汽车疲劳耐久性技术现状及发展趋势（51页)ppt课件

1、汽车疲劳耐久性技术现状及开展趋势张式程全德华人机电工程学会.汽车疲劳主要内容 (分别见“疲劳耐久性-1,-2,-3 三个PPT文件)汽车疲劳耐久性技术现状及开展趋势1) 目前疲劳分析所能到达的精度2 疲劳分析在汽车开发流程中的定位3 汽车疲劳测试方法、分析方法的现状及开展趋势4) 疲劳耐久性技术终究要处理什么问题课堂讨论与问答疲劳耐久性分析实际根底及关键技术1) 疲劳寿命预测的根本实际2) 等效应力选取原那么与多轴疲劳分析3) 疲劳目的值的设定4) 整车CAE中的焊点焊缝模型5) 焊点焊缝疲劳分析方法6) 焊点焊缝疲劳实验设计7) 能否以及如何建立一套适宜本人产品的疲劳分析方法课堂讨论与问答汽

2、车疲劳耐久性分析工具(软件软件)的选择1) 汽车开发常用疲劳分析软件简介2) 疲劳分析与其他分析(刚度,强度,振动,碰撞)的关系3) 如何选择疲劳分析软件课堂讨论与问答2.汽车疲劳测试方法、分析方法的现状及开展趋势汽车耐久性道路实验汽车耐久性台架实验汽车零部件耐久性台架实验测试方法分析方法Source: nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.03.4疲劳分析在汽车开发流程中的定位在第一阶段: 评价各种设计方案能否满足疲劳耐久性要求.在第二阶段: 尽早发现疲劳危险部位, 及时采取措施, 使样车顺利经过汽车耐久性台架实验和汽车耐久性道路实验.在第三阶段:

3、 发现前两个阶段漏判的部分问题还来得及改良, 假设必需进展大的改动那么阐明疲劳耐久性分析尚须改良.第一阶段第二阶段第三阶段Source: Automotive Circle Internaional Conferrence, 13-14 March 2007, Bad Nauheim, Germany.5振动,碰撞等疲劳分析与其他分析(刚度刚度,强度强度,振动 碰撞等)的关系Source: EuroCarBody 2007, 16-18 Oct. 2007, Bad Nauheim, Germany.耐久性设计目的设定与分解汽车设计(或希望保证)的运用寿命, 例如30万公里汽车在耐久性道路实验

4、场上的行使里程, 例如2000公里 不同路况 (市郊, 乡间, 越野) 非正常情况(压路边妨碍物) 潮湿腐蚀路面汽车在耐久性道路实验场上行使过程中记录各种工况下的有效疲劳载荷路谱(每种工况记录一定时间)陈列组合不同路谱, 紧缩无效成份为零部件与整车台架加速实验提供实验载荷虚拟路面汽车多体动力学模型为耐久性计算或实验提供虚拟路谱汽车耐久性疲劳计算, 输出损伤值 D各环节之间需求大量阅历积累, 并无严厉的定量关系.6.1)2)3)4)5)目前疲劳分析所能到达的精度非常称心的精度: 损伤值 1D10例如, 假设根据阅历可以确定如下当量关系:30万公里正常运用寿命大致相当于2000公里汽车耐久性道路实

5、验行使里程,而针对2000公里汽车耐久性道路实验行使里程的疲劳耐久性计算得出的被实验证明的疲劳破坏部位的损伤值D大约在1.0和10之间.到达上述精度往往需求多年的阅历积累以及根据阅历反复的修正.如何改良精度?检查能否存在系统误差, 如是可以将过大或过小的损伤值经过一个系数修正到1.0和10之间.全面检查疲劳耐久性计算的各个环节, 特别是边境条件. 在这个过程中可经过敏感性分析计算确定哪些要素有较大影响.对疲劳耐久性分析而言阅历非常重要, 和有阅历的计算工程师和疲劳实验工程师深化讨论往往很有协助.有时也不能排除实验中的错误(人们普通疑心计算结果而很少疑心实验结果),经常标定实验设备很重要.计算与

6、实验有机结合: 实验前用计算协助设计实验, 实验后用丈量结果验证计算.7.疲劳计算主要环节单位载荷作用下线弹性静载应力计算(获得应力分量和单位载荷的关系)载荷谱(实践载荷与时间的关系)线性叠加原理找出最大等效应力(危险截面上的最大正应力或最大剪应力)对于锋利缺口附近应力过高等情况经过思索应力梯度将过高的应力修正到接近实践的程度用Neuber修正将线弹性最大等效应力转换成最大线弹性最大等效应力应变计算疲劳损伤参量变(例如Pswt)同时思索平均应力的影响实验测定的资料疲劳特性曲线(S-N曲线或应变E-N曲线以及循环应力应变曲线)计算疲劳损伤积累(普通采用Miner准那么)计算有效循环次数(Rain

7、flow counting)输出计算结果(损伤值D, 或称疲劳目的值)D1 表示能够出现疲劳破坏8.疲劳分类LCF: 低周疲劳HCF: 高周疲劳疲劳极限Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 20059.高周疲劳与低周疲劳高周疲劳: 应力较高, 应变较低 普通采用应力S-N曲线 (只需测试相对简单的S-N曲线 ) 汽车疲劳计算多为高周疲劳低周疲劳: 应变较高, 应力较低 普通采用应变E-N曲线 (需测试相对复杂的E-N曲线

