1、汽车疲劳耐久性技术现状及发展趋势张式程全德华人机电工程学会汽车疲劳耐久性技术现状及发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发展趋势1)目前疲劳分析所能达到的精度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、分析方法的现状及发展趋势4)疲劳耐久性技术究竟要解决什么问题（课堂讨论与问答）疲劳耐久性分析理论基础及关键技术1)疲劳寿命预测的基本理论2)等效应力选取原则与多轴疲劳分析3)疲劳目标值的设定4)整车CAE中的焊点焊缝模型5)焊点焊缝疲劳分析方法6)焊点焊缝疲劳试验设计7)能否以及如何建立一套适合
2、自己产品的疲劳分析方法（课堂讨论与问答）汽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汽车疲劳主要内容(分别见“疲劳耐久性-1,-2,-3 ”三汽车疲劳测试方法、分析方法的现状及发展趋势汽车耐久性道路试验汽车耐久性台架试验汽车零部件耐久性台架试验测试方法分析方法Source:nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.03汽车疲劳测试方法、分析方法的现状及发展趋势汽车耐久性道路试验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
3、计方案是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,使样车顺利通过汽车耐久性台架试验和汽车耐久性道路试验.在第三阶段:发现前两个阶段漏判的局部问题还来得及改进,如果必须进行大的改动则说明疲劳耐久性分析尚须改进.第一阶段第二阶段第三阶段Source:Automotive Circle Internaional Conferrence,13-14 March 2007,Bad Nauheim,Germany4疲劳分析在汽车开发流程中的定位第一阶段第二阶段第三阶段S5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
4、 2007,16-18 Oct.2007,Bad Nauheim,Germany5 振动,碰撞等疲劳分析与其他分析(刚度刚度,强度强度,振动 耐久性设计目标设定与分解汽车设计(或希望保证)的使用寿命,例如30万公里汽车在耐久性道路试验场上的行使里程,例如2000公里 不同路况(市郊,乡间,越野)非正常情况(压路边障碍物)潮湿腐蚀路面汽车在耐久性道路试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)排列组合不同路谱,压缩无效成份为零部件与整车台架加速试验提供试验载荷虚拟路面汽车多体动力学模型为耐久性计算或试验提供虚拟路谱汽车耐久性疲劳计算,输出损伤值 D各环节之间需要大量
5、经验积累,并无严格的定量关系.6耐久性设计目标设定与分解 不同路况(市郊,乡间1)2)3)4)5)目前疲劳分析所能达到的精度非常满意的精度:损伤值 1D10例如,如果根据经验可以确定如下当量关系:30万公里正常使用寿命大致相当于2000公里汽车耐久性道路试验行使里程,而针对2000公里汽车耐久性道路试验行使里程的疲劳耐久性计算得出的被试验证实的疲劳破坏部位的损伤值D大约在1.0和10之间.达到上述精度往往需要多年的经验积累以及根据经验反复的修正.如何改进精度?检查是否存在系统误差,如是可以将过大或过小的损伤值通过一个系数修正到1.0和10之间.全面检查疲劳耐久性计算的各个环节,特别是边界条件.
