弹塑性力学疲劳强度分析及设计课件.ppt

专题：疲劳与断裂,主要的失效形式 断裂、磨损和腐蚀。缓慢的过程 突变行为 断裂 静态断裂 动态断裂 疲劳断裂 冲击断裂,金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象称为疲劳。在汽车上，大约有90%以上零件的失效可归结为疲劳。疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机件的疲劳断裂可能会造成很大的经济以至生命的损失。,疲劳引起的大型灾难性事故1979年美国航空公司DG10型三引擎巨型喷气客机连接引擎与机翼的螺栓因金属疲劳折断，从而导致引擎燃烧爆炸。机上273名乘客和机组人员无一幸免。,疲劳引起的大型灾难性事故1985年8月12日晚上7时许日本航空公司的一架波音747宽体客机，撞在群马县附近的山上，机上509名乘客和15名机组人员仅4人获救外。其余52O人全部罹难，这是世界民航史上单机发生的最大空难事件。,对飞机残骸的分析和同“黑匣子”记录仪进行对照后，飞机起飞12分钟后，发生了“异常的冲击”，同时，压力隔板损坏，飞机密封性能的破坏使机舱内急剧减低压力；导致飞机垂直尾翼损坏并在空中分解。事故分析发现，这架飞机几年前发生过小失事，飞机尾舷材料疲劳而损坏过，检修工作进行得很马虎，在没有彻底排除病根的情况下就算检修完毕，并交付使用。这次飞行，由于高度上升过程的速度快，机舱内外的气压发生急剧变化，机舱内空气压缩机受到的压力比机舱外大得多。于是，这一装置在一个临界时刻承受不了这种压力，使液压系统受损，导致强大的气流吹进垂直尾翼内，使升降航和方向航失去控制，尾翼上部和方向舵在一瞬间被撕裂而坠落。,疲劳引起的大型灾难性事故1998年德国一列高速列车在行驶中突然出轨。事故是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起，导致了近50年来德国最惨重铁路事故的发生。,疲劳引起的大型灾难性事故2002年华航CI611飞机由于金属疲劳，造成空中解体，造成机上225名旅客及机员全部罹难。,疲劳失效的过程和机制。,介绍估算裂纹形成寿命的方法，以及延寿技术。,介绍一些疲劳研究的新成果。,金属疲劳的基本概念和一般规律。,本讲座主要介绍,具体目的：精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命，简称定寿，保证在服役期内零构件不会发生疲劳失效；采用经济而有效的技术和管理措施以延长疲劳寿命，简称延寿，从而提高产品质量。,循环应力（疲劳应力）是指应力随时间呈周期性的变化。,循环应力-时间图 应力历程,循环应力,循环应力 稳定循环应力 不稳定循环应力 非规律性:如汽车的钢板弹簧 规律性:机床的主轴,t,t,非规律性,规律性,不稳定循环应力,循环应力变化范围不变，即波形不变。波形通常是正弦波，此外还有三角波以及其它波形。,循环应力-时间图 应力历程,稳定循环应力,稳定循环应力,平均应力m m(max+min)2应力比（循环特性）R R=min/max,应力幅a或应力范围（应力幅度）a=/2=(max-min)/2,max和min分别为循环最大应力和循环最小应力；,循环应力的特征参数：,循环应力分为下列几种典型情况：,对称循环应力 m=0，R-1。大多数轴类零件，通常受到对称循环应力的作用。,不对称循环应力 m0，R-1。,不对称拉伸平均应力循环应力 m 0，-1R0。大拉小压循环。比较常见的不对称循环应力,不对称压缩平均应力循环应力 0ma，-1R0结构中某些支撑件受到这种循环应力-大拉小压的作用。,脉动循环应力 m=a，R0齿轮的齿根和某些压力容器受到这种脉动循环应力的作用。,波动循环应力 ma，0R1飞机机翼下翼面、钢梁的下翼缘以及预紧螺栓等，均承受这种循环应力的作用。