（车辆工程专业论文）半挂车牵引座鞍体的结构强度与疲劳寿命分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 牵引座是半挂汽车的主要组成部件之一，在半挂汽车的行驶过程中承受多种 复杂载荷的作用，是半挂汽车中极其重要的连接件和安全件。而牵引座鞍体又是 牵引座的重要组成部分，是其它部件的安装基础，是牵引座的重要承载件和传力 件，其性能特性和疲劳寿命直接影响到牵引座整体的使用寿命。所以，牵引座鞍 体部分应该具有足够的强度、刚度和良好的疲劳耐久特性。 由于牵引座鞍体的形状复杂，难以运用经典力学的方法对其进行强度、刚度 和疲劳寿命进行精确分析，无法满足现代产品设计的要求。 本文利用三维设计软件c a t i a 和有限元分析软件a n s y s 和w o r k b e n c h 作 为分析工具对宝华半挂车配件有限公司生产的5 0 号牵引座鞍体的结构强度、刚 度和疲劳寿命进行较为详细的分析研究。首先，利用三维设计软件c a t i a 建立 鞍体的三维模型，并导入有限元分析软件a n s y s 对其进行三种工况下的结构强 度分析，并针对分析结果进行了试验验证；接着对该牵引座鞍体进行了约束模态 分析，发现该系列牵引座鞍体固有频率都大于5 0 h z ，不会和路面激励发生共振。 最后，采用a n s y sw o r k b e n c h 协同仿真有限元平台，对该牵引座鞍体进行疲劳 寿命分析。研究工作有助于提高牵引座鞍体设计质量。 关键词：牵引座鞍体，有限元，结构强度分析，模态分析，疲劳寿命分析 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i f t hw h e e li so n eo ft h ec e n t r a lp a r t so ft h es e m i t r a i l e r i ti sa l li m p o r t a n t c o n j u n c t i v ea n ds e c u r ep a r t ，a n de n d u r i n gv a r i a b l ea n dc o m p l i c a t e dl o a d s t h es a d d e i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h ef i f t hw h e e la n dt h eb a s i co ft h eo t h e r a c c e s s o r i e s b e s i d e s ，i ti st h ei m p o r t a n tb e a r i n ga n df o r c e t r a n s f e r r e dp a r t s oi t sl i f e i si n f l u e n c e db yt h ec a p a b i l i t ya n df a t i g u el i f ed i r e c t l y t h e r e f o r e ，i t si n t e n s i t y 、 s t i f f n e s sa n df a t i g u el i f es h o u l db es u f f i c i e n t d u et ot h ei t sc o m p l i c a t e ds h a p e ，i t s i n t e n s i t y 、s t i f f n e s sa n df a t i g u el i f ei s d i f f i c u l tt oa n a l y z ea c c u r a t e l yb yt h ec l a s s i c a lm e t h o da n dt h er e q u i r e m e n to fm o d e m d e s i g ni su n a b l et os a t i s f y i nt h i st h e s i s ，t h ei n t e n s i t y 、s t i f f n e s sa n df a t i g u el i f eo ft h es a d i eo ft h e5 0 # f i f t h w h e e l ，w h i c hi so f f e r e db yz h e n j i a n gb a o h u as e m i - t r a i l e ra c c e s s o r yl i m i t e dc o m p a n y i sr e s e a r c h e db yt h e3 dd e s i g ns o f t w a r ec a t i aa n df i n i t ee l e m e ma n a l y s i ss o f t w a r e a n s y sa n dw o r k b e n c h f i r s t ，t h e3 dm o d e li se s t a b l i s h e db yc a t i as o f t w a r ea n d i t ss t r u c