重型车辆疲劳寿命预测方法研究
重型车辆疲劳寿命预测方法研究[20200106202125]
本文针对重型车辆及其易损零部件，研究其疲劳寿命的预测方法，分析影响其疲劳的主要因素，研究疲劳寿命分析的基本原理和方法。以重型车辆副车架为例，对其疲劳寿命进行预测。对其进行三维建模与有限元分析，获得其结构应力分布，并确定副车架的疲劳损伤热点。试验场条件下测取副车架的应变载荷，通过频谱分析与低通滤波等计算副车架结构各测点的最大主应力。利用局部应力应变法与Miner准则进行应力集中修正，完成副车架的疲劳寿命预估。预测出该副车架疲劳寿命为9120h。 由于重型车辆由于常处在高速重载工况下工作，因此其零部件的疲劳寿命会受到严重影响。零部件的疲劳破坏也是机械、结构失效的最常见形式。所以对于重型车辆的疲劳寿命是预测就显得尤为重要。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:重型车辆,疲劳寿命,疲劳试验,寿命预测
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 课题的国内外发展现状 2
1.3 课题的主要内容 3
2 影响车辆疲劳的主要因素 3
2.1 疲劳的基本概念 3
2.2 车辆疲劳寿命的影响因素 4
3 疲劳寿命分析 7
3.1 材料的S-N曲线 7
3.2 累积损伤理论 9
3.3 疲劳寿命预测方法 10
4 重型车辆副车架疲劳寿命预测 12
4.1 结构件建模与有限元分析 12
4.2 副车架载荷测试 14
4.3 载荷谱编制 16
4.4 重型车辆副车架疲劳寿命预估 17
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
1．1 课题的研究背景及意义
随着中国经济的快速增长，使得基础建设、高速公路、物流运输业和汽车制造业的结构加快调整，同时国内高速公路网的快速建设、按重计费等相关制度的退出，又使国内重型汽车市场出现了很大的变化，极大的带动了人们对重型车的需求，也进一步推动了重型车辆产业的发展。
和中、轻型车相比，重型车具有油耗低、省人工、运输成本低、经济效益高等优势，所以渐渐成为公路运输、工程建设的主力军，而且与重型车密切相关的能源、原材料等基础产业的发展也将随着国民经济的发展而加快发展，同时石油和矿山开采、水电工程、地质勘探及道路城市建设等领域也对重型车有较大的需求，重型车也是我国汽车产业对外出口的主要产品。随着人们对商品耐久性、可靠性的重视，相对于乘用车和客车的环保、安全性的重要度而言，重型车将更加关注产品的经济性、耐久性和可靠性[1]。
在中国，疲劳耐久性问题更是普遍存在，并且已经成为制约国产产品提高国际竞争力的最重要因素之一。据统计机械零件因为交变载荷而引起的疲劳断裂占机械结构破坏事故总数的 50%～90%，特别是大型化、复杂化的机械零件，疲劳破坏更是一个重要的因素，是机械、结构失效的最常见形式。因此对疲劳破坏问题的研究应该更加重视，重点在于疲劳寿命的分析预测。因此，对车辆的疲劳寿命预测方法的研究具有重大意义[2]。
1．2 课题的国内外发展现状
德国是欧洲国家汽车产业最发达的国家。他们在疲劳研究方面的历史最为悠久。比如提出了S-N曲线概念的Wohler，他被称为“疲劳试验之父”。目前，在德国享有盛誉的疲劳研究机构是弗朗霍夫学会工作强度研究所。经过多年的研究，他们积累了大量的汽车结构抗疲劳设计和研究的经验。