,静（循环）应力 a=0，R1,疲劳的分类（1）按应力状态：弯曲疲劳、扭转疲劳、复合疲劳等；（2）按环境：腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等；（3）按循环周期：高周疲劳、低周疲劳；（4）按破坏原因：机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳。（5）按初始状态：无裂纹零件和裂纹零件的疲劳疲劳的特点（1）最大应力b，甚至s；（2）突然出现结构断裂；（3）对材料的缺陷十分敏感；（4）疲劳过程中显示出裂纹的萌生、扩展和断裂。,sN 疲劳曲线,低周疲劳 高周疲劳,=104,疲劳失效机理：金属零件疲劳断裂实质上是一个累计损伤过程。大体可划分为滑移、裂纹成核、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展、最终断裂几个过程。,疲劳裂纹的萌生：,在交变载荷下，金属零件表面产生不均匀滑移、金属内的非金属夹杂物和应力集中等均可能是产生疲劳裂纹核心的策源地。滑移带随着疲劳的进行逐步加宽加深，在表面出现挤出带和挤入槽，这种挤入槽就是疲劳裂纹策源地。另外金属的晶界及非金属夹杂物等处以及零件应力集中的部位（台阶、尖角、键槽等）均会产生不均匀滑移，最后也形成疲劳裂纹核心。,疲劳裂纹的扩展：,在没有应力集中的情况下，疲劳裂纹的扩展可分为两个阶段；在交变应力的作用下，裂纹从金属材料的表面上的滑移带、挤入槽或非金属夹杂物等处开始，沿着最大切应力方向（和主应力方向成40角）的晶面向内扩展。扩展速度慢，如没有应力集中，直接进入第二阶段。改变方向，沿着与正应力相垂直的方向扩展，扩展途径穿晶并速度很快,裂纹成核后的扩展过程主要包括微观和宏观两个裂纹扩展阶段。整个疲劳过程是滑移 微观裂纹产生 微观裂纹的连接 宏观裂纹扩展直至断裂失效。,疲劳断口宏观形貌特征：,典型宏观疲劳断口分为三个区域，疲劳源或称疲劳核心、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区；,三、疲劳宏观断口的特征,断口拥有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳扩展区、瞬时断裂区。随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。（表5-1）1、疲劳源 裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。由于应力交变，断面摩擦而光亮。加工硬化。随应力状态及应力大小的不同，可有一个或几个疲劳源。,2、疲劳扩展区（贝纹区）断面比较光滑，并分布有贝纹线。循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高应力作用）。3、瞬断区 一般在疲劳源的对侧。脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理，边缘为剪切唇。,提高零件抗疲劳断裂的方法：,1延缓疲劳裂纹萌生时间；方法有强化金属合金表面，控制表面的不均匀滑移，如表面滚压、喷丸、表面热处理等。另外提高金属材料的纯净度，减少夹杂物尺度以及提高零件表面完整性设计水平，尽量避免应力集中的现象等，都是抑制或推迟疲劳裂纹产生的有效途径。,2降低疲劳裂纹扩展的速度；止裂孔法、扩孔清除法（不影响强度的前提下）、刮磨修理法；此外，还可以在裂纹处采用局部增加有效截面或补贴金属条等降低应力水平的方法，以阻止裂纹继续产生与扩展。加强次负荷锻炼；,疲劳设计方法：无裂纹零件 基于S-N曲线的方法中高周疲劳 局部应力-应变法低周疲劳裂纹零件 断裂力学的疲劳裂纹扩展方法,典型的疲劳寿命曲线,疲劳寿命与应力的关系曲线又称为Wohler曲线；习惯上也称作S-N曲线。,从加载开始到试件断裂所经历的应力循环数，定义为该试件的疲劳寿命Nf。,1.2.2 S-N曲线,应变(低周)疲劳,静断裂,中周疲劳,高周疲劳,-曲线,疲劳寿命曲线可以分为三个区：,(1)低循环疲劳(Low Cycle Fatigue)区 在很高的应力下，在很少的循环次数后，试件即发生断裂，并有较明显的塑性变形。