6、在这个过程中可通过敏感性分析计算确定哪些因素有较大影响.对疲劳耐久性分析而言经验非常重要,和有经验的计算工程师和疲劳试验工程师深入讨论往往很有帮助.有时也不能排除试验中的错误(人们一般怀疑计算结果而很少怀疑试验结果),经常标定试验设备很重要.计算与试验有机结合:试验前用计算帮助设计试验,试验后用测量结果验证计算.71)2)3)4)5)目前疲劳分析所能达到的精度非常满意的精度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(实际载荷与时间的关系)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)对于尖锐缺口附近应力过高等情况通过考虑应力梯度将
7、过高的应力修正到接近实际的水平用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)同时考虑平均应力的影响试验测定的材料疲劳特性曲线(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(一般采用Miner准则)计算有效循环次数(Rainflow counting)输出计算结果(损伤值D,或称疲劳目标值)D1 表示可能出现疲劳破坏8疲劳计算主要环节载荷谱线性叠加原理试验测定的疲劳分类LCF:低周疲劳HCF:高周疲劳疲劳极限Source:Y.Lee et al.:Fatigue Testing and Analysis-Theory
8、and Practice,Elsevier ButterworthHeinemann,20059疲劳分类L C F:低周疲劳疲劳极限S o u r c e:Y.L e高周疲劳与低周疲劳高周疲劳:应力较高,应变较低 一般采用应力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 一般采用应变E-N曲线(需测试相对复杂的E-N曲线)汽车疲劳计算中和温度有关时多为底周疲劳为了使用方便,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,实际上做了如下延伸: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 实践表明这种延伸在汽车疲劳计算中是
9、可以接受的10高周疲劳与低周疲劳高周疲劳:应力较高,应变较低 一般疲劳破坏机理Source:Y.Lee et al.:Fatigue Testing and Analysis-Theory and Practice,Elsevier ButterworthHeinemann,200511疲劳破坏机理S o u r c e:Y.L e e e t a l.:F12积分)应力强度因子)等效应力选取原则与多轴疲劳分析载荷名义应力结构应力缺口应力缺口应变断裂力学断裂力学Source:IIW document XIII-2151-07/XV-1254-07汽车结构疲劳分析常用等效应力参量多轴疲劳分析:危
10、险截面法(J积分积分(应力强度因子应力强度因子1 2 积分)应力强度因子)等效应力选取原则与多轴疲劳分析载荷名损伤积累计算的Miner方法则niNi损伤值:D=niNiSource:Dieter Radaj,Michael Vormwald:Ermdungsfestigkeit,Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995,2003 und 200713损伤积累计算的Mi n e r 方法则n i N i 损伤值:D =n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理光滑试件SN曲线考虑各种影响因素后的SN曲线Miner originalMiner m
11、odifiedMiner elementarySource:Y.Lee et al.:Fatigue Testing and Analysis-Theory and Practice,Elsevier ButterworthHeinemann,200514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理光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,20051
12、5 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S16应变寿命寿命方法Source:Y.Lee et al.:Fatigue Testing and Analysis-Theory and Practice,Elsevier ButterworthHeinemann,20051 6 应变寿命寿命方法S o u r c e:Y.L e e e t a l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
13、寿命方法S o u r c e:S e mi n a r B e t r i e应变寿命寿命方法Source:Seminar Betriebsfestigkeit auf der Grundlage rtlicher Beanspruchungen,TU Darmstadt,11.-13.03.200318应变寿命寿命方法S o u r c e:S e mi n a r B e t r i e损伤参数 P最常用Source:Dieter Radaj,Michael Vormwald:Ermdungsfestigkeit,Springer-Verlag Berlin Heidelberg 199
14、5,2003 und 200719损伤参数 P 最常用S o u r c e:D i e t e r R a d a j,应力20疲劳载荷描述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 Modellierung des Schwingermdungsverhaltens und zur rechnerischenLebensdaueranalyse von endlos kohlenstofffaserverstrkte
15、n Vinylester-Matrixsystemen“,TU Kaiserslautern,2007应力2 0 疲劳载荷描述S ma x 最大应力S ma x S me a n Neuber修正修正目的: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 Heidelberg 1995,2003 und 200721N e u b e r 修正目的:以线弹性应力应变估算弹塑性应力应变线考虑应力梯度将过高的应力修正到接近实际的水
16、平过高的缺口应力接近实际水平的缺口应力Source:Dieter Radaj,Michael Vormwald:Ermdungsfestigkeit,Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995,2003 und 200722考虑应力梯度将过高的应力修正到接近实际的水平过高的缺口应力接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,Elsevier ButterworthHeinemann,2005
17、23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金属材料的SN曲线试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 在同一应力幅水平试验点太少时,以回归中线为纵轴使所有试验点参加统计分布(如红线所示)Source:Y.Lee et al.:Fatigue Testing and Analysis-Theory and Practice,Elsevier ButterworthHeinemann,200524金属材料的S N 曲线试验曲线拟合技术要点 采用双对数线性回归金属材料的SN曲线试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