美国汽车工程师学会(SAE)是国际上最权威的汽车研究机构。他们在60年代出版的《零件疲劳设计手册》，至今仍然是汽车工程师进行设计和试验的重要工具。1963年，美国材料试验学会(ASTM)的E9疲劳委员会发表了《疲劳试验与疲劳数据的统计分析指南》，开创了疲劳试验的统计研究方法。1974年SAE把局部应力一一应变分析法纳入汽车、飞机零部件设计大纲。进入80年代以后，随着计算机技术的发展，疲劳设计和疲劳试验广泛采用计算机作为工具，既促进了疲劳理论的发展，又增强了试验能力，使汽车零部件的疲劳强度计算与疲劳寿命估算更趋准确合理。最著名的，当属MTS公司开发的汽车零部件试验系统。该系统采用电液伺服控制，进行随机加载，可以准确模拟汽车实际使用工况，真实再现汽车工作环境载荷，使试验结果准确可信。
我国的汽车工业自主设计开发产品时间较短，设计方而长期借鉴前苏联的经验。近年来，随着自主开发产品能力的提高，汽车零部件的疲劳设计有了较大的发展。80年代初，我国著名汽车专家孟少农教授将SAE的《零件疲劳设计手册》翻译成中文，有力的促进了国内汽车设计水平的提高。各高等院校和科研机构都对疲劳理论和试验进行了深入研究。
长春汽车研究所有第一汽车制造厂和吉林工业大学为依托，技术力量雄厚。近年来，他们对解放牌系列汽车的前轴、钢板弹簧，等零部件的道路载荷谱进行了实地测量，通过分析研究，建立了这些零部件的基本载荷谱，估算了疲劳寿命，并进行了大量的疲劳试验，建立了这些零部件实际使用寿命与台架寿命之间的当量关系网，提出了疲劳试验强化的量化方法极大的推动了一汽集团汽车产品的开发。
东风汽车工程研究院结构强度室多年来一直致力于汽车零部件疲劳设计与道路载荷谱的研究工作。鲁三才高级工程师等人以东风汽车公司生产的EQ140载货汽车后桥、车架、钢板弹簧、传动轴等零部件为主要对象，先后进行了道路载荷谱测定。S-N曲线试验与疲劳试验等实际工作，并对其基本载荷谱进行了深入研究，建树颇丰。
1．3课题的主要内容
(1)分析影响车辆疲劳的主要因素；
(2)以重型车辆副车架为例，选择车辆零部件疲劳寿命的预测方法；
(3)提出预测疲劳寿命的方法，对重型车辆副车架进行寿命估算。
2 影响车辆疲劳的主要因素
2.1疲劳的基本概念
2.1.1 疲劳寿命
疲劳寿命是指结构或机械直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。所谓疲劳破坏或疲劳失效的定义或准则是多种多样的。从疲劳损伤发展过程看，有二阶段疲劳寿命模型、三阶段疲劳寿命模型和多阶段疲劳寿命模型。二阶段疲劳寿命模型将疲劳寿命分为裂纹萌生和裂纹扩展两个部分；三阶段疲劳寿命模型认为疲劳损伤过程由无裂纹、小裂纹和大裂纹三个阶段组成；多阶段疲寿命模型将小裂纹细分为微观小裂纹、物理小裂纹和结构小裂纹三个阶段。
上述模型中各个阶段的疲劳寿命之和称为疲劳全寿命。从设计准则分析，又有安全寿命、经济寿命、可靠性寿命、使用寿命设计寿命和声誉寿命等等。
2.1.2 疲劳破坏的三个阶段
疲劳破坏的过程是：零部件在循环再和作用下，在局部的最高应力处，最弱的及应力最大的晶粒上形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展，最终导致疲劳断裂。
工程中的疲劳破坏过程可分为以下几个阶段：（1）早期的循环变形和损伤；（2）微裂纹形成；（3）短裂纹扩展;（4）宏观长裂纹扩展；（5）最终疲劳断裂。目前，疲劳裂纹的产生一般被分为两个阶段，一般习惯把短裂纹以前的阶段命名为疲劳裂纹萌生阶段，宏观裂纹扩展部分命名为疲劳裂纹扩展阶段。
2.1.3 疲劳破坏的特征
疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质差别：
（1）静力破坏是一次最大载荷下的破坏；疲劳破坏是多次反复载荷作用下产生的破坏，它不是短期内发生的，而要经过一定的时间，甚至很长的时间才发生的破坏。
（2）当静应力小于屈服极限或强度极限时，零件不会发生静力破坏；而当交变应力远小于静强度极限时，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就会有可能发生。