一般认为，低循环疲劳发生在循环应力超出弹性极限，疲劳寿命在0.25到104或105 次之间。因此，低循环疲劳又可称为短寿命疲劳。,(2)高循环疲劳(High Cycle Fatigue)区 在高循环疲劳区，循环应力低于弹性极限，疲劳寿命长，Nf105 次循环，且随循环应力降低而大大地延长。试件在最终断裂前，整体上无可测的塑性变形，因而在宏观上表现为脆性断裂。在此区内，试件的疲劳寿命长，故可将高循环疲劳称为长寿命疲劳。,(3)无限寿命区或安全区 试件在低于某一临界应力幅lim的应力下，可以经受无数次应力循环而不断裂，疲劳寿命趋于无限；即alim，Nf。故可将lim称为材料的理论疲劳极限或耐久限。在绝大多数情况下，S-N曲线存在一条水平渐近线，其高度即为lim.（见图）。,-曲线中高周疲劳段的规律,-曲线的获得例如,45#钢在对称循环应力条件下疲劳寿命如下：a=360MPa,m=0,N=107a=385MPa,m=0,N=106a=410MPa,m=0,N=105a=435MPa,m=0,N=104,N,45#钢对称循环应力条件下-曲线,104 105 106 107,疲劳极限：在指定的疲劳寿命下，试件所能承受的上限应力幅值。指定寿命通常取Nf=107 cycles。在应力比R=-1时测定的疲劳极限记为-1。测定疲劳极限最简单的方法是所谓的单点试验法。,常采用升降法测定疲劳极限。,工程上的定义,疲劳极限及其实验测定,疲劳极限：试件可经受无限的应力循环而不发生断裂，所能承受的上限循环应力幅值。,非对称循环应力下的疲劳,大多数机械和工程结构的零件，是在非对称循环应力下服役的。实质是研究平均应力或应力比对疲劳寿命的影响。,例如,45#钢在非对称循环应力条件下疲劳寿命如下：a=325MPa,m=35MPa,N=107a=355MPa,m=35MPa,N=106a=475MPa,m=35MPa,N=105a=400MPa,m=35MPa,N=104,N,45#钢非对称循环应力条件下（平均应力35MPa）S-曲线,104 105 106 107,等寿命疲劳曲线(极限应力线图)用于表达不同应力比R时疲劳寿命的特性。,极限应力线图 具有相同寿命的不同应力组合连线。例如45#钢107次寿命的应力组合：m=360MPa,a=0(=-1)m=320MPa,a=50(=?)m=240MPa,a=100(=?)m=160MPa,a=160(=0)m=110MPa,a=200(=?)m=0MPa,a=460(=1),a,m,-1,1,45#钢107次寿命的极限应力线图,a,m,-1,1（s或b）,45#钢106次寿命的极限应力线图,a,m,-1,45#钢105次寿命的极限应力线图,1（s或b）,a,m,-1,45#钢104次寿命的极限应力线图,1（s或b）,a,m,Gerber,Goodman,Sodergober,Morrow,b,s,-1,Cepecen,疲劳载荷谱：按某种规律随时间而变化的载荷曲线。,图 疲劳载荷谱示意图,累积疲劳损伤,变幅载荷 图示意地表示零件所受的变幅应力。,图 疲劳寿命曲线与累积损伤计算示意图,如何根据等幅载荷下测定的S-N曲线，估算变幅载荷下的疲劳寿命。常用的是Miner线性累积伤定则。,若循环n1次,则造成的损伤度为n1D1；,若在应力幅2下循环n2次,则造成的损伤度为n2D2=n2/Nf2。,在理论疲劳极限以下，由于 Nf，所以损伤度为零，即不造成损伤。,简述如下：设试件在循环应力1下的疲劳寿命为Nf1，若在该应力幅下循环1次，则劳寿命缩减的分数为1Nf1，即造成的损伤度为D1，D1=1/Nf1;,当总损伤度达到临界值时，发生疲劳失效。显然，在恒幅载荷下，损伤度的临界值为1.0。,若零件所受的变幅载荷有m级，则在不同级的循环应力下所造成的总损伤度为,若将恒幅加载看成变幅载荷的特例，则变幅载荷下损伤度的临界值也应为1.0。故有,即在变幅载荷下，疲劳总损伤度达到1.0时，发生疲劳失效。此即Miner线性累积损伤定则。