1、载荷谱与汽车零部件寿命学士论文载荷谱与汽车零部件寿命学士论文1 绪论 . 1 研究的意义 . 1 载荷谱编制方法的研究现状 . 2 疲劳研究的历史 . 4 随机疲劳研究方法 . 6 2疲劳及疲劳寿命的基本理论 . 7 疲劳的基本概念 . 7 汽车零部件的疲劳类型 . 10 疲劳分析方法 . 11 静强度设计方法 . 11 无限寿命设计方法 . 11 安全寿命设计方法 . 12 破损-安全设计方法 . 13 损伤容限设计方法 . 13 S-N曲线 . 14 3 随机疲劳载荷谱 . 15 载荷谱概述 . 15 疲劳载荷谱相关基本理论 . 16 疲劳破坏的累积损伤理论 . 16 频次计数法 . 18
2、 载荷谱编谱过程 . 21 根据载荷谱寿命估算 . 24 4总结与展望 . 25 破坏就是塑性变形累积的结果。汽车零件在设计时，出于安全考虑，一般其设计名义应力都大大小于材料的屈服极限，其使用寿命也要求较长，因此汽车零部件的疲劳属于高周疲劳。 疲劳分析方法 疲劳分析的主要目的是防止结构发生疲劳破坏，也就是要对结构进行疲劳设计。疲劳分析方法是用来处理动应力及此而产生的破坏方式的基本方法。对汽车零部件合理的疲劳设计，是汽车设计的一个重要环节和提高产品质量的重要保证。目前国内外采用的疲劳分析方法有静强度设计方法、无限寿命设计方法、安全寿命设计方法、破损安全设计方法和损伤容限设计方法等。 静强度设计方
3、法 早期人们对于一切结构件，不管它是受静载荷作用还是受动载荷作用，都统统用静强度设计方法进行设计。静强度方法实际上就是一次最大载荷方法，在这种设计思想中，构件的安全是用安全系数来保证的： 安全系数=静强度 () 限制载荷这种设计方法历史悠久，迄今还是结构设计中的主要准则之一。如果遇到反复作用的疲劳载荷，就采用提高安全系数的办法来保证结构的安全使用。 无限寿命设计方法 早期评定材料疲劳特性的方法，是在一定的外加交变应力S下，测定光滑试样或缺口试样的破坏循环次数N,从而得到在一定应力比R下的SN曲线。一般来说，黑色金属的SN曲线都有一条水平渐近线，转折点大致在106?107次循环之间。通常认为，只
4、要经过106?107次循环不发生破坏，它就可以承受无限次循环，与此水平渐近线相对应的应力称为疲劳极限。无限寿命设计方法通常就是依据这种方法得到的SN曲线进行设计的，它把结构的许用应力设计在疲劳极限以下。对于等幅应力循环，此方法要求结构的应力小于等于材料或构件的等幅疲劳极限Se。对于抓斗卸船机这种承受变幅循环应力的结构，则要求最大应力不超过材料或构件的疲劳极限Se。用这种方法设计出来的结构将会过于笨重，不适应现代设计的要求。 安全寿命设计方法 安全寿命设计方法也是依据实验中得到的SN曲线来进行设计的，它是从无限寿命设计方法发展起来的。这种安全寿命设计方法的初期观点是保证所设计的结构，在规定安全寿
5、命期间不出现疲劳裂纹。现在的观点则是保证承力结构在不进行检查和维修的条件下，在规定的安全期间，因疲劳破坏的可能性极小。于安全寿命的应力一般高于材料或构件的疲劳极限，所以不能通过验算最大应力不超过等幅疲劳极限来达到目的，而需要按Miner的线性累积损失准则估算总疲劳损伤。其具体方法为： 1）得到设计规定期间用于疲劳计算的载荷谱； 2）计算构件各位置的应力历程； 3）利用雨流法将应力历程整理为不同应力幅的Sai和Sai相应的循环次数ni； 4）SN曲线得到应力幅?ai对应的使用极限ni； 5）利用线性累积损伤准则计算总损伤D： D=ni() Ni6）计算安全寿命Ts?TL足要求； D，式中TL为设
6、计寿命，若TSpTL，也就是Df1，则不满7）这种设计方法有两个前提条件，即载荷谱已知和材料或构件的SN曲线已知；于得到的结构载荷历程并不能完全模拟实际受载情况，求得的材料或构件的SN曲线存在一定的离散性，一般计算安全寿命时还需像静强度方法一样引入安全系数，只不过这种设计方法的安全系数是用分散系数代替的。所以安全寿命定义为： 安全寿命=总寿命()根据分散系数经验，分散系数一般取24。 安全寿命设计方法的安全可靠性是用分散系数来保证的。分散系数可以确保结构在规定的寿命期不发生疲劳破坏。该方法设计的依据是材料或者结构的疲劳曲线，设计的重点是保证疲劳裂纹形成阶段的寿命。一切提高裂纹形成寿命的方法，也