本文针对重型车辆及其易损零部件，研究其疲劳寿命的预测方法，分析影响其疲劳的主要因素，研究疲劳寿命分析的基本原理和方法。以重型车辆副车架为例，对其疲劳寿命进行预测。对其进行三维建模与有限元分析，获得其结构应力分布，并确定副车架的疲劳损伤热点。试验场条件下测取副车架的应变载荷，通过频谱分析与低通滤波等计算副车架结构各测点的最大主应力。利用局部应力应变法与Miner准则进行应力集中修正，完成副车架的疲劳寿命预估。预测出该副车架疲劳寿命为9120h。 由于重型车辆由于常处在高速重载工况下工作，因此其零部件的疲劳寿命会受到严重影响。零部件的疲劳破坏也是机械、结构失效的最常见形式。所以对于重型车辆的疲劳寿命是预测就显得尤为重要。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:重型车辆,疲劳寿命,疲劳试验,寿命预测
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 课题的国内外发展现状 2
1.3 课题的主要内容 3
2 影响车辆疲劳的主要因素 3
2.1 疲劳的基本概念 3
2.2 车辆疲劳寿命的影响因素 4
3 疲劳寿命分析 7
3.1 材料的S-N曲线 7
3.2 累积损伤理论 9
3.3 疲劳寿命预测方法 10
4 重型车辆副车架疲劳寿命预测 12
4.1 结构件建模与有限元分析 12
4.2 副车架载荷测试 14
4.3 载荷谱编制 16
4.4 重型车辆副车架疲劳寿命预估 17
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
1．1 课题的研究背景及意义
随着中国经济的快速增长，使得基础建设、高速公路、物流运输业和汽车制造业的结构加快调整，同时国内高速公路网的快速建设、按重计费等相关制度的退出，又使国内重型汽车市场出现了很大的变化，极大的带动了人们对重型车的需求，也进一步推动了重型车辆产业的发展。
和中、轻型车相比，重型车具有油耗低、省人工、运输成本低、经济效益高等优势，所以渐渐成为公路运输、工程建设的主力军，而且与重型车密切相关的能源、原材料等基础产业的发展也将随着国民经济的发展而加快发展，同时石油和矿山开采、水电工程、地质勘探及道路城市建设等领域也对重型车有较大的需求，重型车也是我国汽车产业对外出口的主要产品。随着人们对商品耐久性、可靠性的重视，相对于乘用车和客车的环保、安全性的重要度而言，重型车将更加关注产品的经济性、耐久性和可靠性[1]。
在中国，疲劳耐久性问题更是普遍存在，并且已经成为制约国产产品提高国际竞争力的最重要因素之一。据统计机械零件因为交变载荷而引起的疲劳断裂占机械结构破坏事故总数的 50%～90%，特别是大型化、复杂化的机械零件，疲劳破坏更是一个重要的因素，是机械、结构失效的最常见形式。因此对疲劳破坏问题的研究应该更加重视，重点在于疲劳寿命的分析预测。因此，对车辆的疲劳寿命预测方法的研究具有重大意义[2]。
1．2 课题的国内外发展现状
德国是欧洲国家汽车产业最发达的国家。他们在疲劳研究方面的历史最为悠久。比如提出了S-N曲线概念的Wohler，他被称为“疲劳试验之父”。目前，在德国享有盛誉的疲劳研究机构是弗朗霍夫学会工作强度研究所。经过多年的研究，他们积累了大量的汽车结构抗疲劳设计和研究的经验。
美国汽车工程师学会(SAE)是国际上最权威的汽车研究机构。他们在60年代出版的《零件疲劳设计手册》，至今仍然是汽车工程师进行设计和试验的重要工具。1963年，美国材料试验学会(ASTM)的E9疲劳委员会发表了《疲劳试验与疲劳数据的统计分析指南》，开创了疲劳试验的统计研究方法。1974年SAE把局部应力一一应变分析法纳入汽车、飞机零部件设计大纲。进入80年代以后，随着计算机技术的发展，疲劳设计和疲劳试验广泛采用计算机作为工具，既促进了疲劳理论的发展，又增强了试验能力，使汽车零部件的疲劳强度计算与疲劳寿命估算更趋准确合理。最著名的，当属MTS公司开发的汽车零部件试验系统。该系统采用电液伺服控制，进行随机加载，可以准确模拟汽车实际使用工况，真实再现汽车工作环境载荷，使试验结果准确可信。
