基于有限元法的汽车构件疲劳寿命分析(黄民锋)_机械研究与应用

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1、基于有限元法的汽车构件疲劳分析的研究/黄民锋江迎春基于有限元法的汽车构件疲劳寿命分析黄民锋江迎春（合肥车桥有限公司合肥工业大学合肥230009）摘要：对汽车构件结构疲劳分析和寿命预测方法即静态疲劳分析方法和总寿命S-N预测方法进行了介绍。针对某种型号轿车的悬架，应用多体动力学软件ADAMS构建了悬架的虚拟样机，进行了动力学仿真分析。并应用MSC系列有限元分析和疲劳软件对下控制臂进行了分析，计算了其应力特性和疲劳寿命。关键词：有限元；疲劳分析；S-N疲劳分析AnalyzingfatiguelifeofautomobilecomponentsBasedonFEM

2、HUANGMin-fengJIANGYing-chun(HeFeiAxleCo.LtdHeFeiUniversityofTechnologyHeFei230009)Abstract：IntroducethemethodofautomobilecomponentfatigueAnalysiswhicharestaticstatefatigueandS-NfatigueforecastThevirtualprototypesuspensionofsomekindofautomobilewasestablishedusingADAMSandthedynamicsi

3、mulationwascarriedout．AnalyzethelowcontrolarmbyMSC.FEMandfatiguesoftwareandcalculatethestresscharacteristicsandfatiguelifeofthelowcontrolarm．Keywords：FiniteElement；Fatigueanalysis；S-Nfatigueanalysis基于有限元法的汽车构件疲劳分析的研究/黄民锋江迎春1前言车辆在行驶过程中，各零部件要受到各种交变载荷，这种交变载荷一般低于拉伸强度极限，在这种交变载荷反复作用下，会发生

4、裂纹萌生和扩展并导致突然断裂，这种现象称为疲劳破坏,在技术改进和研究开发中，了解这种破坏形式对车辆零部件的强度影响作用.具有极其重要的意义。因此在汽车产品的研制过程中，需要对零部件进行大量的台架试验和整车耐久性试验，不仅试验费用高、周期长，而且问题大多是出现在产品设计完成之后，对设计更改带来一定难度．通过有限元疲劳分析，可以在产品设计初期对整车的耐久性进行预测，找到结构的薄弱环节，提出合理的改进方案，还可以大幅度降低或最终取代部分疲劳试验[1-2]。本文将结合工程实例，对各种疲劳分析方法对汽车构件的分析及适用范围进行评述。2有限元疲劳分析方法依据载荷类型的不

5、同，有限元疲劳分析方法通常包括静态(或准静态)疲劳分析方法、瞬态疲劳分析方法和振动疲劳分析方法．不同方法有着不同的计算效率和适用范围，对于给定的问题，应该根据结构所受载荷及其动态特性不同，判断并选择正确的疲劳分析方法．如果结构的一阶固有频率大于3倍载荷频率，可采用静态(或者准静态)疲劳分析方法，如果结构的固有频率与载荷的频率接近，此时需要采用动态疲劳分析方法。而对于在随机载荷作用下的零件进行疲劳要进行瞬态疲劳分析方法[1]。3疲劳寿命S——N方法预测方法疲劳寿命的估算主要分为裂纹形成阶段寿命估算和裂纹扩展阶段寿命估算两部分。常用的疲劳寿命计算方法包括名义应力

6、寿命法、局部应变寿命法和裂纹扩展计算法。针对样例的分析方法，这里只介绍S-N方法。名义应力法，又称S-N方法，强调了长疲劳寿命和耐久性的限制，或者是假定疲劳失效不会发生时的安全应力。它以材料或零部件的疲劳寿命曲线为基础，利用了名义应力或局部应力和寿命之间的关系，主要应用在线性弹性应力的分析中[4]。其设计思路是：从材料的S-基于有限元法的汽车构件疲劳分析的研究/黄民锋江迎春N曲线出发，再考虑各种影响系数的影响，得出零件的S-N曲线，并根据零构件的S-N曲线进行抗疲劳设计。当使用S-N曲线的水平区段——疲劳极限进行设计时称为无限疲劳设计。当使用S-N曲线的倾斜

7、部分进行抗疲劳设计时称为名义有限寿命设计[3]。名义应力法的流程如图1所示:图1定义名义应力法流程4路面载荷时间历程的获取采用有限元疲劳分析方法，一个很重要的步骤就是获得用于疲劳分析的路面载荷时间历程．该数据可以用以下任何一种方法获得[1](1试验法在路面耐久性试验时测量某固定位置的载荷；(2)直接来自路面载荷数据库或经验数据库以汽车企业长期积累的相关车型的路面载荷数据库或者典型零件的经验载荷数据库等作为参考载荷进行疲劳分析。3)半理论分析方法根据部分位置的测量载荷，通常为轮轴的载荷，利用多体动力学等方法可以得到其他连接位置的载荷。(4)全理论分析方法无需进

8、行试验，仅通过多体动力学或者虚拟实验场(VPG)仿真