7、就是提高疲劳抗力的方法，都要尽量在安全寿命设计中加以采用。目前国内外大多数都采用该方法来进行疲劳设计。 破损-安全设计方法 一个完全抗疲劳的结构，或者能够防止来自任何损伤的结构，在经济上不见得是可行的，于是就产生了破损安全设计方法，其实质是，结构在规定的使用年限中，允许产生疲劳裂纹，并允许疲劳裂纹扩展，但其剩余强度应大于限制载荷，并通过定期检查及修理办法等，修复结构，延长其使用寿命。检修周期一般规定为 检修周期应用这种方法的前提是： 1）裂纹起始于或者贴近结构的表面； 2）潜在起裂处的设计寿命内损伤D大于1； 3）有可行的检测和修复方法； 4）运营养护时，对检修位置和检修周期必须明确指明，并且
8、必须考虑发生一次漏检的情况。 剩余寿命() 分散系数损伤容限设计方法 损伤容限方法是在破损安全寿命设计方法上发展起来的，该方法与破损安全寿命设计方法的主要区别是它允许结构有一定的初始损伤，只是要求在裂纹扩展寿命中不扩展到导致疲劳破坏的临界裂纹尺寸。该方法也是依靠经常的检查来保证结构的安全，并要求作到： 检修周期剩余寿命() 分散系数其使用前提也和破损安全寿命设计方法相同。 综合分析以上五种分析方法，对于汽车而言，在制造或者安装时，或许会受到一些意外的损伤，这在现实当中是不可能完全避免的，但这也容易测量和估计，因为这些损伤是属于偶然因素引起的，所以在设计汽车零部件时，用引入了安全系数的安全寿命设
9、计方法是比较符合车辆行驶的实际情况的。 S-N曲线 各种材料对变应力的抵抗能力，是以在一定循环作用次数N下，不产生破坏的最大应力?N来表示的。也称为条件疲劳极限。?N称为一定循环作用次数N的极限应力，对于一种材料，根据实验，可得出在各种循环作用次数N下的极限应力，以横坐标为作用次数N、纵坐标为极限应力，绘成如图1所示曲线，则称为材料的疲劳曲线，或称S-N曲线。从图中可以看出，应力愈高，则产生疲劳破坏的循环次数越少。交变应力低于某一数值时，则材料不再产生疲劳破坏，此时的应力称为材料的疲劳极限。 图 疲劳曲线 3 随机疲劳载荷谱 载荷谱概述 疲劳破坏是机械构件中常见的现象,据统计机械中约有80%的
10、零部件损坏于疲劳破坏, 因此对构件可靠性及使用寿命的研究就至关重要。 在交变应力工作一下的构件,其破环形式与静载荷作用下截然不同。在交变应力下,构件内的最大应力虽低于材料的屈伏极限,但经长期交变应力作用之后,虽然是塑性较好的材料, 断裂前没有明显的塑性变形,也会出现突然断裂。 目前对疲劳破坏原因的分析是,于构件外部形状尺寸的突变及材料不均匀等原因,使构件某些局部的应力特别高,在长期交变应力作用下,应力高的点或材料有缺陷的点逐渐形成了非常细微的裂纹疲劳源,裂纹尖端处严重应力集中,促使裂纹逐渐扩展,当裂纹扩展到一定程度,在偶然的超载冲击下,构件就会发生突然脆性断裂。如果材料经受的重复应力值低于某特
11、定值不再发生破环,便将该特定值称为持久极限。近代的运输机械、农机和通用机械等它们所承受的载荷多是随机性的。各种机械零部件在随机载荷作用下的疲劳强度问题,在国内外已引起广泛的重视。近年来,在航空、汽车、农机、铁道等行业已作了大量的研究工作。随机载荷作用下的疲劳强度计算,不同于常幅下的疲劳强度计算。要作一个零部件疲劳寿命的估算,必须具备疲劳载荷谱和材料S-N曲线。 所谓载荷谱是客观反映零部件或构件在各种工况下承受载荷与它出 现的累积频次关系图,随机疲劳载荷谱表示随机载荷的统计特性。载荷谱不仅是 疲劳强度计算的依据,也是模拟试验加载的依据。 载荷谱与载荷时间历程以 下简称时间历程有关,例如从图时间历
12、程中可看出，有一部分幅值在持久极限A以内，有一部分超过了持久极限。 图 时间历程 根据幅值是否超越持久极限,载荷谱一般有三种不同类型,第一类超越持久 极限的最大载出现的频次高,则考虑结构设计时,必须在材料的疲劳极限以下, 在理论上讲使零部件不发生破坏,或破坏的概率极微;第二类,超越持久极限的 最大载荷出现的频次有限,这类零部件的设计主要是考虑静强度问题;第三类, 最大载荷远大于持久极限,但出现的频次很低,这类零部件必须按有限寿命设计 来考虑,它允许部分构件能承受在使用期间的反复塑性变形循环,对于这类零部件是当前人们关注的主要对象。 疲劳载荷谱相关基本理论 载荷谱是建立在累积损伤理论基础之上的载
