汽車材料疲勞分析-展會資訊-2022第七屆上海國際新能源汽車供應鏈展覽會

汽車材料疲勞分析

本文首先簡要介紹疲勞破壞,然后對汽車材料疲勞破壞進行分析討論,給出幾種有效估算疲勞壽命的分析方法。

疲勞破壞涉及面之廣幾乎涵括汽車、鐵路、航空航天、能源、軍事國防、海洋油氣工程及一般機器制造等各個工業領域,這說明了其問題嚴重性。對疲勞研究尤其是金屬材料是和國民經濟發展有密切聯系的學科。汽車作為人類出行密不可分的工具,對其疲勞分析研究尤為重要。


1.疲勞的基本理論


1.1.疲勞定義和特點


許多機械零件和工程構件,是承受交變載荷工作的。當材料或結構在在交變載荷的作用下,雖然應力水平低于材料的屈服極限,甚至比彈性極限還低的情況下就可能發生破壞,但經過長時間的應力反復循環作用以后,也會發生突然脆性斷裂,這種現象叫做疲勞破壞。其具有受交變力、作用時間長、斷裂瞬時發生且疲勞斷裂區都是脆性等特點。


1.2.疲勞破壞過程和類別


疲勞破壞的過程為:在循環交變載荷作用下,在零部件局部最高應力處的晶粒上形成微裂紋,然后發展成宏觀裂紋,裂紋繼續擴展,最終導致疲勞斷裂經歷了疲勞成核-微觀裂紋生長-最后斷裂三個階段。


金屬材料的疲勞現象,按條件不同可分為:高周疲勞、低周疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞和接觸疲勞等。


2.汽車材料疲勞


2.1.汽車材料疲勞破壞


汽車長期運行中所承受的外部載荷是循環動態交變載荷,在這種載荷作用下,汽車的許多零構件上都產生動態應力,引起疲勞損傷,其疲勞破壞形式多為疲勞斷裂。


疲勞斷裂是汽車零部件最主要的失效形式,具有斷裂前沒有可見裂紋、功能改變等預兆等特點,導致了人們生命財產巨大損失。但是其可以預防,如果在汽車設計、生產、使用、維護人員具備相關疲勞失效知識,可以減少1/3以上的損失。


2.2.汽車材料疲勞破壞原因


汽車材料疲勞失效產生與汽車的設計、生產、使用、維護息息相關,比如:在設計中對疲勞破壞考慮與否;在材料加工過程中,加工工藝水平高低;車輛使用中的定期檢修情況或遭受意外沖擊等;惡劣復雜行駛環境等;都是造成其疲勞破壞的原因。


因此應加強相關人員對汽車疲勞破壞原因的了解,加以預防的。


3.汽車疲勞壽命分析


出于經濟性和可靠性的考慮,人們對汽車疲勞的研究主要集中在汽車件產品開發設計階段,主要是對疲勞壽命的預測,已經取得了很好的實際效果。


目前在汽車工業中,在疲勞壽命的預測,主要集中在對關鍵零構件,如車輪、輪轂、輪軸、轉向節和懸掛臂等預測上,因為此類零構件的疲勞斷裂最容易產生危險事故。


3.1.疲勞分析方法


在工程中應用的疲勞壽命估算基本方法有三類:


3.1.1.名義應力法


名義應力法(S-N曲線法)也稱應力壽命法,表達了名義應力或彈性應力和總壽命之間的關系。其主要基于從試樣中測出S-N曲線,并考慮實際零構件與試樣在載荷作用下疲勞危險部位的應力集中系數、名義應力、表面處理及等性質參數的差別,加以修正S-N 曲線,運用線性疲勞累積損傷理論進行壽命估算。該方法可有效用于低應力高周疲勞壽命的預測,例如對某些復雜零部件和焊接構件的預測,能夠獲得合理的預測結果。


3.1.2.局部應變法


局部應變法(ε -N法),也稱裂紋起始壽命法,它將局部應力-應變法估算出的疲勞裂紋萌生壽命和用斷裂力學估算的裂紋擴展壽命相加即為總壽命一種方法。實際應用中,要同時考慮塑性應變和注意載荷施加順序的影響,還應考慮試樣的平均應力、表面處理工藝以及表面光潔度等的影響,這樣才能獲得更加符合實際的預測結果。工程實踐證明,比較適用于高應力低周疲勞壽命。


3.1.3.裂紋擴展壽命法


由于在汽車設計制造或使用環境的原因,可能造成零構件已經有裂紋或缺陷存在,對這些裂紋或缺陷的剩余疲勞壽命估算同樣是保障汽車結構安全及延長使用壽命的一個重要環節。當前工程中預估疲勞裂紋擴展壽命理論的基礎源自于Paris在1959首先提出的一種用斷裂力學參數處理裂紋擴展的方法—LEFM 。


隨著研究的深入,獲得了大量工程材料的裂紋擴展速率曲線以及對各種含裂紋構件的應力強度因子解的建立,進一步促進這些理論在工程實際中的廣泛應用。


目前用在汽車工業上的疲勞壽命的預測方法,基本上是前兩種方法,即為應力法和局部應變法。


3.2.基于有限元分析的疲勞壽命預測


近年來,汽車市場的激烈競爭,進一步促進了疲勞壽命預估在汽車產品設計開發中應用。隨著計算機虛擬仿真技術的快速發展,基于有限元軟件分析對汽車零部件疲勞壽命估算已在國內外大汽車公司得到廣泛應用。


與傳統的靜強度和常規疲勞設計方法相比,它不但避免了只能”檢驗”、無法“預測”被動局面,而且能給零構件疲勞壽命分布圖,計算出在給定載荷作用下不同設計方案預測的疲勞壽命,進而對比優化,選出最優方案。這樣,汽車企業就減少試樣的數量,縮短開發周期,節省開發成本,提高產品市場競爭力,而且疲勞壽命預測更能反應車輛復雜的實際使用環境,得到顧客的認可。


有限元疲勞分析方法一般包括靜態(或準靜態)疲勞分析法、瞬態疲勞分析法和振動疲勞分析法等,應根據實際情況合理選擇。有限元軟件有多種,其中MSC.Fatigue 是一個通用性很強疲勞壽命分析工具,可靈活地用來估算復雜零構件的疲勞壽命,已在汽車和航空工業中已經得到廣泛的應用。


4.結論


為了提高汽車產品的設計水平、縮短生產周期以及提高市場競爭力,必須對汽車材料進行抗疲勞壽命設計,工程實際應用,應根據載荷及結構特點,選擇合理的疲勞分析方法,通過功能強大的有限元軟件,進行疲勞壽命預測,進而優化產品設計,提高汽車企業自主開發能力。



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