8、) 汽车疲劳计算中和温度有关时多为底周疲劳为了运用方便, 许多疲劳软件在方法上给用户提供应力曲线法和应变曲线法的选择, 实践上做了如下延伸: 用应力S-N曲线覆盖低周疲劳 用应变E-N曲线覆盖高周疲劳 实际阐明这种延伸在汽车疲劳计算中是可以接受的10.疲劳破坏机理Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 200511.12积分)应力强度因子)等效应力选取原那么与多轴疲劳分析载荷名义应力构造应力缺口应力缺口应变断裂力学断裂力学S

9、ource: IIW document XIII-2151-07 / XV-1254-07汽车构造疲劳分析常用等效应力参量多轴疲劳分析: 危险截面法(J积分(应力强度因子.损伤积累计算的Miner方法那么niNi损伤值:D = niNiSource: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 200713.应力寿命方法,寿命方法 计算疲劳寿命时常用的一些近似处置光滑试件SN曲线思索各种影响要素后的SN曲线Miner originalMi

10、ner modifiedMiner elementarySource: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 200514.15应变寿命寿命方法应力应变循环曲线:每个循环所包围的面积为该循环的能量损耗Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 2005.16应变寿命寿命方法

11、Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 2005.应变寿命寿命方法Source: Seminar Betriebsfestigkeit auf der Grundlage rtlicher Beanspruchungen, TU Darmstadt, 11.-13.03.200317.应变寿命寿命方法Source: Seminar Betriebsfestigkeit auf der Grundlage rtlicher B

12、eanspruchungen, TU Darmstadt, 11.-13.03.200318.损伤参数 P最常用Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 200719.应力20疲劳载荷描画SmaxSmin最大应力最小应力SmaxSmean 平均应力SmeanSminR=SminSmax应力比时间SmaxSminSource: Christoph Bach, Dissertation, “Beitrag zur Model

13、lierung des Schwingermdungsverhaltens und zur rechnerischenLebensdaueranalyse von endlos kohlenstofffaserverstrkten Vinylester-Matrixsystemen“, TU Kaiserslautern, 2007.Neuber修正目的: 以线弹性应力应变估算弹塑性应力应变线弹性应力应变弹塑性应力应变Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidel

14、berg 1995, 2003 und 200721.思索应力梯度将过高的应力修正到接近实践的程度过高的缺口应力接近实践程度的缺口应力Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 200722.弹性缺口应力集中系数与疲劳缺口系数弹性缺口应力集中系数疲劳缺口系数Kt=knSource: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Else

15、vier ButterworthHeinemann, 200523.金属资料的SN曲线实验曲线拟合技术要点 采用双对数线性回归 以疲劳寿命N为因变量, 应力幅度为自变量 在同一应力幅程度实验点太少时, 以回归中线为纵轴使一切实验点参与统计分布(如红线所示)Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 200524.金属资料的SN曲线实验曲线拟合技术要点 采用双对数线性回归 以疲劳寿命N为因变量, 应力幅度为自变量 在同一应力幅程度

16、实验点太少时, 以回归中线为纵轴使一切实验点参与统计分布(如红线所示) 思索存活概率 (50%为中线)A50%90%10% A50%10%90%NNSource: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 200725.26汽车计算常用软件包CAD：CATIAPro/EngineerPre-/Postprocessor:MedinaANSAHyperMeshFE-Solver：NASTRAN (MSC.NASTRAN, NX.NASTR

17、AN)ABAQUSMARCANSYSPERMASLS-DYNAPAM-CRASHRADIOSSSTAR-CD(STAR-CCM+), FLUERENT, POWERFLOW.汽车疲劳计算常用软件DesignLife (nCode)FEMFATFEMSITEFE-SAFELMS Virtual.Lab Durability英国, 德国奥地利奥地利英国德国, 比利时27.包括焊点焊缝)数据疲劳分析必备条件构造外形尺寸(包括焊点焊缝 数据资料数据载荷数据分析结果: 疲劳损伤值的分布Source: nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.028.疲劳分析必备条

18、件Source: nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.029.30汽车车身车身计算建模表示图Source: 26. Europische Karosseriekonferenz, 26-27 Feb. 2021, Bad Nauheim, Germany.资料疲劳性能实验Source: nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.031.疲劳载荷Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin H

19、eidelberg 1995, 2003 und 200732.时间应力任务疲劳载荷 Rainflow 循环次数计数法应变应变应变应变Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 200733.疲劳载荷的获取整车实验场整车实验台零部件实验设备Source: nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.034.汽车多体动力学模型Source: Gnther Preschany, Lotha

20、r Witte, Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication35.汽车多体动力学模型 - 轮胎模型Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication36.汽车多体动力学模型 - 轮胎模型Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesam

21、tfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication37.汽车多体动力学模型 虚拟路面真实路面虚拟路面Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication38.汽车多体动力学模型 - 正常路面Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesamtfahrzeu

22、gmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication39.汽车多体动力学模型 耐久性实验路面Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication40.汽车多体动力学模型 - 与有限元模型结合Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication41.载荷谱损伤谱汽车多体动力学模型 - 模拟与实测的比较实测值实测值实测值模拟值模拟值模拟值模拟值实测值Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesamtfahrzeugmodell