax

SminSource:ChristophBach,Dissertation,“BeitragzurModellierungdesSchwingermüdungsverhaltensundzurrechnerischen Lebensdaueranalysevonendloskohlenstofffaserverst?rktenVinylester-Matrixsystemen“,TUKaiserslautern,2007應(yīng)力20疲勞載荷描述Smax最大應(yīng)力SmaxSmean71Neuber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:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200721Neuber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72考慮應(yīng)力梯度將過高的應(yīng)力修正到接近實(shí)際的水平過高的缺口應(yīng)力接近實(shí)際水平的缺口應(yīng)力Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200722考慮應(yīng)力梯度將過高的應(yīng)力修正到接近實(shí)際的水平過高的缺口應(yīng)力接73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=σkσnSource:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,2005 23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74金屬材料的SN曲線試驗(yàn)曲線擬合技術(shù)要點(diǎn)?采用雙對數(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)力幅水平試驗(yàn)點(diǎn)太少時(shí),以回歸中線為縱軸使所有試驗(yàn)點(diǎn)參加統(tǒng)計(jì)分布(如紅線所示)Source:Y.Leeetal.:FatigueTestingandAnalysis-TheoryandPractice,ElsevierButterworth–Heinemann,200524金屬材料的SN曲線試驗(yàn)曲線擬合技術(shù)要點(diǎn)?采用雙對數(shù)線性回歸75金屬材料的SN曲線試驗(yàn)曲線擬合技術(shù)要點(diǎn)?采用雙對數(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)力幅水平試驗(yàn)點(diǎn)太少時(shí),以回歸中線為縱軸使所有試驗(yàn)點(diǎn)參加統(tǒng)計(jì)分布(如紅線所示)?考慮存活概率(50%為中線)σA

50%90%10%σA50%10%90%NNSource:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und2007 25金屬材料的SN曲線試驗(yàn)曲線擬合技術(shù)要點(diǎn)σA 50%10%σ7626汽車計(jì)算常用軟件包CAD：CATIAPro/EngineerPre-/Postprocessor:MedinaANSAHyperMeshFE-Solver：NASTRAN(MSC.NASTRAN,NX.NASTRAN)ABAQUSMARCANSYSPERMASLS-DYNAPAM-CRASHRADIOSSSTAR-CD(STAR-CCM+),FLUERENT,POWERFLOW26汽車計(jì)算常用軟件包CAD：CATIAPro/Engine77汽車疲勞計(jì)算常用軟件DesignLife(nCode)FEMFATFEMSITEFE-SAFELMSVirtual.LabDurability英國,德國奧地利奧地利英國德國,比利時(shí)27汽車疲勞計(jì)算常用軟件DesignLife(nCode)英國78包括焊點(diǎn)焊縫)數(shù)據(jù)疲勞分析必備條件結(jié)構(gòu)形狀尺寸(包括焊點(diǎn)焊縫數(shù)據(jù)材料數(shù)據(jù)載荷數(shù)據(jù)分析結(jié)果:疲勞損傷值的分布Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.028包括焊點(diǎn)焊縫)數(shù)據(jù)疲勞分析必備條件結(jié)構(gòu)形狀尺寸(包括焊點(diǎn)焊縫79疲勞分析必備條件Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.029疲勞分析必備條件Source:nCode2004?F8030汽車車身車身計(jì)算建模示意圖Source:26.Europ?ischeKarosseriekonferenz,26-27Feb.2008,BadNauheim,Germany30汽車車身車身計(jì)算建模示意圖Source:26.Eur81材料疲勞性能試驗(yàn)Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.031材料疲勞性能試驗(yàn)Source:nCode2004?F82疲勞載荷Source:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und200732疲勞載荷Source:DieterRadaj,Mich83時(shí)間應(yīng)力工作疲勞載荷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:DieterRadaj,MichaelVormwald:Ermüdungsfestigkeit,Springer-VerlagBerlinHeidelberg1995,2003und2007 33時(shí)間應(yīng)力工作疲勞載荷Rainflow循環(huán)次數(shù)計(jì)數(shù)法應(yīng)84疲勞載荷的獲取整車試驗(yàn)場整車試驗(yàn)臺(tái)零部件試驗(yàn)設(shè)備Source:nCode2004?FE-FatigueOverview–Release6.0 34疲勞載荷的獲取整車試驗(yàn)場整車試驗(yàn)臺(tái)零部件試驗(yàn)設(shè)備Source85汽車多體動(dòng)力學(xué)模型Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication35汽車多體動(dòng)力學(xué)模型Source:GüntherPresc86汽車多體動(dòng)力學(xué)模型-輪胎模型Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication36汽車多體動(dòng)力學(xué)模型-輪胎模型Source:Günt87汽車多體動(dòng)力學(xué)模型-輪胎模型Source:GüntherPreschany,LotharWitte,GesamtfahrzeugmodellaufdervirtuellenPrüfstrecke,PorscheAG,Internetpublication37汽車多體動(dòng)力學(xué)模型-輪胎模型Source:Günt88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:Günther