林晓斌 博士 现代汽车一体化疲劳耐久性工程

1©nCode2000Slide1现代汽车一体化疲劳耐久性工程英国nCode国际有限公司林晓斌博士Slide2讲座概要讲座概要•疲劳简介•疲劳寿命估计原理•解决疲劳问题的策略•一体化抗疲劳设计管理方法•结语2©nCode2000Slide3疲劳简介Slide4疲劳失效疲劳失效•在美国已经得到确认，由于产品的疲劳问题所引起的损失占国民生产总值的4％左右(约1200亿美元).•中国机械工程手册在第6章“结构疲劳强度设计”中指出：机械零构件80％以上为疲劳破坏，因此对于承受循环载荷的零构件都应进行疲劳强度设计。3Slide5疲劳失效所涉及的领域疲劳失效所涉及的领域•汽车、航天、航空、航海、能源、国防、铁路、海洋工程及一般的机器制造等工业领域铁路国防工程车辆机器能源农用车辆航空航天轿车Slide6什么是金属疲劳？什么是金属疲劳？•疲劳是一种机械损伤过程，在这一过程中即使名义应力低于材料的屈服强度，载荷的反复变化也将引起失效•疲劳一般包含裂纹萌生和随后的裂纹扩展两个过程，循环塑性变形是金属产生疲劳的主要原因4Slide7小裂纹的起始和扩展小裂纹的起始和扩展~1mm第一阶段第二阶段位错滑移Slide8长裂纹的扩展长裂纹的扩展多裂纹扩展耦合单裂纹扩展5Slide9疲劳发展简史(1/2)疲劳发展简史(1/2)•1839年，Poncelet首先使用“疲劳”一词。•1849年，英国机械工程学会（IMechE）辩论结晶理论。•1864年，Fairbairn用交变载荷对船链进行了实验。•1871年，Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究。发展了旋转弯曲疲劳试验，S-N曲线及疲劳极限概念。•1886年，Bauschinger首先确证了应力-应变滞回线。•1903年，Ewing和Humphrey证明结晶理论是不正确的，指出疲劳是由于塑性变形所引起。•1910年，Bairstow调查了应变循环中的应力-应变响应，提出了循环硬化和循环软化概念。•1920年，Griffith研究了玻璃中的裂纹，由此诞生了断裂力学。Slide10Wohler疲劳试验Wohler疲劳试验1871年，Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究。发展了旋转弯曲疲劳试验，S-N曲线及疲劳极限概念。6Slide11Wohler曲线和疲劳极限Wohler曲线和疲劳极限UnnotchedShaftLog(Fatiguelife疲劳寿命)StressAmplitude应力幅NotchedShaft光滑试样缺口试样Slide12疲劳发展简史(2/2)疲劳发展简史(2/2)•1955年，Manson和Coffin研究了应变条件控制下的疲劳，热循环、低周疲劳及塑性应变问题。•1959年，Paris首先提出了一种用断裂力学参数处理裂纹扩展的方法。•1961年，Neuber建议了一种方法，估计应力集中处的弹塑性应力应变。•1968年，Matsuishi和Endo提出了雨流循环计数方法。•1981年，能够进行合理疲劳计算的计算机得到了发展。•1982年，nCode国际有限公司成立，开发和销售疲劳寿命预测软件，提供疲劳咨询服务。•1990年，nCode和PDA工程公司联合推出了P/FATIGUE(现改名为MSC/FATIGUE)，它和nCode发展的nSoft软件一起组成了第一个完整的IDM软件系列产品。•2002年，nCode推出了ICE-flow7Slide13引自美国IIIinois大学Socie教授的评论，1990“尽管疲劳研究已经进行了150年，无意识的疲劳失效仍然发生，更多的研究不能减少疲劳失效的发生率－更多的教育将能做到！”Despite150yearsoffatigueresearch,unintendedfatiguefailuresstilloccur.MoreresearchwillNOTreducetheincidenceoffatiguefailure-moreeducationwill!