用有限元方法辅助和进行疲劳分析设计

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1、东南大学硕士学位论文大E机失事事件达100起之多。在容器、管道、桥梁、船舶、近海结构等工程结构中存在疲劳裂纹并导致灾难性事故的报道也屡见不鲜【32l。2002年8月，美国AmtrakAcefaExpress列车出现疲劳故障14J。AcelaExpress列车连接纽约市，华盛顿特区和波士顿，从纽约市到波士顿的运行时间是3小时20分。2002年8月12日对AcelaExpress列车的例行检查发现一节车厢的侧滑阻尼器支架出现断裂。每节车厢有八个这样的支架，每个角上两个，用于降低车厢绕重心的摆动运动。对其它车厢的检查也发现了类似的疲劳裂纹。8月15日AcelaEx

2、press全面停开．支架部件经过补焊，碾压作为临时修复。AcelaExpress列车8月19日恢复运行，但每次运行后都}=}j染色方法检测疲劳微裂纹。两天后发现新的问题，靠近侧滑阻尼器支架的车厢侧底出现微裂纹，和支架底疲劳破坏属于同一个问题。由于结构和构件本身的复杂性、载荷的随机性、材料性能的离散性，甚至加工过程、使用环境等导致的表面状况差异，精确地预测疲劳寿命往往是困难的。合理的疲劳设计需要对两个基本方面进行研究：一是疲劳破坏判据，即在什么条件下，材料会发生疲劳破坏，二是材料疲劳性能及各有关因素(包括平均应力、应力幅、使用温度、环境介质等)对疲劳性能得影响

3、。1．2．常用的工程疲劳设计方法工程疲劳设计一般有下面几种方法【”11321：l2．1．无限寿命设计：以无限K寿命作为疲劳设计判据，要求构件的设计应力水平低于有关的疲劳极限应力。疲劳极限应力是麻力一寿命曲线上足够长的循环寿命所对应的应力水平。对发动机气缸的阀门弹簧、连轩，轮轴等艮朗承受交变应力的构件，无限寿命设计是一种简单合理的方法。1．22．安全寿命设计：对于不要求无限寿命，或高应力水平的载荷出现的机会很少的构件，可以根据应力一寿命关系、应变一寿命关系或裂纹扩展情况，分析预测构件的使用寿命，在使用寿命结束前修理或更换构件。安全寿命设计在汽车、飞机、压力容器

4、、桥梁等领域被广泛采用。1．2,3．破损安全设计：飞机一类的结构通常不允许有很大的安全系数t因为安全系数大将增加不必要的重量：但又不能因为安全储备不足而造成破坏事故。由于裂纹的存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。破损安全设计的要点是：有冗余的载荷传递路线；结构发生局部开裂后仍具有一定的强度。这种设计常常采用多路传力系统或在结构中布置分段止裂件，以达到破损安全的效果·．2．东南大学颂士学位论文1．2．4．损伤容限设计：这种方法是对破损安全设计的迸一步改进。损伤容限设计采用这样的疲劳设计准则：允许构件在服役期间存在疲劳裂纹，但在构件的疲劳裂纹被检查出来并被维修

5、或更换之前，不能因构件裂纹而导致结构发生破坏。在损伤容限设计中，假定构件中存在着裂纹，用断裂力学方法对其进行分析，通过实验验证在周期性检查能够发现问题之前，裂纹是否会扩展到引起疲劳破坏的尺寸。为了保证容许的裂纹在检查周期内不扩展到引起结构破坏，构件往往采用裂纹扩展缓慢且断裂韧性较高的材料制造。1．3．课题来源及研究意义在我国，机械制造业采用有限元分析方法已有20余年的历史。无论是自行开发的，还是引进的商品化系统．它们在各个发展阶段中，发挥了一定的作用，给各企业带来了巨大的效益。而在疲劳设计计算方面，理论研究还在进行，应用方面，较多的是针对特定构件分析其在特定

6、的载荷下的表现，而缺少成熟完善的疲劳计算方面的CAE工具。在国外，已经有了一些商品化的疲劳设计软件，如nCodeFE-Fatigue，MSC／FATIGUE，SafeTechnologyfe-safef20】【2”。通用的疲劳分析软件具有如下的特点和优点【1)可以对形状复杂的构件进行分析校核。传统的疲劳试验和研究大多以标准化的试样或形状简单的试什作为研究对象，设计手册上也只能找到一些典型设计如轴肩的参考数据。这样在相当程度上限制了传统疲劳设计方法的应用范围。现有的商品化有限元软件包对形状复杂的构件有非常发达完善的建模能力，包括三维实体模型，板壳模型，轴对称模

7、型等．在后面的论述中将会看到，有限元方法对连续介质的模拟计算能力是对传统疲劳设计方法非常有效的补充。(2)可以正确有效的将材料的疲劳测试数据用于特定工况的计算。与(1)的讨论类似，传统的疲劳试验大多以对称循环进行试验得出测试结果，而实际应用中存在许多对称循环以外的工况，通用的疲劳分析软件可以方便的进行平均应力修正。对平均应力修正的研究早在Gerber和G00dman的时代就已经开始了，通用分析软件无疑将使这些研究成果更加实用更加方便一另一方面，通过适当的扩展，通用分析软件可以为新的平均应力修正理论提供～个方便的试验环境，用以对照实验检验理论。-3．东南太学硕

8、士学位论文(3)可以用实测数据或软件模拟的载荷工况做