汽车疲劳耐久性技术现状及发展趋势.ppt

,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,1,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）,2,2,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 6.0,3,3,4,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,4,5,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,5,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,.,6,6,1),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,.,7,7,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,8,8,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,2005,9,9,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,10,10,疲劳破坏机理,Source:Y.Lee et al.:Fatigue Testing and Analysis-Theory and Practice,Elsevier ButterworthHeinemann,2005,11,11,12,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,12,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 2007,13,13,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,2005,14,14,15,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,2005,15,16,应变寿命,寿命方法,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:Seminar Betriebsfestigkeit auf der Grundlage rtlicher Beanspruchungen,TU Darmstadt,11.-13.03.2003,17,17,应变寿命,寿命方法,Source:Seminar Betriebsfestigkeit auf der Grundlage rtlicher Beanspruchungen,TU Darmstadt,11.-13.03.2003,18,18,损伤参数,P,最常用,Source:Dieter Radaj,Michael Vormwald:Ermdungsfestigkeit,Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995,2003 und 2007,19,19,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,2007,20,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 2007,21,21,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 2007,22,22,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,2005,23,23,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,2005,24,24,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 2007,25,25,26,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,26,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,27,27,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 6.0,28,28,疲劳分析必备条件,Source:nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.0,29,29,30,汽车车身,车身计算建模示意图,Source:26.Europ,ische Karosseriekonferenz,26-27 Feb.2008,Bad Nauheim,Germany,30,材料疲劳性能试验,Source:nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.0,31,31,疲劳载荷,Source:Dieter Radaj,Michael Vormwald:Ermdungsfestigkeit,Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995,2003 und 2007,32,32,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 2007,33,33,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 6.0,34,34,汽车多体动力学模型,Source:Gnther Preschany,Lothar Witte,Gesamtfahrzeugmodell auf der virtuellen Prfstrecke,Porsche AG,Internet publication,35,35,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,36,36,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,37,37,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,38,38,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,39,39,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,40,40,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,41,41,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,42,42,一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 01/07,43,43,汽车,CAE,建模过程,Source:MSC.Nastran 2004,Making Connections,Oct.2003,44,44,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.2003,45,45,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.2003,46,46,基于非匹配网格焊点模型的原理,Source:MSC.Nastran 2004,Making Connections,Oct.2003,47,47,基于非匹配网格焊点模型实例,Source:nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.0,48,48,基于匹配网格的焊缝模型,Source:nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.0,49,49,基于匹配网格的焊缝模型,Source:nCode 2004 FE-Fatigue Overview Release 6.0,50,50,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.2003,51,51,