©nCode2000Slide14疲劳寿命估计原理8Slide15三种基本的疲劳寿命估计方法三种基本的疲劳寿命估计方法•S-N(总寿命法)名义应力或弹性应力和总寿命之间的关系•e-N(裂纹起始寿命法)局部应变和裂纹起始寿命之间的关系•LEFM(裂纹扩展寿命法)应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系这些方法依赖于相似性！Slide16Nf=Ni+NpNf=Ni+Np总寿命=裂纹起始寿命+裂纹扩展寿命名义应力法S-N局部应变法(e-N)断裂力学法(LEFM)9Slide17nomσσnom同样的名义应力，同样的疲劳总寿命!名义应力(S-N)法名义应力(S-N)法对付高周疲劳Slide18S-N曲线定义S-N曲线定义Log应力范围Log总寿命疲劳极限1b1b21()SCNb=110Slide19局部应变(e-N)法局部应变(e-N)法εε对付低周疲劳同样的局部应变，同样的裂纹起始寿命!Slide20循环应力应变和应变寿命曲线定义循环应力应变和应变寿命曲线定义εσσaaanEk=+′⎛⎝⎜⎞⎠⎟′1σaεa循环应力应变曲线LogNfLogεa()()εσεaffbffcENN=+′′22应变寿命曲线11Slide21裂纹扩展寿命法裂纹扩展寿命法应用于损伤容限设计同样的应力强度因子，同样的裂纹扩展速率!Slide22ΔK-da/dN曲线定义ΔK-da/dN曲线定义()ddaNCKm=ΔΔKth1959年，Paris首先提出了一种用断裂力学参数处理裂纹扩展的方法!1E01E11E21E-111E-101E-91E-81E-71E-61E-5CrossPlotofData:TESTDATAR=0R=0.5R=0.8DeltaKApparent(MPam1/2)da/dN(m/cycle)da/dNΔKIIIIII12Slide23其它高等疲劳寿命估计方法其它高等疲劳寿命估计方法•多轴疲劳•频域疲劳•热机疲劳•腐蚀疲劳•复合材料疲劳•接触疲劳•?..Slide24疲劳技术...疲劳技术...•疲劳技术是非常老的的技术(40－160岁)•它由许多经验公式组成。这些经验公式根据一些理论框架，从材料、零件或结构的疲劳试验数据中拟合而成•它们一般能够解决一些相对应的疲劳问题。工程师一般不需要都理解所有这些疲劳技术的细节•但通过一定的培训和他们本身具有的经验，工程师们能使用这些疲劳技术实现一体化耐久管理目标。13Slide25引自英国Sheffield大学RodA.Smith教授的话，1990年“工程是一种近似对而不是完全错的艺术”Engineeringistheartofbeingapproximatelyrightratherthanexactlywrong©nCode2000Slide26解决疲劳问题的策略14Slide27解决疲劳问题的策略一解决疲劳问题的策略一用户使用CustomerUsage用户使用CustomerUsage产品寿命ProductLife产品寿命ProductLifeSlide28解决疲劳问题的策略二解决疲劳问题的策略二加速的考核试验(道路试验)AcceleratedSign-offTest加速的考核试验(道路试验)AcceleratedSign-offTest重新设计Re-Design重新设计Re-Design用户使用CustomerUsage用户使用CustomerUsage产品寿命ProductLife产品寿命ProductLife15Slide29解决疲劳问题的策略三解决疲劳问题的策略三加速的考核试验(道路试验)AcceleratedSign-offTest加速的考核试验(道路试验)AcceleratedSign-offTest重新设计Re-Design重新设计Re-Design用户使用CustomerUsage用户使用CustomerUsage产品寿命ProductLife产品寿命ProductLife零部件模