18、,应力幅度为自变量 在同一应力幅水平试验点太少时,以回归中线为纵轴使所有试验点参加统计分布(如红线所示)考虑存活概率(50%为中线)A50%90%10%A50%10%90%NNSource:Dieter Radaj,Michael Vormwald:Ermdungsfestigkeit,Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995,2003 und 200725金属材料的S N 曲线试验曲线拟合技术要点 A5 0%1 0%26汽车计算常用软件包CAD：CATIAPro/EngineerPre-/Postprocessor:MedinaANSAHyperMeshF
19、E-Solver：NASTRAN(MSC.NASTRAN,NX.NASTRAN)ABAQUSMARCANSYSPERMASLS-DYNAPAM-CRASHRADIOSSSTAR-CD(STAR-CCM+),FLUERENT,POWERFLOW2 6 汽车计算常用软件包C A D：C A T I A P r o/E n g i n e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汽车疲劳计算常用软件D e s i g n L i f e (n C o d
20、e)英国包括焊点焊缝)数据疲劳分析必备条件结构形状尺寸(包括焊点焊缝 数据材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包括焊点焊缝)数据疲劳分析必备条件结构形状尺寸(包括焊点焊缝疲劳分析必备条件Source:nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.029疲劳分析必备条件S o u r c e:n C o d e 2 0 0 4 F30汽车车身车身计算建模示意图Source:26.Europische Karosseriekonferenz,26-27 F
21、eb.2008,Bad Nauheim,Germany3 0 汽车车身车身计算建模示意图S o u r c e:2 6.E u r材料疲劳性能试验Source:nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.031材料疲劳性能试验S o u r c e:n C o d e 2 0 0 4 F疲劳载荷Source:Dieter Radaj,Michael Vormwald:Ermdungsfestigkeit,Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995,2003 und 200732疲劳载荷S o u r c e:D i e t
22、 e r R a d a j,Mi c h时间应力工作疲劳载荷 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时间应力工作疲劳载荷 R a i n f l o w 循环次数计数法应疲劳载荷的获取整车试验场整车试验台零部件试验设备Source:nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.034疲劳载荷的获取整车试验场整车试验台零部件试验设备
23、S o u r c e汽车多体动力学模型Source:Gnther Preschany,Lothar Witte,Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke,Porsche AG,Internet publication35汽车多体动力学模型S o u r c e:G n t h e r P r e s c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,Int
24、ernet publication36汽车多体动力学模型 -轮胎模型S o u r c e:G n t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 publication37汽车多体动力学模型 -轮胎模型S o u r c e:G n t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 a
25、uf der virtuellen Prfstrecke,Porsche AG,Internet publication38汽车多体动力学模型 虚拟路面真实路面虚拟路面S o u r汽车多体动力学模型 -正常路面Source:Gnther Preschany,Lothar Witte,Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke,Porsche AG,Internet publication39汽车多体动力学模型 -正常路面S o u r c e:G n t汽车多体动力学模型 耐久性试验路面Source:Gnther Preschany,
26、Lothar Witte,Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke,Porsche AG,Internet publication40汽车多体动力学模型 耐久性试验路面S o u r c e:G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汽车多体动力学模型 -与有限元模型结合S o u r c e:载荷
27、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 auf der virtuellen Prfstrecke,Porsche AG,Internet publication42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一些特殊的疲劳耐久性问题车门和后备箱开关正常载荷的疲劳耐久性问题非正常载荷(过载过载)对汽车疲劳耐久性的影响Source:Publikationen der BMW Group,Stand 01/0743一些特
28、殊的疲劳耐久性问题车门和后备箱开关正常载荷的疲劳耐久性汽车CAE建模过程Source:MSC.Nastran 2004,Making Connections,Oct.200344汽车C A E 建模过程S o u r c e:MS C.N a s t r a n 2基于匹配网格与非匹配网格的焊点建模成本比较基于匹配网格基于非匹配网格Source:MSC.Nastran 2004,Making Connections,Oct.200345基于匹配网格与非匹配网格的焊点建模成本比较基于匹配网格基于非基于匹配网格)早期的焊点模型(基于匹配网格Source:MSC.Nastran 2004,Makin
29、g Connections,Oct.200346基于匹配网格)早期的焊点模型(基于匹配网格S o u r c e:M基于非匹配网格焊点模型的原理Source:MSC.Nastran 2004,Making Connections,Oct.200347基于非匹配网格焊点模型的原理S o u r c e:MS C.N a s t基于非匹配网格焊点模型实例Source:nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.048基于非匹配网格焊点模型实例S o u r c e:n C o d e 2 0 0基于匹配网格的焊缝模型Source:nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.049基于匹配网格的焊缝模型S o u r c e:n C o d e 2 0 0 4 基于匹配网格的焊缝模型Source:nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.050基于匹配网格的焊缝模型S o u r c e:n C o d e 2 0 0 4 基于非匹配网格的焊缝模型仍在研究阶段Source:MSC.Nastran 2004,Making Connections,Oct.200351基于非匹配网格的焊缝模型仍在研究阶段S o u r c e:MS C.