,疲劳失效的力学机制和模型,1.6.1 疲劳裂纹形成过程和机制,疲劳失效过程可以分为三个主要阶段：疲劳裂纹形成，疲劳裂纹扩展，当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终的断裂。,疲劳微裂纹的形成可能有三种方式：,在环载荷作用下,即使循环应力不超过屈服强度，也会在试件表面形成滑移带,称为循环滑移带。,表面滑移带开裂、夹杂物与基体相界面分离或夹杂物本身断裂，以及晶界或亚晶界开裂。,拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环滑移带则集中于某些局部区域。而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入，从而在试件表面形成微观切口。,疲劳的初期，出现滑移带。随着循环数的增加，滑移带增加。除去滑移带，重新循环加载，滑移带又在原处再现。这种滑移带称为持久滑移带(Persist Slip Band)。在持久滑移带中出现疲劳裂纹。已形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。当微裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至停止长大。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取向不同。,循环滑移带的持久性,微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微裂纹联接，或向相邻晶粒内扩展，以形成宏观尺度的疲劳裂纹。因为晶界有阻碍微裂纹长大和联接的作用，因而有利于延长疲劳裂纹形成寿命和疲劳寿命。较大的夹杂物或第二相，会由于夹杂物与基体界面开裂而形成微裂纹。第二相在循环加载，会形成沿晶裂纹。,第I阶段，裂纹沿着与拉应力成45o 的方向，即在切应力最大的滑移面内扩展。第I阶段裂纹扩展的距离一般都很小，约为23个晶粒。,第II阶段，裂纹扩展方向与拉应力垂直。在电子显微镜下可显示出疲劳条带。,疲劳带是每次循环加载形成的。,疲劳裂纹扩展过程和机制,疲劳裂纹扩可分为两个阶段。,在每一循环开始时，应力为零，裂纹处于闭合状态。当拉应力增大，裂纹张开，并在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移。拉应力增长到最大值、裂纹进一步张开，塑性变形也随之增大，使得裂纹尖端钝化，因而应力集中减小，裂纹停止扩展。卸载时，拉应力减小，裂纹逐渐闭合，裂纹尖端滑移方向改变。当应力变为压应力时裂纹闭合，裂纹尖端锐化，又回复到原先的状态。,疲劳条带的形成的钝化模型,由此可见，每加载一次，裂纹向前扩展一段距离，这就是裂纹扩展速率dadN，同时在断口上留下一疲劳条带，而且裂纹扩展是在拉伸加载时进行的。裂纹扩展的塑性钝化模型与实验观测结果相符。,图 裂纹扩展的塑性钝化模型,应当指出，疲劳条带只是在塑性好的材料，尤其是具有面心立方晶格的铝合金、奥氏体不锈钢等的疲劳断口上清晰地观察到。在一些低塑性材料中，如粗片状珠光体钢，疲劳裂纹以微区解理(Microcleavage)或沿晶分离的方式扩展，因而在这类材料的疲劳断口上不能观察到疲劳条带。,注意，不可将疲劳条带与宏观疲劳断口上的贝壳状条纹相混淆。宏观疲劳断口上的贝壳状条纹是由于循环加载条件的变化而形成的。若在电子显微镜下观察贝壳状条纹，可以看出它是由很多疲劳条带组成的。,该模型的缺点：屈服强度高的材料与实验观测结果不符。,局部应力-应变法,关于应变疲劳的基本假设 应力集中-切口根部形成塑性区,故疲劳裂纹总是在切口根部形成。塑性区内的材料取出做成疲劳试件，按塑性区内材料所受的应变谱进行疲劳试验。,循环应力-应变曲线,当加载超出弹性范围，应变的变化落后于应力，形成应力-应变回线，在循环加载的初期，应力-应变回线并不封闭，它的形状随循环数而改变。因此，要保持循环应变范围或其塑性分量p为常数，则加于试件上的循环应力幅必须不断地进行调整。