t u r a li n t e n s i t yo ft h r e ew o r k i n gc o n d i t i o n si sa n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，a n dt h e nt h ea n a l y s i sr e s u l ti sv e r i f i e d s e c o n d ，f o l l o w i n g t h em o d a la n a l y s i sr e s u l t sh a v ed i s c o v e r e dt h a tt h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h es a d d l ei s a b o v e5 0 h z ，w i l ln o tr e s o n a t ew i t ht h er o a de x c i t i n g f i n a l l y , i t sf a t i g u el i f ew i l lb e a n a l y z e db ya n s y sw o r k b e n c hf e as i m u l a t e dp l a t f o r m t h e r e f o r e ，t h ed e s i g n q u a l i t yo ft h es a d d l ec a n b ei m p r o v e db yt h er e s e a r c h k e yw o r d s ：t h es a d d l eo ft h ef i f t hw h e e l ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s t r u c t u r ei n t e n s i t y a n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s ，f a t i g u el i f ea n a l y s i s 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：铂，秀镌 日期： 扫听年肚月知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年解密后适用本授权书。 不保密劝 学位论文作者签名：钧，隽鸫指导教师签名：t 习 ； 沙叩年陀月肋日 缈7 年j 2 ，月加日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论帚一早 三百下匕 随着公路运输事业的快速发展，半挂车运输逐渐在各种运输方式中体现出它 的优势，事实证明，汽车半挂车能提高运输效率、降低运输成本，能实现门对门 的运输，而且周转快更是半挂车的一大特色，在完成大件、重件和特殊货物运输 方面是普通载货汽车无法做到的【1 1 。因此，半挂汽车现已成为道路货运的主要运 输工具之一。 而作为半挂车的主要部件，牵引座的应用对半挂汽车运输技术的发展是至关 重要。国际标准化组织( i s o ) 十分重视牵引座标准的制定工作，先后发布了i s o 8 7 1 7 2 0 0 0 道路车辆牵引座强度试验、i s o3 8 4 2 2 0 0 1 道路车辆牵引座互换 性以及与之配套的i s o3 3 7 1 9 8 1 道路车辆半挂车鞍座5 0 号牵引销主要尺寸 和安装、互换性尺寸，以规范牵引座的设计、制造、使用和质量检测，确保牵 引座的互换性、强度和半挂汽车列车的行驶安全性。我国也十分重视牵引座产品 技术标准的指定工作，自从1 9 8 9 年以来，分别有q c 厂r 4 4 6 - 1 9 9 9 鞍式牵引车牵 引座、j t3 1 3 7 1 8 9 半挂车牵引座基本参数系列、j t 3 1 3 7 2 8 9 半挂车牵引 座通用技术条件相继制定并发布，这些标准的发布与实施，对促进我国牵引座 制造质量的提高发挥了积极的作用【2 】。 另一方面，国外牵引座的生产已经实现批量化、专业化，形成了较大的生产 能力，牵引座的批量化、专业化生产，大大地提高了牵引座的产品质量和产品的 可靠性。而我国牵引座的设计和生产还比较落后，一方面表现在设计手段上的落 后，计算机仿真、模拟和数字化设计技术在企业应用得不多；另一方面产品的生 产没有实现系列化。 鉴于以上的形势，迫切地要求我国的牵引座制造公司进一步提高产品的设计 和开发能力，增强我国半挂车配件产品在国内外市场上的竞争力。 本文将以经典的有限元理论和疲劳分析理论为基础，将有限元软件、疲劳分 析软件和传统的试验技术相结合，对牵引座鞍体的结构强度和疲劳寿命进行分 析，使产品在设计阶段就可以验证设计方案是否能够满足具体的使用要求，从而 江苏大学硕士学位论文 缩短产品的设计开发周期，节省大量的试验费用，增加产品的可靠性，从而增强 企业在市场上的竞争力。 1 2 牵引座的发展和研究状况 1 2 1 国外牵引座发展和研究状况 半挂汽车列车在西方先进的工业国中获得了较大的发展，在公路交通运输行 业中占有较大的比重，同时半挂车生产运输也都普遍采用一车多挂、甩挂运输， 所以对牵引座的使用提出了更高的要求。 