疲勞分析基本概念介紹

2016-12-21 by:CAE仿真在線來源:互聯網

零件或構件由于交變載荷的反復作用,在它所承受的交變應力尚未達到靜強度設計的許用應力情況下就會在零件或構件的局部位置產生疲勞裂紋并擴展、最后突然斷裂。這種現象稱為疲勞破壞。疲勞裂紋的形成和擴展具有很大的隱蔽性而在疲勞斷裂時又具有瞬發性,因此疲勞破壞往往會造成極大的經濟損失和災難性后果。金屬的疲勞破壞形式和機理不同與靜載破壞,所以零件疲勞強度的設計計算不能為經典的靜強度設計計算所替代,屬于動強度設計。隨著機車車輛向高速、大功率和輕量化方向的迅速發展,其疲勞強度及其可靠性的要求也越來越高。近幾年隨著我國鐵路的不斷提速,機車、車輛和道軌等鐵路設施的疲勞斷裂事故不斷發生,越來越引起人們的重視。疲勞強度設計及其研究正在成為我國高速機車車輛設計制造中的一項不可缺少的和重要的工作。

金屬疲勞的研究已有近150年的歷史,有相當多的學者和工程技術人員進行了大量的研究,得到了許多關于金屬疲勞損傷和斷裂的理論及有關經驗技術。但是由于疲勞破壞的影響因素多而復雜并且這些因素互相影響又與構件的實際情況密切相關,使得其應用性成果尚遠遠不能滿足工程設計和生產應用的需要。據統計,至今有約90%的機械零部件的斷裂破壞仍然是由直接于疲勞或者間接疲勞而引起的。因此,在21世紀的今天,尤其是在高速和大功率化的新產品的開發制造中,其疲勞強度或疲勞壽命的設計十分重要,并且往往需要同時進行相應的試驗研究和試驗驗證。

疲勞斷裂是因為在零件或構件表層上的高應力或強度比較低弱的部位區域產生疲勞裂紋,并進一步擴展而造成的。這些危險部位小到幾個毫米甚至幾十個微米的范圍,零件或構件的幾何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕傷痕及材料的內部缺陷等往往是這種危險部位。因此,提高構件疲勞強度的基本途徑主要有兩種。一種是機械設計的方法,主要有優化或改善缺口形狀,改進加工工藝工程和質量等手段將危險點的峰值應力降下來;另一種是材料冶金的方法,即用熱處理手段將危險點局部區域的疲勞強度提高,或者是提高冶金質量來減少金屬基體中的非金屬夾雜等材料缺陷等局部薄弱區域。在解決實際工程問題時,往往需要結合運用以上兩種方法進行疲勞強度設計和研究。合理地利用各種提高疲勞強度的手段,可以有效地提高構件的疲勞強度或延長其疲勞壽命,并起到輕量化的作用。

關于疲勞問題的研究,基本上可分為疲勞裂紋的形成和擴展機理、規律方面的基礎性研究和疲勞強度設計以及提高疲勞強度的有效途徑等應用性研究。應用性研究雖然借鑒了基礎性研究的成果,但因為它需要考慮更多的實際影響因素,所以它的研究更為復雜和困難。因此相比之下關于疲勞壽命的預測和疲勞強度設計等應用性研究要少得多,遠遠落后于實際工程的需求。過去,疲勞強度設計和壽命預測的研究主要是以試驗為基礎進行的。隨著計算機應用技術和有限元數值計算理論及其應用的迅速發展,現在又興起了基于大量試驗數據的疲勞強度設計和壽命計算的有限元數值計算方法,有力地推動著零部件疲勞強度設計的研究及應用的發展。

當前,業已發展形成了專用的疲勞分析軟件,如MSC/FATIGUE等。此外許多著名的有限元分析軟件也嵌套有功能較為齊全的疲勞強度計算模塊,如MARC,ANSYS,以及I-Deas中的CAE等。這些軟件疲勞強度計算模塊的細節雖然不盡相同,但是其基本思路與算法大都相似。

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