应用多体有限元法预测车体结构疲劳寿命

利用多体动力学和有限元法结合的混合方法对机车车体结构疲劳寿命进行仿真研究.首先在SIMPACK中建立机车整车的多体系统动力学模型,根据不同的载荷工况计算其载荷时间历程;其次根据有限元准静态应力分析法,获得车体结构的准静态应力应变影响因子(stresses influence coefficient,SIC),再利用模态分析技术获得车体结构固有频率和模态振型,以及确定车体结构危险点位置.基于危险应力分布的动载荷历程,结合车体材料的S-N曲线以及Palmgren-Miner损伤理论,利用FE-FATIGUE软件的安全强度因子分析法和WAFO(wave analysis for fatigue and oceanography)技术进行标准时域的车体结构疲劳寿命预测,其中包括应力应变的循环计数、损伤累积和寿命预测.实测结果和仿真结果相互对比表明,这种方法可以有效预测车体结构的疲劳寿命,其精度和动力学与有限元模型的精度有关.     

基于局部应变的疲劳寿命计算方法

材料的P-ε-N曲线是构件基于局部应变-寿命可靠性分析计算的基础。主要考虑总体拟合效果最佳、与疲劳失效机制的一致性和尾部预测安全性等因素的情况下，提出了确定循环寿命的良好统计方法。以Coffin-Manson律为基础，采用线性回归方法和相关系数优化法，考虑应变-寿命的随机性，获得了标准试样在任意置信度下的P-ε-N曲线。产品在工作环境下受力复杂，根据材料在弹、塑性状态的泊松比不同，结合第四强度理论，获得适用于多轴应变疲劳寿命的修正曲线。利用随机振动试验模拟使用环境对构件进行可靠性试验，通过对直接测量的应变时间历程进行分析计数，并运用局部应变法对构件进行疲劳寿命计算，证明了方法可用于解决工程实际问题。     

硬涂层阻尼结构的随机振动疲劳寿命分析

为了研究硬涂层阻尼结构的疲劳寿命合理的分析方法和对结构寿命影响的基本规律,利用有限元模拟技术进行带硬涂层阻尼的悬臂薄壁梁结构的随机振动疲劳寿命计算。以一个悬臂薄壁梁为对象,首先,对该结构涂敷硬涂层前后的模态和谐响应进行计算,获得模态频率和危险部位应力响应函数;其次,采用随机振动疲劳寿命频域分析法对涂层前后悬臂梁进行有限元仿真计算,获得相应的寿命和损伤云图;最后,在电磁振动台上进行随机振动基础激励的编谱加载,获得涂层前后悬臂梁的振动疲劳寿命和损伤行为。结果表明,硬涂层能够延长悬臂梁振动疲劳寿命,可以减缓疲劳裂纹扩展速率。通过对比模拟和试验结果的误差分析,证明振动疲劳寿命模拟方法的合理性。     

橡胶减振元件加速寿命试验的仿真研究

针对橡胶减振元件疲劳寿命试验时间较长的问题,采用计算机仿真开展了加速寿命试验研究。利用CATIA和ABAQUS软件分别建立了橡胶减振元件的三维实体及有限元模型,采用二参数的Mooney-Rivilin模型模拟橡胶材料。通过模态分析,结合橡胶减振元件的工作状态,确定了试验系统的极限加载频率。施加3种不同的随时间变化的位移载荷,对橡胶减振元件进行了瞬态动力学分析,获得了其应力分布,从而确定了易于发生疲劳破坏的危险部位。提取橡胶减振元件危险部位的应变值,利用Manson-Coffin关系,根据橡胶材料的应变幅-疲劳寿命关系曲线,确定了3种加载条件下橡胶减振元件的破坏周期。研究结果表明,在同样的累积损伤、疲劳破坏模型条件下,通过合理提高加载频率和加载等级,可以大大缩短橡胶减振元件的疲劳寿命试验周期。     

应用多体有限元混合法对复杂结构疲劳寿命仿真

利用多体-有限元混合法对复杂结构进行有效的疲劳寿命预测.该法用于处理随机动载荷作用下转向架构架的疲劳设计.作用在大型结构上的时变边界条件和动载荷历程可以通过应用多体系统分析软件SIMPACK的多体仿真技术获得.在ANSYS中利用有限元准静态应力/应变分析技术产生结构应力发生的危险区域.模态分析技术用来获得结构固有频率和模态振型.基于危险应力分布、动载荷时间历程以及Palmigren-Miner损伤理论,最后利用FE-FATIGUE软件的安全强度因子分析法进行标准时域的结构疲劳寿命预测,其中包括应力应变的循环计数、损伤预测和最终寿命估计.     