国外主要的半挂车牵引座研究制造公司有：美国a s f 公司、霍尔兰德希 特奇公司、美国巴尔特列特利弗京格季瓦伊斯公司、法国t r a i l o r 公司、 日本各和精机株式会社、德国j o s t 公司等。国外的牵引座生产大都形成了系列 化、通用件数大。例如法国“t r a i l o r ”公司生产的单自由度牵引座，其承载 能力为6 吨至3 1 吨，牵引座总成高度从1 5 0 m m 到2 9 0 m m ，共有8 中规格的牵 引座可供选用；日本各和精机株式会社生产的牵引座承载能力为5 5 吨至2 0 吨， 总成高度从1 7 5 毫米至3 4 0 毫米，总共有2 4 种牵引座可供选用；德国j o s t 公 司生产的j s k 系列牵引座承载能力为3 吨至5 0 吨，总成高度从1 2 0 毫米至2 9 0 毫米，共有1 7 种牵引座可供选择。另外，国外牵引座结构形式多样，使用性能 先进，能适应各种环境下的牵引半挂汽车列车的需要。国外生产的牵引座产品除 了常见的固定式外，还有像美国a s f 公司、霍尔兰德希特奇公司等生产的移 动式牵引座，该牵引座可以利用机械式或者气动式传动装置在牵引车架上前后移 动，一般最大移动距离为3 0 0 8 0 0m m ，有的甚至可以达到1 8 3 0m m ，移动的最 小间距决定于操纵架上固定牵引座的孔间距；另外一种是美国巴尔特列特利弗 京格季瓦伊斯公司生产的升降式牵引座，该牵引座能在垂直平面内移动改变与 牵引车的相对高度，其升降机构一般为液压式或气动式，其传动装置由牵引车发 动机( 或蓄电池供电的电机) 液压泵或压缩机组成。驾驶员在驾驶室内操纵升降 机构，通常提升高度为4 0 0 m m ，提升时间不超过1 0 1 2 秒【3 l 。 从收集的资料来看，国外对牵引座的研究除了结构形式外，还有y r e b o h 、 s g r u z a l l 4 1 等人对牵引销的连接装置进行了有限元的失效分析；p j l f e m a n d e s l 2 2 】 对失效的牵引座连接装置进行了检查等。 2 江 苏大学硕 士学位论文 1 2 2 国内牵引座发展和研究状况 我国牵引座的生产还处在国外六、七十年代的水平，生产的牵引座结构形式 简单，多年来多数采用的铸造制品，表面粗糙， i 身质量大，大多数为固定式两 自由度或单自由度结构。在1 9 8 3 年以i j ，我困的牵引座还处于小批量低水平的 重复性生产阶段，牵引座还没有形成系列，各个挂车生产厂问的产品大多数不能 互换，同时由于各个生产厂的牵引座产量都不大，生产能力都不是很强，所以产 品的质量不是很好。自从1 9 8 8 年四平汽车改装厂引进英国的y o r k 技术，生产 出了b i g - d 型牵引座，使我国的牵引座生产进入了一个新的阶段，相继出现了 镇江宝华半挂车配件有限公司、约斯特汽车部件有限公司、吉林一汽集团四平专 用汽车厂等大型半挂车牵引座制造企业，生产出“宝华”、“约斯特”、“约克” 等品牌牵引座产品，全国半挂车牵引座年产量已经达到1 0 余力台、套，同时通 过引进国外先进技术，促进了牵引座等半挂车总成件的规模化、集约化生产，新 技术、新工艺、新结构、新材料也得到了推广应用，有力地促进了我国半挂车制 造业的发展和半挂汽车列车质量的提高【4 】。 从收集到的资料来看，国内对牵引座的研究主要集中在结构形式、工作原理 和相关试验的研究上，而对牵引座结构强度和疲劳寿命分析方面的研究较少。例 如杨通顺【1 】f 2 1 、张全科3 1 等人对国内外牵引座的发展状况、结构做了一定的介绍； 金明新【1 9 】等人对牵引座的结构强度试验和疲劳试验进行了研究。而在牵引座的实 际使用中有时会出现由于设计和制造缺陷，造成了牵引座鞍体开裂、断裂等情况， 最终导致牵引销与牵引座的分离。 1 3 牵引座结构和工作原理简介 1 3 1 牵引座的结构简介 牵引座是半挂汽车重要的部件之一，它是半挂牵引车与半挂车之间的连接装 置，常称五轮，俗称鞍座。它是牵引车与半挂车之间非常重要的连接设备。它起 着承载、转向以及连接牵引车和半挂车的作用。半挂汽车列车在行驶过程中，牵 引座要承受垂直、纵向和横向三个方向的静动载荷。因此牵引座的工作性能和可 靠程度将直接影响半挂汽车列车的行驶安全性和操纵稳定性。其结构的好坏、使 用寿命的长短和维修的方便性也将影响半挂汽车列车的制造使用成本【1 1 。 3 江苏大学硕士学位论文 牵引座结构组成如图1 - 1 所示主要包括以下几个部分： 鞍体牵引座的主体部分，通过它将支座、牵引钩、楔块、拉环等主要部件 联系起来，形成一个牵引座的整体，它既要承受半挂车车厢的重力载荷，又要承 受由于牵引销上下运动产生的拉力，牵引车制动时制动力的作用。由此可见，牵 引座鞍体是一个受力复杂的结构部件，它的结构、形状和尺寸都应该满足各个零 件、部件的结构、形状及组装的要求。 支座一用以固定牵引座。通过它将牵引座总成与牵引车上的牵引座安装底座 连接，实现牵引座的安装，这是实现牵引车实现牵引挂车车厢的基础。 楔块一用以锁止和分离牵引钩，它通过拉环的作用，带动楔块运动，实现其 对牵引钩的控制。 牵引钩用以锁止和分离牵引销。它在楔块的移动作用下，绕销座旋转，实 现其锁止和分离作用。 