,在弹性范围内加载和卸载，其变形在宏观上是可逆的。,图8-20 应力 应变回线随循环次数变化示意图,(a)退火铜；(b)加工硬化铜,对于某些合金，要使其或p 保持恒定，则必须随加载循环数的增加提高应力幅,这种现象称为循环硬化；反之，则为循环软化。,当p=C时，应力幅随循环加载次数变化示意图。循环硬化或软化可分为三个阶段：加载开始时的快速硬化或软化阶段，循环硬化或软化速率逐小的过渡阶段，以及循环硬化或软化的饱和阶段。,图8-21循环硬化(1)和循环软化（2）变化情况示意图,应变疲劳曲线和表达式,总应变范围是弹性应变范围e与塑性应变范围p之和：,=e+p,应变疲劳试验时试件所受的循环应变幅超出弹性极限，故试件的疲劳寿命短，故又将应变疲劳称为低循环疲劳或低周疲劳。,图 应变疲劳寿命曲线,应变疲劳试验时，控制总应变范围或者控制塑性应变范围。在给定的或p下，测定疲劳寿命Nf，将应变疲劳实验数据在logNf-log双对数坐标纸上作图，即得应变疲劳寿命曲线。,对a-N曲线求导，即得裂纹扩展速率dadN，也就是每循环一次裂纹扩展的距离，单位为 mcycle。,断裂力学的疲劳裂纹扩展方法,疲劳裂纹扩展速率的测定,在固定的载荷P和应力比R下进行。实验时每隔一定的加载循环数，测定裂纹长度a，作出a-N关系曲线。,图 裂纹长度与加载循环数关系曲线,再将相应的裂纹长度，代入应力强度因子表达式计算出K。最后绘制出dadN-K关系曲线，即疲劳裂纹扩展速率曲线。,固定裂纹预制长度a0、应力比r和应力幅a2 1作aN曲线曲线斜率da/dN为裂纹扩展速率；裂纹达到ac，da/dN无限大。,图 典型的疲劳裂纹扩展速率曲线,疲劳裂纹扩展速率曲线可以分为三个区：,I区为近门槛区，裂纹扩展速率随着K的降低而迅速降低，以至dadN0。与此相对应K值称为疲劳裂纹扩展门槛值，记为Kth。当KKth 时，dadN0。这是裂纹扩展门槛值的物理定义或理论定义。实验测定的裂纹扩展门槛值常定义为：dadN1-310-10 mcycle时的K值。I区接近于Kth，故又将I区称为近门槛区。II区为中部区或稳态扩展区，对应于dadN10-8-10-6 mcycle。在II区；裂纹扩展速率在logda/dN-logK 双对数坐标上呈一直线。III区为裂纹快速扩展区，dadN 10-6-10-5 mcycle,并随着K的增大而迅速升高。当KmaxK(1-R)=KIC 时，试件或零件断裂。,为了精确地估算零件的裂纹扩展寿命 最著名Paris裂纹扩展速率公式,疲劳裂纹扩展速率表达式,式中 C，m为实验测定的常数。Paris公式仅适用于II区。(经验公式),da/dN=C(K)n,y,x,xy,r,应力强度因子,paris公式。da/dN=C(K)n c、n材料试验常数，与材料、应力比、环境等因素有关。显微组织对n的影响不大，多数材料的n值在24之间变化。,根据应力历程可得应力强度因子历程,按式计算裂纹扩展寿命，要选择合适的裂纹扩展速率公式，确定初始裂纹尺寸ai和临界裂纹尺寸 ac，即积分的上、下限。修正后的Paris公式，计算裂纹扩展寿命，即,用Paris公式计算裂纹扩展寿命将会给出保守的结果。,疲劳裂纹扩展寿命估算,零件的裂纹扩展寿命Np，可按下式估算,延寿技术,1细化晶粒 随着晶粒尺寸的减小，合金的裂纹形成寿命和疲劳总寿命延长。2减少和细化合金中的夹杂物 细化合金中的夹杂物颗粒，可以延长疲劳寿命。3微量合金化 向低碳钢中加铌，大幅度地提高钢的强度和裂纹形成门槛值，大幅度地延长裂纹形成寿命。,4减少高强度钢中的残余奥氏体 将高强度马氏体纲中的残余奥氏体由12减少到5左右.5改善切口根部的表面状态 切削加工会引起零件表面层的几何、物理和化学的变化。6表面喷丸强化 是既能延长裂纹形成寿命，又能延长裂纹扩展寿命的有效方法。,其他类型疲劳热疲劳,1、基本概念在循环热应力和热应变作用下，产生的疲劳称为热疲劳。热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性变形）。