13、荷累积频次图。损伤是指材料的破坏程度,在外加循环应力作用下,损伤逐步积累,最后达到疲劳破坏,这就是累积损伤的概念。编制疲劳载荷涉及疲劳破坏的累积损伤理论和随机波的频次计 数问题,故有关这两方面的基本理论简介如下。 疲劳破坏的累积损伤理论 累积损伤的概念是在20世纪初Moore和Komers首先提出,在1945年Miner在Palmgren研究的基础上总结了线性累积损伤理论。大多数工程结构或机械的失效是一系列的变幅循环载荷所产生的疲劳损伤的累积而造成的。疲劳累积损伤理论研究的是在变幅疲劳载荷作用下疲劳损伤的累积规律和疲劳破坏的准则。 不同研究者根据他们对损伤累积方式的不同假设，提出了不同的疲劳累
14、积损伤理论(fatigue damage cumulative rules)。到现在，已经提出的疲劳累积损伤理论不下数十种。这些理论归纳起来大致可以分为以下四大类： 线性疲劳累积损伤理论：这种理论假定材料各个应力水平下的疲劳损伤是独立进行的，总损伤可以线性叠加。最具有代表性的是Miner法则，以及稍加改变的修正Miner法则和相对Miner法则。 双线性累积损伤理论：这种理论认为材料疲劳过程初期和后期分别按两种不同的线性规律累积。最具有代表性的是Manson的双线性累积损伤理论。 非线性累积损伤理论：这种理论假定载荷历程与损伤之间存在着相互干涉作用，即各个载荷所造成的疲劳损伤与其以前的载荷历史
15、有关。最具代表的是损伤曲线法和Corten-Dolan理论。 其它累积损伤理论：这些理论大多是从实验、观测和分析归纳出来的经验或半经验公式。如Levy理论和Kozin理论等。 线性疲劳累积损伤理论 线性疲劳累积损伤理论是指在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性地累加的，各个应力之间相互独立和互不相关的，当累积的损伤达到某一数值时，试件或构件就发生疲劳破坏。线性累积损伤理论中最具代表性的是Palmgren-Miner 理论，简称Miner 理论。Miner 理论对于三个问题的回答如下： 1) 一个循环造成的损伤； D ?1 /N 式中N 为对应于当前载荷水平S 的疲劳寿命。 2) 等幅载荷下， n
16、 个循环造成的损伤： D ?n/N 变幅载何下， n 个循环造成的损伤： D ?n1 i?1Ni式中Ni 为对应于当前载荷水平Si的疲劳寿命。 3) 临界疲劳损伤DCR ：若是常幅循环载荷，显然当循环载荷的次 数n 等于疲劳寿命N 时，疲劳破坏发生，即n ?N ，这时 ?DCR =1 Miner 理论是一个线性疲劳累积损伤理论，它没有考虑载荷次序的影响， 而实际上加载次序对疲劳寿命影响很大，对此已有大量的试验研究。对于二张 或者很少几级加载的情况下，试验件破坏时的临界损伤DCR偏离1 很大。一 般地，高-低加载顺序，临界累积损伤小于1，而低-高加载顺序，临界累积损 伤大于是，这就是所谓的“锻炼
17、”效应。但是，对于随机载荷，试验件破坏时 的临界损伤值DCR在1 附近，这也是目前工程上广泛采用Miner 理论的原因。 Miner理论相对比较简单，而且已经可以较好的预测疲劳寿命的均值，目前在工程上广泛使用的还是Miner线性疲劳累积损伤理论。 频次计数法 使构件产生疲劳损伤的主要因素是应力幅值和应力循环的次数, 将实测的随机载荷时间历程简化为一系列的全循环或半循环的过程叫做“计数法”。频次计数法是从疲劳损伤的角度出发,对时间历程作统计分析,将时间历程简化为一系列的循环或半循环。计数法有十几种,但常用的有峰值计数法、雨流计数法、变程-均值计数法和四峰谷计数法。 峰值计数法 这种方法认为对物件