拉环、拉杆、摆杆用以控制牵引钩和楔块的运动，通过它们的作用，带动 楔块和牵引钩运动，实现楔块和牵引钩锁止、分离牵引销的作用。 图1 - 1 牵引座总成图 f 1 _ g l - 1a s s e m b l y o f f i f t h w h e e l 1 一鞍体2 一支座3 一楔块4 牵引钩5 拉环6 一拉杆卜摆杆8 销座 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 牵引座工作原理简介 在牵引车车架尾端上有牵引座安装底座，上边设置有1 2 个螺栓孔，通过螺 栓连接将牵引座可靠地紧固在安装底座上。 牵引座的工作原理和过程如下：当要脱挂时，手动向外拉动拉环，其作用力 通过拉杆、摆杆使锁住牵引钩的楔块移动，牵引钩在弹簧的作用下绕销座转动， 打开开口( 同时转动后牵引钩上的台阶顶住楔块，使楔块止住) ，从而挂车车厢 的牵引销脱离牵引钩，实现脱挂；当要连接挂车车厢时，先按上述步骤使牵引钩 开口打开，然后将牵引钩开口对准车厢的牵引销，牵引车后移，车厢的牵引销撞 击牵引钩，使牵引销绕销座回位转动，牵引钩包锁住牵引销，同时顶住楔块的台 阶随牵引钩的转动与楔块分离，楔块在弹簧的作用下回复原位，实现牵引钩的自 锁。 1 4 本文的主要研究内容 牵引座是半挂车的关键技术之一，它的性能直接关系到半挂车的安全性、可 靠性以及舒适性。因此，在我国公路交通事业高速发展的今天，车辆总成部件的 结构强度和疲劳破坏越来越引起人们的关注。而对于牵引座鞍体的结构强度分析 和计算主要采用两种方法：经典力学方法和有限元计算法。经典力学方法需要对 分析的结构进行许多化简和假设，而且计算起来比较复杂、精度低；有限元法则 是近几年来发展起来的数值计算分析方法，它可以通过计算机实体建模对牵引座 鞍体进行静态或者动态的分析，找出结构设计的关键部分，可以以使得复杂的工 程分析问题迎刃而解，再加上分析软件和计算机硬件处理技术的飞速发展，计算 效率也越来越高，实际运用也越来越广泛。 本文在广泛查阅相关文献的基础上，对有限元分析结构强度和疲劳寿命的方 法进行了研究，并在消化这些研究成果的基础上，重点研究运用a n s y s 软件， 对镇江宝华半挂车配件有限公司生产的5 0 号牵引座鞍体的结构强度和疲劳寿命 进行分析。 本文主要进行的工作如下： ( 1 ) 研究有限元结构强度和疲劳分析的基本理论，了解结构强度和疲劳分 析的方法以及影响因素，熟悉有限元结构强度和疲劳分析的基本思路，为进行牵 5 江苏大学硕士学位论文 引座鞍体的结构强度和疲劳寿命分析提供理论基础； ( 2 ) 叙述5 0 号牵引座鞍体的结构和工作特点，运用三维软件c a t i a 建立 实体模型： ( 3 ) 研究a n s y s 和c a t i a 两个软件间的接口技术，将鞍体的三维实体模 型导入有限元分析软件a n s y s 中，实现数据共享，然后根据有限元离散化的思 想进行网格划分，建立有限元模型，为后续的结构强度分析做准备； ( 4 ) 分析牵引座鞍体的实际工作情况并结合道路车辆牵引座强度试验 的要求，确定该鞍体的约束条件和几种典型的载荷工况，并分别针对几种典型的 载荷工况，对牵引座鞍体进行结构强度分析； ( 5 ) 根据结构强度分析的情况，进行牵引座鞍体的电测试验，对建立的有 限元模型进行验证； ( 6 ) 对该牵引座鞍体进行有限元模态分析，获得其固有频率及其对应的振 型等模态参数； ( 7 ) 根据道路车辆牵引座强度试验的要求，利用a n s y sw o r k b e n c h 软件对牵引座鞍体进行疲劳寿命的分析。 1 5 本章小结 本章主要介绍了半挂车牵引座的结构特征和工作原理，并介绍了国内外牵引 座技术的发展、趋势和应用现状，结合企业产品开发实际提出了本课题的研究意 义：在产品设计和生产检测过程中，如果利用计算机模拟相关试验，建立牵引座 鞍体的有限元模型，进行计算机的模拟分析，在通过小部分的抽样试验验证，可 以使设计和检测过程时间缩短，从而缩短产品的设计开发周期，节省大量的试验 费用，从而增强企业产品在市场上的竞争力。 本章还介绍了本文拟进行的研究内容。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章有限元理论和疲劳分析理论基础 2 1 有限元分析的基本方法 2 1 1 有限元的发展 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 是用于近似求解一般连续场 问题的一种数值方法。它最先应用于机械、建筑结构的位移场和应力场分析，后 来发展到广泛地应用于电磁学、传热学中的温度场、流体力学场等连续场问题的 求解。 在当今的工程技术领域中，存在着许多复杂的结构，其中包括复杂的几何形 状、复杂的载荷作用、复杂的支承约束等，这些问题都需要我们去仔细分析和研 究。而对于这些问题，有些可以很方便地写出它们的基本方程和边界条件，但却 往往不可能求出它们的解析解。这其中的主要原因是工程实际问题是非常复杂 的，包括物体的几何形状与其它特征的不规则性太大，还有一些结构的形状甚至 不可能用简单的数学表达式表达出来，就更谈不上求解析解了。对于这些工程技 术问题，虽然很复杂以至很少或没有解析解，但仍然要去研究和解决。对于这类 问题，目前通常的解决方法有两种：一种是简化假设，回避一些难点，将方程和 几何边界简化为能够处理的问题，获得问题在简化条件下的解析解。