由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称为热机械疲劳。2、热应力的产生外部约束 不让材料自由膨胀；内部约束 温度梯度，相互约束，产生热应力。热应变 导致裂纹的萌生，扩展。3、衡量标准一定温度幅，产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数。4、提高热疲劳寿命的途径材料 减小热膨胀系数，提高，均匀性，高温强度。工件状况 减小应力集中。使用 减小热冲击。,冲击疲劳,1、基本概念 在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂，称为冲击疲劳。冲击次数N105,具有典型的疲劳断口。AkN2、影响冲击疲劳的因素 小能量多冲击 主要为强度。较大能量时 冲击作用下，材料易出现塑性变形，即易出现低周疲劳。能量再大时 则冲击疲劳退居次要地位，应考虑材料的断裂韧性。,接触疲劳,1、基本概念 对偶件（如轴承、齿轮等）在交变接触压应力长期作用下，而在材料表面产生的疲劳损伤。形貌：点蚀，浅层剥落和深层剥落。（轴承、齿轮表面、钢轨等）接触疲劳曲线两种 接N，接1/N。2、接触应力（赫兹应力）两物体接触，表面上产生局部的压应力，称为接触应力。接触处的接触应力为三向压应力。,接触处，zyx超过一定深度zyy相应的最大切应力为：在最大切应力处，材料易出现局部塑性变形。,接触疲劳破坏方式,（1）麻点剥落局部塑性变形，产生裂纹、扩展（滑移带开裂）润滑剂气蚀（高压冲击波）剥落下一块金属而形成一凹坑（2）浅层剥落 最大切应力处，塑化变形最剧烈，非金属夹杂物附近萌生裂纹。表层、次表层产生了加工硬化。（3）深层剥落 过渡区是薄弱区，萌生裂纹，先平行于表面扩展，后垂直于表面扩展，最后形成大的剥落坑。,影响接触疲劳抗力的因素,（1）材料内因 组织（晶粒大小，相组成，夹杂物，第二相等）（残余奥氏体，可形成形变M，不利于接触疲劳）表面硬度和心部硬度（2）外因 表面粗糙度，接触精度；硬度匹配；润滑情况。,疲劳分析的步骤获取应力谱 获取材料数据损伤计算寿命评估,现代疲劳分析工具Ansys+Fe-safeMSC.Nastran+MSC.Fatigue,获取应力谱方法应变片测量 在应力集中的区域，然后按左下图在应力集中区域布置三个应变片；动力学仿真,获取材料数据 做一组疲劳测试（正弦应力，拉压或弯曲均可，有国家标准),平均应力对寿命有影响。也可以根据不同的经验公式（如准则，准则等），由普通的曲线（即平均应力为）来计算平均应力不为零时对应的疲劳寿命。,损伤计算 损伤累积的计算方法有很多种，最常用的是线性累计损伤（即准则），但其结果不保守，计算得到的寿命偏高。,常用的疲劳分析工具：MSC疲劳分析,内容,MSC疲劳分析简介应力/应变分析载荷历程计算疲劳分析结论,MSC疲劳分析简介,柴油发动机曲轴在旋转时，承受周期载荷，因此设计时必须考虑疲劳破坏因素；柴油发动机曲轴疲劳属于高周疲劳问题，适合使用s-n方法预测寿命；疲劳分析必须首先确定模型的载荷分布与载荷历程。,柴油发动机疲劳分析特点,疲劳分析步骤：利用有限元分析软件(本例采用MSC.Nastran)，得到模型的应力/应变分布；利用MSC.Adams，得到作用在模型上的载荷历程；利用MSC.Fatigue，进行模型的疲劳分析。,MSC公司提供完善的疲劳分析解决方案,MSC疲劳分析流程,MSC.NASTRAN 有限元分析 MSC.FATIGUE 疲劳寿命分析MSC.ADAMS 载荷历程计算,应力/应变分析,模型上的应力/应变分布,疲劳分析前，模型的应力/应变分布情况利用有限元分析得到；使用MSC.Patran+MSC.Nastran进行模型的应力/应变分析。,应力/应变分析,MSC.Patran读入原始的三维CAD模型，进行有限元分析的前处理；模型共划分136,713个四面体单元（如下图所示）。,发动机曲轴有限元网格图,载荷工况与边界条件,模型在不同位置处分别承受垂直载荷与水平载荷，对应不同的的工况，在各工况下施加约束条件与单位载荷；共定义12个工况；下图所示为其中一个工况下的约束和载荷情况。