汽车疲劳耐久性技术现状及发展趋势bxhv

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,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 6.0,3,4,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, 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经验积累, 并无严格的定量关系.,6,1),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. 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.,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, 2005,9,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, 2005,11,12,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: 危险截面法,(J积分,(应力强度因子,损伤积累计算的Miner方法则,n,i,N,i,损伤值:,D,=,n,i,N,i,Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007,13,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 original,Miner modified,Miner elementary,Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 2005,14,15,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,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.-13.03.2003,17,应变寿命,寿命方法,Source: Seminar Betriebsfestigkeit auf der Grundlage rtlicher Beanspruchungen, TU Darmstadt, 11.-13.03.2003,18,损伤参数,P,最常用,Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007,19,应力,20,疲劳载荷描述,S,max,S,min,最大应力,最小应力,S,max,S,mean,平,均应力,S,mean,S,min,R=,S,min,S,max,应力比,时间,S,max,S,min,Source: Christoph Bach, Dissertation, “Beitrag zur Modellierung des Schwingermdungsverhaltens und zur rechnerischen,Lebensdaueranalyse 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 Heidelberg 1995, 2003 und 2007,21,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,接近实际水平的缺口应力,Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007,22,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,K,t,=,k,n,Source: Y. Lee et al.: Fatigue Testing and Analysis - Theory and Practice, Elsevier ButterworthHeinemann, 2005,23,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, 2005,24,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), 考虑存活概率 (50%为中线),A,50%,90%,10%,A,50%,10%,90%,N,N,Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007,25,26,汽车计算常用软件包,CAD,：,CATIA,Pro/Engineer,Pre-/Postprocessor:,Medina,ANSA,HyperMesh,FE-Solver,：,NASTRAN (MSC.NASTRAN, NX.NASTRAN),ABAQUS,MARC,ANSYS,PERMAS,LS-DYNA,PAM-CRASH,RADIOSS,STAR-CD(STAR-CCM+), FLUERENT, POWERFLOW,汽车疲劳计算常用软件,DesignLife (nCode),FEMFAT,FEMSITE,FE-SAFE,LMS 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,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 6.0,28,疲劳分析必备条件,Source: nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.0,29,30,汽车车身,车身计算建模示意图,Source: 26. Europische Karosseriekonferenz, 26-27 Feb. 2008, Bad Nauheim, Germany,材料疲劳性能试验,Source: nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.0,31,疲劳载荷,Source: Dieter Radaj, Michael Vormwald: Ermdungsfestigkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003 und 2007,32,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 2007,33,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 6.0,34,汽车多体动力学模型,Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication,35,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 publication,36,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 publication,37,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 publication,38,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 publication,39,汽车多体动力学模型,耐久性试验路面,Source: Gnther Preschany, Lothar Witte, Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication,40,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 publication,41,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 auf der virtuellen Prfstrecke, Porsche AG, Internet publication,42,一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 01/07,43,汽车CAE建模过程,Source: MSC.Nastran 2004, Making Connections, Oct. 2003,44,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. 2003,45,基于匹配网格),早期的焊点模型(基于匹配网格,Source: MSC.Nastran 2004, Making Connections, Oct. 2003,46,基于非匹配网格焊点模型的原理,Source: MSC.Nastran 2004, Making Connections, Oct. 2003,47,基于非匹配网格焊点模型实例,Source: nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.0,48,基于匹配网格的焊缝模型,Source: nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.0,49,基于匹配网格的焊缝模型,Source: nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.0,50,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. 2003,51,