我国的汽车工业自主设计开发产品时间较短，设计方而长期借鉴前苏联的经验。近年来，随着自主开发产品能力的提高，汽车零部件的疲劳设计有了较大的发展。80年代初，我国著名汽车专家孟少农教授将SAE的《零件疲劳设计手册》翻译成中文，有力的促进了国内汽车设计水平的提高。各高等院校和科研机构都对疲劳理论和试验进行了深入研究。
长春汽车研究所有第一汽车制造厂和吉林工业大学为依托，技术力量雄厚。近年来，他们对解放牌系列汽车的前轴、钢板弹簧，等零部件的道路载荷谱进行了实地测量，通过分析研究，建立了这些零部件的基本载荷谱，估算了疲劳寿命，并进行了大量的疲劳试验，建立了这些零部件实际使用寿命与台架寿命之间的当量关系网，提出了疲劳试验强化的量化方法极大的推动了一汽集团汽车产品的开发。
东风汽车工程研究院结构强度室多年来一直致力于汽车零部件疲劳设计与道路载荷谱的研究工作。鲁三才高级工程师等人以东风汽车公司生产的EQ140载货汽车后桥、车架、钢板弹簧、传动轴等零部件为主要对象，先后进行了道路载荷谱测定。S-N曲线试验与疲劳试验等实际工作，并对其基本载荷谱进行了深入研究，建树颇丰。
1．3课题的主要内容
(1)分析影响车辆疲劳的主要因素；
(2)以重型车辆副车架为例，选择车辆零部件疲劳寿命的预测方法；
(3)提出预测疲劳寿命的方法，对重型车辆副车架进行寿命估算。
2 影响车辆疲劳的主要因素
2.1疲劳的基本概念
2.1.1 疲劳寿命
疲劳寿命是指结构或机械直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。所谓疲劳破坏或疲劳失效的定义或准则是多种多样的。从疲劳损伤发展过程看，有二阶段疲劳寿命模型、三阶段疲劳寿命模型和多阶段疲劳寿命模型。二阶段疲劳寿命模型将疲劳寿命分为裂纹萌生和裂纹扩展两个部分；三阶段疲劳寿命模型认为疲劳损伤过程由无裂纹、小裂纹和大裂纹三个阶段组成；多阶段疲寿命模型将小裂纹细分为微观小裂纹、物理小裂纹和结构小裂纹三个阶段。
上述模型中各个阶段的疲劳寿命之和称为疲劳全寿命。从设计准则分析，又有安全寿命、经济寿命、可靠性寿命、使用寿命设计寿命和声誉寿命等等。
2.1.2 疲劳破坏的三个阶段
疲劳破坏的过程是：零部件在循环再和作用下，在局部的最高应力处，最弱的及应力最大的晶粒上形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展，最终导致疲劳断裂。
工程中的疲劳破坏过程可分为以下几个阶段：（1）早期的循环变形和损伤；（2）微裂纹形成；（3）短裂纹扩展;（4）宏观长裂纹扩展；（5）最终疲劳断裂。目前，疲劳裂纹的产生一般被分为两个阶段，一般习惯把短裂纹以前的阶段命名为疲劳裂纹萌生阶段，宏观裂纹扩展部分命名为疲劳裂纹扩展阶段。
2.1.3 疲劳破坏的特征
疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质差别：
（1）静力破坏是一次最大载荷下的破坏；疲劳破坏是多次反复载荷作用下产生的破坏，它不是短期内发生的，而要经过一定的时间，甚至很长的时间才发生的破坏。
（2）当静应力小于屈服极限或强度极限时，零件不会发生静力破坏；而当交变应力远小于静强度极限时，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就会有可能发生。
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