,一个载荷工况的边界条件,为轴承处约束 为联结处载荷,有限元分析结果,模型应力在各工况下分别计算；共得到12个结果工况，应力云图见下图。,各垂直载荷工况下应力结果云图,各水平载荷工况下应力结果云图,载荷历程计算,载荷历程计算,利用MSC.ADAMS 2005/Engine对模型进行仿真分析；从分析结果，得出疲劳分析所需的载荷历程。,初始计算条件,发动机夹角：发火夹角120度点火顺序：1-5-3-6-2-4活塞行程：135mm缸间距：135mm缸径：113mm有效连杆长度：217mm轴承数目：7曲柄轴承直径：75mm曲柄轴承长度：42mm主轴承直径：100mm主轴承长度：37mm止推轴承位置：第七主轴承档活塞销直径：45mm活塞销长度：92mm发动机爆发压力曲线见两个EXCEL文件，分别为1400转/分和2300转/分的工况。曲轴材料：42CrMoA弹性模量：2.06E5MPa，泊松比：0.3，强度极限：1080MPa，屈服极限：930MPa,MSC.ADAMS/Engine模型,计算模型,计算模型组成,44 Moving Parts(not including ground)12 Point_masss1 Cylindrical Joints5 Revolute Joints12 Spherical Joints19 Fixed Joints5 Hooke Joints1 Atpoint Primitive_Joints25 Inline Primitive_Joints8 Inplane Primitive_Joints1 Orientation Primitive_Joints12 Parallel_axes Primitive_Joints8 Perpendicular Primitive_Joints5 Motions,计算工况,发动机转速：1400rpm发动机转速：2300rpm,发动机转速1400rpm工况载荷计算结果,各缸爆发压力计算结果（1400rpm）,各缸主轴承载荷计算结果（1400rpm）,止推主轴承载荷计算结果（1400rpm）,各曲柄轴承载荷计算结果（1400rpm）,各活塞销轴承载荷计算结果（1400rpm）,发动机转速2300rpm工况载荷计算结果,各缸爆发压力计算结果（2300rpm）,各缸主轴承载荷计算结果（2300rpm）,止推主轴承载荷计算结果（2300rpm）,各曲柄轴承载荷计算结果（2300rpm）,各活塞销轴承载荷计算结果（2300rpm）,疲劳分析说明,在前面有限元分析和Adams载荷分析基础上，进行疲劳分析；采用s-n寿命预测法计算疲劳寿命；由于模型的材料信息不完全，这里采用近似s-n曲线。,模型上的载荷历程,施加在模型上的载荷已由MSC.Adams计算得出；MSC.Fatigue 可将此计算结果文件导入，作为疲劳分析时的载荷历程。,施加在各曲柄连杆连接处垂直方向的载荷历程（六个位置处 一个周期）,施加在各曲柄连杆连接处水平方向的载荷历程（六个位置处 一个周期）,曲轴材料疲劳数据,材料的疲劳特性曲线可通过查阅手册获得；由于所提供的材料信息不完全，计算中采用近似的s-n曲线（如下图）。,曲轴材料疲劳曲线,疲劳分析结果：旋转次数分布云图,疲劳分析结果：最危险点处位置（绿色标志处）,疲劳分析结果：危险点处寿命及损伤数据,MSC.Fatigue 能在设计早期有效地预估零部件的寿命，实现优化设计；结合台架试验及样机试验，可对计算模型进行验证及修正；MSC.ADAMS/Engine方便易用，可以快速建立发动机三维实体模型；MSC.ADAMS/Engine模型修改方便，在同一机型下可以做多组发动机参数对比；MSC.Adams所提供的载荷谱可以方便地导入到MSC.Fatigue进行疲劳分析。MSC提供完善的疲劳分析解决方案，方便进行寿命分析；,其他例子,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,