18、疲劳损伤影响较大的是随机应力的峰值和谷值的大小以及出现的次数, 而与应力随时间的变化没有关系。因此在随机应力波的统计中将峰值和谷值分另进行统计出它们某一个量值出现的次数, 从而推出概率密度函数, 以及累积概率分布函数。两相邻峰谷值之差称为变程图,过小的变程对物件疲劳损伤设有什么影响,可当成无效变程予以忽咯, 即对无效变程两端的峰谷值不予统计。一般把小于材料在对称循环下疲劳极限的5%或小于最大变程的10%的变程予以忽略。 这种计数法简单易行, 而且真实地反映了应力或载荷的图形, 所以被广泛应用。但在某种情况下峰值计数法统计的结果用于疲劳试验或估算构件寿命与实际有较大出入, 这是不足之处, 但目前
19、好多国家仍在研究和完善它, 如美国的公司、日本的小野和三荣等公司都把峰值法统计处理程序作为一种专用程序, 故峰值计数法仍具有很大的实用价值。 雨流计数法 雨流计数法简称雨流法，也叫“塔顶法”。其最大的优点是计数方法与材料的应力一应变行为相一致。目前, 雨流计数法是国内外应用最为广泛的方法。这是于雨流计数法具有以下几个优点： 将载荷的统计分析与材料的疲劳特性建立起一定的联系, 更易于为人们接受； 这种双参数的计数法既能统计趋势, 又不遗失小的交变信号； 使载荷一时间历程的每一部分都参加计数而且只计数一次； 便于计算机处理, 实现数据处理的自动化。经雨流计数法处理后就可以得到载荷幅值、均值和相应频
20、次的重要关系。 根据雨流计数法的一般规则，采用简化雨流计数法进行计数。简化雨流计数法，适用于以典型载荷谱段为基础的重复历程，其优点是计数的结果均为全循环。其基本原理是: 随机载荷谱中选取适合雨流计数的最大峰(谷)处起止的典型段，作为计数典型段。如图中1一1段(最大峰起止)，或2一2段(最大谷起止)。 图 雨流计数典型段的选取 将谱历程曲线旋转90?放置，如图所示。将载荷历程看做多层屋顶，假设有雨滴沿最大峰(谷)处开始往下流。若无屋顶阻挡，则雨滴反向，继续流至端点。图中雨滴从A开始，沿AB流动，至B点后落至CD屋面，继续流至D处;因再无屋顶阻挡，雨滴反向沿DE流动至E处，下落至屋面JA，至A处流
21、动结束。所示的雨流路径为ABDEA。 图 雨流计数过程 记下雨滴流过的最大峰、谷值，作为一个循环。图中第一次流经的路径，给出的循环为ADA。循环的参量(载荷变程和平均载荷)，可图中读出，如ADA 循环的载荷变程?S=5-（-4)=9，平均载荷Sm=5+(-4)/2=。 从载荷历程中删除雨滴流过的部分，对各剩余历程段，重复上述雨流计数。直至再无剩余历程为止。如图所示，第二次雨流得到BCB和EHE循环;第三次雨流得到FGF和IJI循环;计数完毕。 雨流计数法规则为: 雨流的起点依次在每个峰值(谷值)的内侧，即屋顶; 雨流在下一个峰值(谷值)处落下，直到对面的峰值(谷值)比开始时更大(更小)为止;
22、当雨流遇到上面屋顶流下的雨流时，就停止; 取出所有的全循环，并一记下各自的起始值和终止值; 按正、负斜率取出所有的半循环，并记下各自的起始值和终止值; 把取出的半循环按雨流法第二阶段计数法则处理并计数。 同一时间历程用不同的计数方法进行处理将会得到不同的计数结果, 用来作疲劳寿命予测和疲劳试验, 将会得到不同的疲劳寿命。在编制载荷谱的过程中究竟选用哪种计数方法更符合实际情况, 国内外都尚未最后解决, 不过从年代以来, 国内外一个明显倾向是雨流计数法, 已是目前欧美国家较为推崇的一种计数方法。 载荷谱编谱过程 编谱的主要步骤是：典型工况的确定及载荷信号的测取；载荷信号的处理和分析；载荷谱的编制。
23、载荷谱的测量包括以下几个步骤: 1)选择和布置传感器 汽车前轴在道路上所受的载荷不能直接测出，一般通过标定进行间接测量。 2)载荷标定 在道路测量前，必须对应变片信号进行标定，以得到载荷一应变信号关系曲线，这样才能把道路应变谱换算成载荷谱。对同一个贴片零件，可以进行装车后的整车标定，以及卸下零部件后在试验台架上进行的同一零部件的台架标定工作，这样将方便测量后的在载荷分析以及室内试验工作。 载荷信号的处理和分析 经雨流计数法处理后就可以得到载荷幅值、均值和相应频次的重要关系。一个实测的随机载荷谱往往很多因素形成,除受主要的工作载荷以外, 还常受到一些次要的载荷作用, 这些载荷表现为二级波、三级波乃至一些高阶小量循环, 对这些不能构成疲劳损伤的小量循环,一般称为无效幅值。在进行载荷-时间厉程计数时,应该将无效幅值舍弃。关于无效幅值的取舍基准, 一般取