拟试验SimulatedComponentTest零部件模拟试验SimulatedComponentTest实测工作载荷MeasuredServiceLoading实测工作载荷MeasuredServiceLoadingSlide30解决疲劳问题的策略四解决疲劳问题的策略四重新设计优化重新设计优化零部件模拟试验零部件模拟试验计算机辅助疲劳寿命模拟计算机辅助疲劳寿命模拟用户使用情况用户使用情况实测载荷实测载荷应力分析应力分析材料性能材料性能产品寿命产品寿命关联Correlation产品寿命产品寿命加速的Sign-off试验加速的Sign-off试验一体化解决疲劳问题的策略16Slide31传统的机械产品开发传统的机械产品开发•基本上按静载荷设计，设计时可能使用疲劳极限强度•对一些重要的零部件做一些常规验证性疲劳试验，各行业可能有自己的标准•对样机按标准可能进行最后的耐久考核。基本上用策略一和二，少数单位可能已进入策略三阶段Slide32传统的机械产品开发传统的机械产品开发制造制造试验试验开始批量生产开始批量生产有问题码?时间够吗？不够新产品设计新产品设计修改设计修改设计够有没有17Slide33传统的机械产品开发传统的机械产品开发•没有考虑实际工况下的载荷动态特点。•设计大多凭经验，翻手册。•所规定的常规疲劳试验不能代表实际工况。•样机的考核试验和用户的使用状况脱节。•修改设计盲目性很大。•许多零部件设计太过头，而有些零部件又经常发生疲劳破坏。•同一零部件中有些部位裕量太大，而有些部位疲劳寿命达不到要求。•产品开发周期长，成本高。•如果是仿形设计，则可能仿了国外不好的设计。©nCode2000Slide34一体化抗疲劳设计管理18Slide35一体化抗疲劳设计管理的动力一体化抗疲劳设计管理的动力短的开发周期低的开发成本高的市场竞争力更快、更经济、更好、更聪明、更有竞争力!来自市场的压力Slide36一体化过程一体化过程新产品构思新产品构思分析优化分析优化以前的经验以前的经验制造制造试验试验分析通过?试验通过?开始批量生产开始批量生产测量测量试验分析关联试验分析关联没有通过通过没有通过通过19Slide37产品开发周期及成本比较产品开发周期及成本比较批量生产试制调整试验机械样机概念开发周期累计成本设计CIE耐久分析工程样机批量生产工程样机机械样机概念传统的设计开发计算机一体化工程(CIE)设计Slide3820Slide39一体化抗疲劳设计管理的特点一体化抗疲劳设计管理的特点•以寿命为设计目标•全方位调查用户用途及使用环境•在设计阶段应用疲劳理论进行寿命分析，优化设计•试验只对“好”的设计进行•用试验关联验证理论，用理论指导试验，两者互相配合取得信心•各部门互相配合•产品质量高、开发周期短、开发成本低重新设计优化重新设计优化零部件模拟试验零部件模拟试验计算机辅助疲劳寿命模拟计算机辅助疲劳寿命模拟用户使用情况用户使用情况实测载荷实测载荷应力分析应力分析材料性能材料性能产品寿命产品寿命关联Correlation产品寿命产品寿命加速的考核试验加速的考核试验Slide40计算机技术的发展使得一体化解决疲劳问题成为可能！实现在线数据采集、储存实现对随机信号的雨流计数实现疲劳损伤的逐周计算实现RPC迭代技术实现对复杂结构的有限元计算?..21Slide41疲劳分析和疲劳试验疲劳分析和疲劳试验•疲劳试验不是优化设计的好方法，但验证产品的疲劳性能一般需要进行疲劳试验。•有用的疲劳分析依赖于好的疲劳试验数据，同时也需要得到试验验证。•疲劳分析和疲劳试验都不能给出“正确”的疲劳答案，因此两者不是一种竞争关系，•有分析又有试验的一体化疲劳解决方案通常能给出最佳的结果。Slide42试验怎样支持分析？试验怎样支持分析？•提供材料疲劳性能•验证应力应变分析结果•关联寿命预见结果•提供载荷数据•进行最后的产品耐久考核22Slide43分析怎样支持试验？分析怎样支持试验？•消除不必要的试验•合理地加速试验•帮助选择应变计及定位•设计有效的试验Slide44一体化抗疲劳设计管理的工程任务