这种方法有 时候是可行的，但过多的简化可能导致结果的不精确甚至错误；另一种方法是尽 可能保留问题的各种实际情况，寻求近似的数值解而放弃封闭形式的解析解，因 为近似数值解也可以满足工程实际的需要，这在计算机和计算技术高速发展且广 泛应用的今天，已成为比较现实而又非常有效的选择方法1 5 1 。 目前，在工程技术领域，数值分析的方法主要有有限元法、有限差分法 以及边界元法等，其中有限元法已经成为当今工程问题中应用最为广泛的数 值分析方法。有限元法用分段函数代替整体函数，以适应各种复杂的边界条 件，从而使许多过去不能求得的数学物理方程均能得到满意的近似数值解。 它解决了工程实际中应用解析法难以或无法解决的复杂工程问题，并得到了 满意的结果。 有限元方法的基本思想早在2 0 世纪4 0 年代初期就有人提出来了，但是当时 没有引起足够的注意和重视。直到5 0 年代，由于工程实际的需要，特别是高速 7 江苏大学硕士学位论文 电子计算机的出现与应用，有限元法才迅速的发展起来，并得到越来越广泛的运 用。有限元法从开始应用至今，它的范围已经从杆、梁类结构扩展到弹性力学平 面问题、板壳问题、空间问题；由静力平衡问题扩展到稳定性问题、波动问题和 动力问题；分析的对象从弹性材料扩展到粘塑性、粘弹性、塑性以及复合材料等； 从固体力学扩展到流体力学、连续介质力学、热学和电磁学等各个领域【6 l 。有限 元分析的广泛使用使得设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下的几个方面： ( 1 ) 模拟试验方案，减少试验时间和经费； ( 2 ) 在产品设计阶段可以发现潜在的问题； ( 3 ) 通过分析模拟，采用优化设计的方法，从而降低原材料成本； ( 4 ) 增强产品和工程的可靠性； ( 5 ) 缩短产品向市场投放的时间。 2 1 2 有限元分析的基本步骤 有限元法的基本原理以结构力学中的位移法为基本，把复杂的结构或连续体 看作是有限个单元的组合，各个单元彼此在节点处联结组成整体，这里把连续体 分成有限个单元的过程叫做离散化。先对单元的特性进行分析，然后根据各个单 元在节点处的平衡和协调条件建立方程，最后作整体分析。这样先离散然后再综 合的过程，就把连续体的计算问题转化成了简单单元的分析与综合问题川。利用 有限元法求解一个具体问题的分析过程如图2 1 所示： 匝亟丑怔巫 习 图2 1 有限元分析步骤 f i 9 2 - 1t h es t e p so ff e m 2 1 2 1 结构的离散化 这是有限元法的基础，即将要分析的结构模型分割成有限个单元体，并在单 元体的指定点设置节点，使得相邻单元的有关参数具有一定连续性，并构成一个 单元的集合体，用以代替原来的结构。为了能够有效地逼近实际的连续体，要考 虑单元的形状和分割方案以及确定节点和单元数目等因素。 2 1 2 2 单元分析 即利用固体力学理论研究单元的性质，从建立单元位移函数入手，获得计算 8 江 苏大学硕士学位论文 单元应力、应变、单兀刚度矩阵以及单兀等效节点载荷向骨的计算公式，并讨论 单元平衡的条件，建立单元节点力与节点位移之问的关系。 ( 1 ) 选择位移模式 为了能够利用节点位移表示单元体的位移、应变以及应力，在分析连续体问 题的时候，必须对单元中的位移分布进行一定的假设，即假没位移是坐标的某种 简单的函数，这种函数称为位移函数或插值函数。通常选择多项式作为位移函数， 因为多项式的数学运算较为方便，而且由于所有的函数的局部都可以用于多项式 逼近。而对于多项式的阶次和项数的选择，则要考虑单元的自由度和解的收敛性 要求，一般来说，多项式的阶次应包括常数项和线性项，它的项数应该等于单元 的自由度数。单元内的位移模式由下式给出： f ) = 【】。 ( 2 1 ) 式中： f ) 一单元内任一点的位移列阵； 万) 。一单元的节点位移列阵； 【n 】一单元位移模式矩阵。 ( 2 ) 单元应变分析 将单元位移函数式( 2 1 ) 代入弹性力学的几何方程，可以推出单元内任意 点的应变关系式为： s = 【曰】。 ( 2 2 ) 式中： 占) 一单元任一点的应变列阵； b 一单元的应变矩阵。 ( 3 ) 单元应力分析 借助式( 2 2 ) ，用弹性物理方程可以计算出单元内任一点应力与节点位移的 关系式： 万) = d 】 曰 万) 已 ( 2 3 ) 式中： 万) 一单元内任一点的应力阵列； d 】一与单元有关的弹性矩阵。 9 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 单元刚度矩阵和单元平衡方程 k ) 8 = 肌b 九d 】【b 】d y ( 2 - 4 ) 式中： q 8 一单元刚度矩阵 根据平衡条件或利用虚功原理，建立作用在单元上的节点力和节点位移之间 的关系式，即单元的平衡方程： f 8 = 【k 】e 万) 8 ( 2 5 ) ( 5 ) 整体分析 即把建立的单元刚度矩阵集成起来，形成结构整体刚度矩阵，并将作用于各 个单元的等效节点阵列组集成为总的载荷阵列，一般采用的组集刚度矩阵的方法 是直接刚度法，也就是要求相邻的单元在公共的节点出位移相等，由此可得到有 限元分析的整体平衡方程式： f ) = k 】 ( 2 6 ) 式中： f 一结构的节点载荷阵列； 【k 】一整体刚度矩阵； 万) 一结构的节点位移阵列。 