林晓斌 博士 现代汽车一体化疲劳耐久性工程

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1、现代汽车一体化疲劳耐久性工程林晓斌博士英国nCode国际有限公司©nCode2000Slide1讲座概要•疲劳简介•疲劳寿命估计原理•解决疲劳问题的策略•一体化抗疲劳设计管理方法•结语Slide21疲劳简介©nCode2000Slide3疲劳失效•在美国已经得到确认，由于产品的疲劳问题所引起的损失占国民生产总值的4％左右(约1200亿美元).•中国机械工程手册在第6章“结构疲劳强度设计”中指出：机械零构件80％以上为疲劳破坏，因此对于承受循环载荷的零构件都应进行疲劳强度设计。Slide42疲劳失效所涉及的领域•汽车、航天、航空、航海、能源、国防、铁路、海洋工程及一般的机器制造等工业领域工

2、程车辆国防轿车农用车辆航空航天铁路能源机器Slide5什么是金属疲劳？•疲劳是一种机械损伤过程，在这一过程中即使名义应力低于材料的屈服强度，载荷的反复变化也将引起失效•疲劳一般包含裂纹萌生和随后的裂纹扩展两个过程，循环塑性变形是金属产生疲劳的主要原因Slide63小裂纹的起始和扩展~1mm位错滑移第一阶段第二阶段Slide7长裂纹的扩展单裂纹扩展多裂纹扩展耦合Slide84疲劳发展简史(1/2)•1839年，Poncelet首先使用“疲劳”一词。•1849年，英国机械工程学会（IMechE）辩论结晶理论。•1864年，Fairbairn用交变载荷对船链进行了实验。•1871年，Wohle

3、r首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究。发展了旋转弯曲疲劳试验，S-N曲线及疲劳极限概念。•1886年，Bauschinger首先确证了应力-应变滞回线。•1903年，Ewing和Humphrey证明结晶理论是不正确的，指出疲劳是由于塑性变形所引起。•1910年，Bairstow调查了应变循环中的应力-应变响应，提出了循环硬化和循环软化概念。•1920年，Griffith研究了玻璃中的裂纹，由此诞生了断裂力学。Slide9Wohler疲劳试验1871年，Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究。发展了旋转弯曲疲劳试验，S-N曲线及疲劳极限概念。Slide105Wohler曲线和疲劳极

4、限应力幅光滑试样UnnotchedShaft缺口试样NotchedShaftStressAmplitudeLog(Fatiguelife疲劳寿命)Slide11疲劳发展简史(2/2)•1955年，Manson和Coffin研究了应变条件控制下的疲劳，热循环、低周疲劳及塑性应变问题。•1959年，Paris首先提出了一种用断裂力学参数处理裂纹扩展的方法。•1961年，Neuber建议了一种方法，估计应力集中处的弹塑性应力应变。•1968年，Matsuishi和Endo提出了雨流循环计数方法。•1981年，能够进行合理疲劳计算的计算机得到了发展。•1982年，nCode国际有限公司成立，开发

5、和销售疲劳寿命预测软件，提供疲劳咨询服务。•1990年，nCode和PDA工程公司联合推出了P/FATIGUE(现改名为MSC/FATIGUE)，它和nCode发展的nSoft软件一起组成了第一个完整的IDM软件系列产品。•2002年，nCode推出了ICE-flowSlide126“尽管疲劳研究已经进行了150年，无意识的疲劳失效仍然发生，更多的研究不能减少疲劳失效的发生率－更多的教育将能做到！”"Despite150yearsoffatigueresearch,unintendedfatiguefailuresstilloccur.MoreresearchwillNOTreducet

6、heincidenceoffatiguefailure-moreeducationwill!"引自美国IIIinois大学Socie教授的评论，1990Slide13疲劳寿命估计原理©nCode2000Slide147三种基本的疲劳寿命估计方法•S-N(总寿命法)名义应力或弹性应力和总寿命之间的关系•e-N(裂纹起始寿命法)局部应变和裂纹起始寿命之间的关系•LEFM(裂纹扩展寿命法)应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系这些方法依赖于相似性！Slide15Nf=Ni+Np总寿命=裂纹起始寿命+裂纹扩展寿命名义应力法S-N局部应变法(e-N)断裂力学法(LEFM)Slide168名义应力(S

7、-N)法σnom对付高周疲劳σnom同样的名义应力，同样的疲劳总寿命!Slide17S-N曲线定义SCN()b1=b11应力范围b2Log1疲劳极限Log总寿命Slide189局部应变(e-N)法εε对付低周疲劳同样的局部应变，同样的裂纹起始寿命!Slide19循环应力应变和应变寿命曲线定义σa1n′σσaa⎛⎞循环应力ε=+⎜⎟a⎝⎠应变曲线Ek′εaLogεaσf′bcεa=+()()22NNfεff′E应变寿命曲线LogNfS