传动系疲劳计算及CAE分析

传动系疲劳计算及CAE分析赵勇2014.3.12目录疲劳计算基础知识疲劳计算实例CAE应用简介CAE计算实例一.疲劳计算基础知识疲劳定义及特点（ASTME206-72）

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永久结构变化的发展过程，称为疲劳。特点：扰动应力，高应力局部，裂纹，发展过程。研究目的：预测寿命。N=Ni+Np裂纹萌生+扩展SSmax0Smint常用导出量：平均应力Sm=(Smax+Smin)/2

应力幅Sa=(Smax-Smin)/2

应力变程DS=Smax-Smin

应力比R=Smin/Smax恒幅循环应力水平的基本量：Smax

SminSmSaSa循环应力(cyclestress)的描述0StR=-1对称循环0StR=1静载0StR=0脉冲循环疲劳计算分类应力疲劳:Smax<Sy，Nf>104，也称高周疲劳。应变疲劳:Smax>Sy，Nf<104，也称低周应变疲劳。应力s应变eSyo疲劳计算需要用到：材料疲劳特性（S-N曲线）外部载荷谱R=-1(Sa=Smax)条件下得到的S-N曲线。用一组标准试件，在R=-1下，施加不同的Sa，进行疲劳试验，可得到S-N曲线。疲劳极限(endurancelimit

)Sf：寿命N趋于无穷大时所对应的应力S的极限值Sf。对称循环下的疲劳极限Sf(R=-1)，简记为S-1。满足S＜Sf的设计，即无限寿命设计。基本S-N曲线S103104105106107NfSNSf幂函数式Sm.N=C

m与C是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。二边取对数，有:lgS=A+BlgNS-N间有对数线性关系；参数A=LgC/m,B=-1/m。LgS34567LgNSfS-N曲线的数学表达式StR=-1R=-1/3R=0SmR，Sm；且有：

Sm=(1+R)Sa/(1-R)Sm>0,拉伸平均应力作用对疲劳是不利；Sm<0,压缩平均应力存在对疲劳是有利的。喷丸、挤压和预应变残余压应力提高寿命。Sa不变，RorSm；N；N不变，RorSm；SN;SNSm<0Sm=0Sm>0aR增大平均应力Sm的影响SS-1aSuSmN=104N=107Sa/S-1101Sm/SuN=107Haigh图如图，在等寿命线上，

Sm，Sa；SmSu。GerberGoodman直线形式简单，且在给定寿命下，由此作出的Sa-Sm关系估计是偏于保守，故在工程实际中常用。Gerber：(Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1Goodman：(Sa/S-1)+(Sm/Su)=1Sa-Sm关系（等寿命曲线）典型载荷块：“100起落”SN(起落次数)100200某飞机主轮毂实测载荷谱滑行滑行滑行拐弯拐弯着陆着陆载荷谱分实测谱和设计谱。SS1n3S2S3n2n10n设计载荷谱外部载荷谱

若构件在某恒幅应力水平S作用下，循环至破坏的寿命为N，则循环至n次时的损伤定义为：

D=n/N若n=0,则D=0，构件未受损伤；若n=N，则D=1，发生疲劳破坏D随循环数n线性增长：Di=ni/Ni疲劳破坏判据为：D=1Miner线性累积损伤理论nD0n1D1N1ni

是在Si作用下的循环次数，由载荷谱给出；Ni

是在Si下循环到破坏的寿命，由S-N曲线确定。

若构件在k个应力水平Si作用下，各经受ni次循环，总损伤为：

(i=1,2,...k

)DDnNikii==åå1Miner

线性累积损伤理论的破坏准则为：

DnNii==å1Miner线性累积损伤理论二.疲劳计算实例

齿数齿宽变位系数螺旋角法向压力角法向模数MotorPinion20400.318853017.51.5MotorWheel9540-4.33E-02OutputPinion2050-9.64E-0215202.25OutputWheel6750-0.46516

输入轴转速(rpm)传递功率(kW)持续时间(h)工况1200089000工况21500101000几何参数列表设计载荷谱Romax模型齿轮疲劳计算因此，Motor

Pinion齿轮寿命为：10000/61.189%=16342.8(h)轴承疲劳计算OutputShaftLeftBearing：

因此，OutputShaftLeftBearing寿命为：10000/49.7%=20120.7(h)三.CAE应用简介静强度分析主要用来分析由于稳态外载荷所引起的位移、应力和应变等。应力云图变形云图疲劳分析主要用来分析构件受外载荷（恒幅、随机变幅）作用下产生的疲劳损伤、寿命。应力云图损伤云图寿命云图接触分析主要用来分析相接触的两构件之间的接触应力大小及分布情况。应力云图接触应力云图模态分析主要用来求解结构件的固有频率及其振型。前5阶固有频率15432温度场分析主要用来分析温度的分布及其产生的热应力情况。温度分布云图表淬压应力云图碰撞分析用于对碰撞、冲击过程进行模拟，查看碰撞过程中的最大应力及变形。应力云图能量变化曲线四.CAE计算实例拖拉机输出前轴CAE分析危险截面不考虑应力集中时，危险截面处最大扭转切应力为光轴切应力云图原输出前轴切应力云图可见，危险截面处的应力集中较严重，由于应力集中，最大切应力由93.29MPa增大到260.65MPa。静强度分析改后输出前轴切应力云图改进后，危险截面处最大切应力由260.65MPa降为209.97MPa，应力水平降低了19.4%。安全系数由1.036增大到1.286。改前改后疲劳分析经计算，原输出前轴危险截面处经20000次脉动循环载荷作用后造