随后引入边界条件，并利用式( 2 5 ) 可解出节点位移，然后利用式( 2 6 ) 可计算出各个单元的应力，最后加以整理可求得所要的结果。 2 2 疲劳理论 2 2 1 疲劳的定义 疲劳，顾名思义就是因为作用的时间过久而不能再继续工作的意思，当结构 或者材料受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然没有始终没有超过材料的 强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复 作用下材料或结构的破坏现象，就称为疲劳破坏。 疲劳现象是一种发生在材料或结构局部的现象，当外载荷作用在材料或结构 的某个局部发生应力集中的时候，整个材料或结构所受到的平均应力水平可能并 不是很高，材料或结构的某些局部还可能才达到残余应力。所有的这些局部特征 1 0 江苏大学硕士学位论文 都可能成为决定材料或结构疲劳寿命的关键因素。疲劳现象的破坏是逐渐形成 的，虽然最终的断裂现象是突然发生的，而且极少会有前兆，但是疲劳破坏的过 程很可能在材料或结构投入使用的时候就已经开始了。所有的疲劳破坏都是由疲 劳裂纹产生并经过扩展后，余下的材料不能够再承受原先的名义载荷时，断裂就 发生了【8 1 。 2 2 2 疲劳的分类 从不同的角度可以对疲劳进行分类： 根据研究对象的不同可以分为结构疲劳和材料疲劳。结构疲劳是以零部件、 接头或者是整机作为研究对象，研究它们的疲劳性能、寿命估算方法、抗疲劳设 计方法和疲劳试验方法，尺寸、形状和工艺因素的影响，以及提高疲劳强度的途 径；材料疲劳则研究材料的失效机理、微观组织和化学成分对疲劳强度的影响， 标准试样的疲劳试验方法和数据处理方法，材料的基本疲劳特性，工况和环境的 影响，疲劳断口的微观和宏观形貌等。 根据材料疲劳破坏前所经历的循环次数的不同，可以分为低周疲劳和高周疲 劳。低周疲劳是指材料所受到的交变应力比较高，一般接近或者超过屈服极限， 断裂前的循环次数比较少，通常少于1 0 4 。1 0 5 次；高周疲劳则是指材料受到的交 变应力远远低于材料的屈服极限，甚至大概只有屈服极限的三分之一，断裂前的 循环次数大于1 0 5 1 0 7 次。由于高周疲劳是各种机械中最为常见的，所以简称疲 劳，机械通常所受的疲劳一般多指高周疲劳。 根据应力状态的不同可将疲劳分为多轴疲劳和单轴疲劳。多轴疲劳是指多向 应力作用下的疲劳，也叫复合疲劳；而单轴疲劳则是指单向循环应力作用下的疲 劳，这种情况下部件只承受单向正应力或单向切应力。 根据载荷作用的频率和幅度不同可以分为变幅疲劳、恒幅疲劳和随机疲劳。 变幅疲劳是指交变应力的频率不变，而幅度变化；恒幅疲劳是指交变应力的频率 和幅度都是固定不变的；随机疲劳是指应力的频率和幅度都是在随机变化的。 根据工作环境和载荷工况的不同亦可将疲劳分为常规疲劳、机械疲劳、高低 温疲劳、热疲劳、热机械疲劳、接触疲劳、腐蚀疲劳、冲击疲劳和微动磨损疲 劳。在温度、空气介质中产生的疲劳称为常规疲劳；只有交变应力或应变波动造 成的疲劳称为机械疲劳；高于室温的疲劳称为高温疲劳；低于室温的疲劳成为低 1 1 江苏大学硕士学位论文 温疲劳；温度循环变化产生的热应力所导致的疲劳称为热疲劳；温度循环与应变 循环叠加的疲劳称为热机械疲劳；载荷反复作用与材料间的滑动和滚动接触相 结合产生的疲劳称为接触疲劳；循环交变应力和腐蚀环境复合作用所导致的疲劳 成为腐蚀疲劳；重复冲击载荷所导致的疲劳称为冲击疲劳；由于接触面间的微幅 相对振动造成磨损和疲劳的联合作用所导致的疲劳称为微动磨损疲劳【9 】。 2 2 3 疲劳破坏的特征们 众所周知，材料力学是依据静力试验来确定材料的机械性能( 例如强度极限、 弹性极限、屈服极限) 的，这些机械性能没能充分反映材料在交变载荷作用下的 特性。所以，在交变载倚作用下工作的零部件，假如还按静载荷去设计，在其使 用过程中往往会发生突如其来的破坏。 疲劳破坏和传统的静力破坏有着许多显著的区别： ( 1 ) 静力破坏是在一次最大载荷作用下的破坏；而疲劳破坏是在多次反复载 荷作用下的破坏，它不是短期内发生的，而是要经历一定的时间，甚至很长时间 才发生破坏。 ( 2 ) 当静应力小于强度极限或屈服极限的时候，不会出现静力破坏；但是当 交变应力在远小于静强度极限，甚至是小于屈服极限的时候，疲劳破坏就有可能 发生。 ( 3 ) 静力破坏往往有明显的塑性变形产生；而疲劳破坏一般没有外在的显著 塑性变形迹象，即使是塑性良好的金属，其疲劳破坏就像脆性破坏一样，事先不 容易察觉，这就表明疲劳破坏具有很大的危险性。 ( 4 ) 在零部件发生静力破坏后，它的断口上通常只呈现纤维状或粗粒状特征； 而在发生疲劳破坏的零部件的断口上，总是显现两个区域的特征，一部分是纤维 状或粗粒状，另一部分则是平滑的。 ( 5 ) 静力破坏的抗力关键取决于材料本身，疲劳破坏的抗力与材料的成分、 构件的尺寸和形状、表面状况、外界环境和使用条件都有关系。 2 2 4 影响疲劳强度的因素 疲劳强度的影响因素大致可分为力学、冶金学和环境三个方面。在这三类因 素中，力学因素从根本上讲可归结为应力集中和平均应力的影响；冶金学因素可 1 2 江苏大学硕士学位论文 归纳为冶金质量即材料的纯净度和材料的强度；而环境因素主要有腐蚀介质和高 温的影响。而对于力学和冶金学两类因素，主要包括缺口形状的影响、尺寸的影 响、表面状态的影响【1 1 1 。 一、缺口形状效应 零件或者构件常常带有如轴肩类的台阶、螺栓孔和油孔、键槽等所谓的缺口， 它们的共同特点是零件的横截面及在缺口处发生了突变，而在这些缺口根部应力 急剧升高，这种现象叫做应力集中。缺口处的应力集中是造成零部件疲劳强度大 幅度下降的最重要因素，应力集中使得缺口根部的实际应力远远大于名义应力， 使得该处产生疲劳裂纹，最终导致零件失效或破坏。 ( 1 ) 理论应力集中系数k 静力作用下，零件的局部应力的严重程度用k 来表示。应力集中使零件的 局部应力提高，在缺口或其他应力集中处的局部应力与名义应力的比值，称为应 力集中系数。一般表示为： k ：旦( 2 7 ) 吒 其中，吒为应力集中处的最大局部应力，q 为有应力集中截面的名义应力。 ( 2 ) 有效应力集中系数k ， 应力集中降低疲劳强度的作用与它提高零件局部应力的作用并不相同。通常 应力集中降低零件强度的作用通过k ，来表示： k ，：旦( 2 8 ) 。 盯一“ 其中，万一，为光滑试件的疲劳极限，口删为有缺口试件的疲劳极限。 二、零件的尺寸效应 尺寸效应的产生主要是因为较大尺寸的材料的组织状态和应力梯度对疲劳 强度产生了影响。材料的尺寸越大，制造工艺过程就越难控制，材料组织的致密 性和均匀性等越差、冶金缺陷越多，表面积越大，这些缺陷的数量也越多，因此 大尺寸试样表面产生疲劳、裂纹的机会也就越大。而这些从根本上来说又都可以 江苏大学硕士学位论文 归结为冶金缺陷造成了局部应力集中而导致了疲劳裂纹的产生。 尺寸效应的大小是用尺寸系数占来表示： s ：垒( 2 9 ) 盯1 其中，盯1 。为缺口试样的疲劳极限，盯一，为标准试样的疲劳极限。 三、表面状况的影响 表面状况包括表面粗糙度、表面应力状态、表面塑性变形程度和表面缺陷等 因素。在试验中采用的是表面磨光( 或抛光) 的标准试样，但实际的零部件的表 面则往往是机械加工表面、锻造表面和铸造表面。机械加工会在零件表面产生塑 性加工硬化。切削加工往往会在零件表面产生一定的残余压应力，这对疲劳强度 是有利的，但是效果有限，而且在磨削时往往会产生对疲劳强度不利的残余拉应 力。另一方面，机械加工表面的显微尺度上的凸凹不平会引起应力集中而使疲劳 强度降低。这些因素综合作用的结果，使疲劳强度比标准试样的要降低一些。而 锻造或铸造表面一般具有更高的表面粗糙度，且存在表面加工硬化层和表面残余 压应力，因此会更加明显地降低疲劳强度。 表面加工系数常用下式来表示： 口：垒( 2 1 0 ) 盯一1 其中，仃邯为终端加工表面的标准光滑试样的疲劳极限，盯一，为磨光的标准光 滑试样的疲劳极限。 2 2 5 疲劳分析的方法 目前用于疲劳分析的方法主要有四种：名义应力法、局部应力应变法、应力 场强法和能量法。 ( 1 ) 名义应力法 名义应力法是一种使用得最早的抗疲劳设计方法，这种方法的思想主要是以 材料或零件的应力为基本参数，从材料的s - n 曲线出发，然后再考虑各种因素的 影响，得出零件的s n 曲线，用雨流计数法和p a l m g r e n m i n e r 线性累计损伤理 论( 简称m i n e r 理论) ，进行寿命的分析。虽然采用该方法进行零部件的寿命分 1 4 江 苏大学硕 士 学位论 丈 析时要用到许多的修j 下系数与大量的试验曲线，但长期以来人们使用这种方法已 经积累f 了许多宝贵的材料和经验，而且该种分析方法也比较简单，所以在应力 水平比较低、载衙比较稳定的情况下，该方法依然足目前工程中广泛应用的一种 高周疲劳寿命分析方法。 ( 2 ) 局部应力应变分析法 名义应力法是以名义应力为基本参数进行疲劳分析，而实际上，决定零部件 疲劳强度和寿命的是应变集中或应力集中出的最大局部应变和应力。所以，近代 疲劳研究工作者在应变分析的基础上提出了一种新的疲劳分析方法一局部应力 应变分析法，这种方法认为：疲劳裂纹的形成是由危险部位的局部应变一应力决 定的，可以根据零部件的载荷历程来去确定疲劳破坏部位的局部应变一应力历程， 并由此进行疲劳分析。 虽然局部应力应变法日趋完善，但是依然有许多问题有待解决：首先，该方 法只能用于有限寿命下的寿命分析，而不能用于无限寿命；其次，这种方法还不 能考虑尺寸因素与表面情况的影响；第三，目前这种方法主要用于单个零件的分 析，对于复杂的连接件，由于难以进行精确的应力应变分析，所以尚难于使用。 ( 3 ) 应力场强法 应力场强法以材料的循环应力应变曲线为基本参数，通过弹塑性有限元分析 计算缺口件的应力场强历程，然后根据材料的g - n 曲线或者是s n 曲线，结合 相应的疲劳累计损伤理论，最终对缺口件进行疲劳分析。应力场强法可以较好的 描述金属材料的多种疲劳行为，而且有相当的疲劳分析精度，是一种新的疲劳分 析方法，有待于进一步的应用。 ( 4 ) 能量法 能量法的基本思想是：材料的循环疲劳损伤与其在相应循环内消耗的有效储 能相等，而且疲劳损伤演化过程是循环相关的，与此同时，在复杂的加载条件下， 疲劳的次序效应可以通过损伤转换不变来考虑。但是从能量法的基本理论和计算 过程来看，能量法仍未突破局部应力应变法的框架，因而也不能克服局部应力应 变法的缺陷，尤其是对疲劳载荷作用下缺口强度的描述还有许多现象不能圆满解 决。 江苏大学硕士学位论文 2 3 结构强度分析软件简介 自上世纪5 0 年代末、6 0 年代初起，国际上就投入大量的人力和物力开发具 有强大功能的有限元分析程序。到目前为止，比较成熟可靠的有限元分析软件主 要有a n s y s ，n a s t r a n ，l s d y n a , 、a d a m s 和s a p 等。其中，a n s y s ( a n a l y s i s s y s t e m ) 软件是集结构、流体、电场、磁场、声场分析与一体的大型通用有限元 分析软件，它由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发，可广 泛应用于车辆工程、航空航天、土木工程、机械制造、生物医学、电子、核工业、 造船、地矿、能源、轻工、水利等一般工业及科学研究。该软件可以在大多数计 算机及操作系统中运行，从p c 机到工作站，直至巨型计算机，a n s y s 文件在其 它所有的产品系列和工作平台上兼容。它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共 享和交换，如c a t i a 、p r o e n g i n e e r 、i d e a s 、n a s t r a n 等，是现代产品设计中 的高级c a d 工具之一【1 2 1 。 a n s y s 作为一种工程分析软件已被广泛应用。( 所谓工程分析，主要在分析 系统受到外负载后所出现的反应，例如位移、应力、温度等，根据该反应可知道 系统受载后的状态，进而判别系统是否符合设计要求) 。在机械、电机、土木、 电子、航空等不同领域的使用，都能达到一定程度的可信度，颇获各界好评。 所以，在本课题研究过程中将采用a n s y s 软件对牵引座鞍体进行结构强度的 分析。 a n s y s 软件主要包括三个部分：前处理模块( p r e p r o c e s s i n g ) 、分析计算模 块( s o l u t i o n ) 和后处理模块( p o s t p r o c e s s i n g ) 。 ( 1 ) 前处理模块 前处理模块提供了一个强大的实体建模和网格划分工具，用户可以方便地构 造有限元模型： 1 ) 实体建模和直接建模相结合，自底向上和自顶向下建模相结合 2 ) 数十种丰富的体素库可以模拟任意复杂的几何形状 3 ) 强大的布尔运算功能实现对模型细“雕刻” 4 ) 方便的旋转、拖拉、复制、倒角等功能可以大大减少建模的时间 5 ) 辅助工具如选择和组元、拾取与工作平面为建模提供了极大的方便 6 ) 丰富的网格划分工具确保单元形态和求解精度； 1 6 江苏大学硕士学位论文 7 ) 参数化建模使用户只需修改几个参数变可以完成系列产品的分析与设计 8 ) 数十种加载方式可以模拟各种类型的工程问题 ( 2 ) 分析计算模块 分析计算包括结构分析( 包括线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、 热分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦 合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。 ( 3 ) 后处理模块 后处理模块可以将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子 流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可以将计 算结果以图表、曲线形式显示或输出【1 3 1 。 a n s y s 软件的有限元分析是对物理现象的模拟，也是对真实情况的数值近似。 通过对分析对象进行网格划分和求解有限个数值来近似模拟真实情况的无限个 未知量。其分析过程包含了前处理、求解、后处理三个主要步骤。典型的分析过 程如下： ( 1 ) 建立有限元模型 1 ) 建立或导入几何模型 2 ) 定义并分配材料属性 3 ) 划分网格，得到节点和单元 ( 2 ) 定义边界条件、施加载荷并求解 1 ) 根据实际工作情况对分析对象定义约束条件 2 ) 根据实际工作情况对分析对象施加相应载荷 3 ) 求解 ( 3 ) 查看结果 1 ) 查看分析结果 2 ) 检验结果( 分析结果) 2 4 疲劳分析软件简介 a n s y sw o r k b e n c h 是新一代的c a e 分析环境和应用平台。它提供了统一的开 发和管理c a e 信息的工作环境，提供高级功能的易用性。a n s y sw o r k b e n c h 包括 1 7 江苏大学硕士学位论文 c a d 建模工具d e s i g nm o d e l e r ，分析工具d e s i g ns i m u l a t i o n ，优化分析d e s i g n x p l o r e r 。w o r k b e n c h 还提供了这些环境之间相互操作和控制信息传递的流程， 并且能够方便地切换到经典a n s y s 环境。a n s y sw o r k b e n c h 以w i n d o w s 风格的友 好界