某动车组变流器风扇随机振动疲劳分析

以某动车组变流器风扇为研究对象,通过扫频试验确定风扇结构的固有模态,同时进行无极调速试验验证风扇结构满载运行情况下是否会发生共振。建立风扇结构的有限元模型,将模型的固有模态与扫频试验对比,确保模型的准确性。利用Dirlik法和Miner线性损伤累积准则对风扇结构进行随机振动疲劳分析,根据实验和仿真分析结果对结构进行仿真优化。分析结果表明：优化方案避免了共振现象的发生,疲劳寿命得到显著提高。     

疲劳缺口系数Kf和随机疲劳寿命估算

基于局部应力-应变实验分析和随机疲劳试验，就国内外文献中关于确定疲劳缺口系数Kf的方法和近似计算公式进行了研究，并结合修正Neuber法则将其应用于随机载荷下缺口件的局部应力、应变计算与疲劳裂纹形成寿命估算。通过与实测结果的比较，分析讨论了各种近仿计算公式的精度及其疲劳寿命估算结果的影响。最后为工程疲劳寿命估算方法推荐了几种较符合实际的Kf近似计算公式。     

宽幅往复式割草机护刃器梁疲劳寿命分析

针对华德9GQS-4.6型往复式宽幅割草机护刃器梁长宽比大、刚度差,且作业环境荷载复杂,疲劳损伤严重关键问题,对其载荷特性和疲劳寿命展开研究。首先对护刃器梁进行模态分析获得固有频率和振型;在有限元分析的基础上,确定护刃器梁疲劳损伤危险点,搭建测试系统采集割草机作业的时变数据并编制路面谱;利用功率密度与时频分析相结合的疲劳寿命分析方法计算护刃器梁疲劳寿命,得到危险点寿命为2 671 296 h,接近实际工作寿命。     

基于行驶仿真试验的齿轮疲劳寿命分析

利用虚拟样机模型,通过行驶仿真试验获取了传动箱齿轮在各任务剖面的动态载荷谱。通过三维接触应力分析,得到了齿轮危险点的应力-时间历程,用插值法对恒转矩下获得的仿真载荷进行了修正,分析了载荷的分布规律,采用权系数法确定了多工况的二维联合概率分布函数,建立了传动箱齿轮在全寿命里程的疲劳设计谱。采用二维概率Miner准则计算了零件的疲劳寿命,并分析了相关参数对齿轮寿命的影响。     

基于PSD法的电动轮自卸车车架随机振动疲劳寿命预测

针对国产首台载重达300 t的电动轮自卸车车架疲劳性能是否满足设计要求而开展数值分析研究,拟通过寿命预测评估车架疲劳可靠性。首先在MSC.Nastran中对车架进行模态和频率响应分析,获得模态中性文件和输入与结构应力之间的传递函数;再次,借助ADAMS建立整车刚柔耦合多体动力学模型,进行整车C级路面动力学仿真分析,输出车架随机载荷时间历程,并通过傅里叶变换计算其功率谱密度函数(PSD);最后,根据车架材料SN曲线,利用MSC.Fatigue中的Vibration模块进行振动疲劳寿命分析,得到车架危险点的寿命值满足设计要求,从而为后续开展车架可靠性设计和结构优化提供参考依据。     

挖掘机工作装置疲劳寿命分析

针对挖掘机工作装置的疲劳破坏问题,进行了基于实测载荷历程的疲劳寿命估算,为其在服役期间的安全检查和维修决策提供依据.通过应变测量得到该工作装置薄弱部位的载荷历程,对其进行雨流计数统计,推导并确定出结构的S-N曲线,结合名义应力法理论估算出该工作装置各测点的疲劳寿命,实现了对结构进行疲劳预测分析的目的,该方法可为同类机械的疲劳寿命预测提供一定的参考依据.     

新的多轴非比例加载低周疲劳寿命估算公式

利用对 3 16L不锈钢多轴非比例加载低周疲劳的试验结果 ,对现有的多轴低周疲劳寿命估算方法进行讨论 ;基于 3 16L不锈钢非比例加载低周疲劳的微观机理 ,选择最大剪应变以及应变路径的非比例度作为损伤参量 ,建立基于临界面方法的新的非比例加载低周疲劳寿命估算公式 ;利用新的非比例加载低周疲劳寿命估算公式对寿命的预测结果表明 ,新的寿命估算公式对剪切型破坏的 3 16L与 3 16LN不锈钢及拉伸型破坏的 3 0 4不锈钢非比例加载低周疲劳寿命预测精度比现有的临界面方法高     

焊接残余应力对桥壳疲劳寿命的影响研究

桥壳作为驱动桥的核心零部件,其疲劳寿命对驱动桥乃至整车安全性有决定性的影响,对于制造过程中使用焊接工艺的桥壳,焊接残余应力的影响不容忽略。以某商用车驱动桥桥壳为研究对象,在获得其焊接残余应力分布的基础上,分析焊接残余应力对桥壳在静态载荷和动态循环载荷工况下应力应变响应的影响。使用应变-寿命分析方法对桥壳在弯曲疲劳试验工况下的寿命进行预测,并与台架试验结果进行对比,结果表明考虑焊接残余应力时,疲劳寿命次数和破坏位置的预测结果与试验结果吻合较好,验证桥壳疲劳寿命预测模型的准确性。与不考虑焊接残余应力的模型相比,焊接残余应力导致桥壳疲劳寿命次数降低,且失效位置不同,说明了疲劳寿命预测时考虑焊接残余应力的必要性。本文方法可推广应用于含有焊接残余应力的结构疲劳寿命预测,为结构优化设计提供指导。     

裂纹扩展过程中电磁谐振疲劳试验系统动态特性分析*

电磁谐振疲劳裂纹扩展试验系统是一种工作在谐振状态下测试金属材料断裂特性的试验装置,要求在裂纹扩展过程中精确跟踪系统的固有频率和控制试验载荷,为达到这一目的,需要对裂纹扩展过程中系统的动态特性进行精确的分析。据此,建立3自由度有阻尼电磁谐振疲劳试验振动系统的数学模型,采用ANSYS有限元法计算CT紧凑拉伸试件的刚度,研究不同材料试件刚度、系统固有频率,试验载荷幅频曲线、共振振幅在裂纹扩展过程中的变化规律,并进行相关试验,试验结果表明：系统固有频率计算值与试验测量值之间的最大偏差为1.9 Hz;系统动态特性仿真结果与试验结果能够较好地吻合。该研究结果为电磁谐振式疲劳试验载荷的高精度控制提供了理论依据。     

基于损伤力学-临界面法预估多轴疲劳寿命

基于损伤力学理论建立的非线性疲劳寿命预估模型在多轴疲劳寿命预估中获得了广泛的应用,但该模型并未考虑损伤面发生的位置及其物理意义,将其与临界面法相结合提出一种新的多轴非线性疲劳寿命预估模型,新模型能够弥补现有的非线性疲劳寿命预估模型未考虑临界面物理意义的不足。新模型从损伤的角度来预估多轴疲劳寿命,不仅考虑了临界面上裂纹形成及扩展的物理意义、相位差对附加强化现象的影响,而且对非对称加载下的平均应变进行修正。新模型仅仅利用单轴疲劳试验数据以及单轴疲劳材料常数就可以预估出试样的多轴疲劳寿命,从而避免了代价高昂的多轴疲劳试验。采用45钢、316不锈钢、钛合金TC4三种材料的多轴疲劳试验数据对提出的模型进行评估和验证,对几种材料比例/非比例以及对称/非对称加载下的多轴疲劳寿命进行预估,预估结果与试验结果的误差都在5%以内,结果表明提出的多轴非线性疲劳寿命预估模型具有较高的预估精度。     

Prediction of multiaxial fatigue life for notched specimens of titanium alloy TC4

Both the proportional and nonproportional multiaxial fatigue tests were conducted on two kinds of notched specimens of titanium alloy TC4. The multiaxial fatigue critical area of notched specimen is considered as the location experiencing the maximum damage. It is unsatisfactory to predict the multiaxial fatigue life with the local stress and strain in the fatigue critical area. The critical distance concepts are employed in the multiaxial life prediction method for notched specimens. The proposed method was checked by the test data of TC4 notched specimens. The prediction results are almost within a factor of three scatter band of the test results.     

基于塑性应变能的涡轮盘多轴疲劳寿命预测方法

在分析疲劳裂纹产生机理的基础上,将塑性应变能和临界平面结合起来,同时引入剪应变能比例因子,提出一种新的多轴损伤参量,通过试棒单轴低循环疲劳试验应力应变曲线得到总的塑性应变能,进而得到一种新的多轴疲劳寿命预测模型。通过对比分析,得到了最佳剪应变能比例因子。使用该模型、Chen-Xu-Huang(CXH)模型、Liu-Wang(LW)模型对某型发动机涡轮盘销钉孔低循环疲劳寿命进行预测,并与真盘试验结果进行对比。结果表明,该多轴疲劳寿命预测模型预测误差为20.5%,优于CXH和LW模型。     

基于焊缝品质参数区间模型的疲劳寿命预测方法

疲劳寿命预测中,焊缝品质参数如材料弹性模量E、疲劳强度系数σ′f和指数b、疲劳延性系数ε′f和指数c往往存在不确定性。运用随机-遗传算法对焊缝品质参数进行区间估计,并结合Manson-Coffin公式构建上述不确定因素的区间模型,提出了一种疲劳寿命区间预测方法。首先,在双轴疲劳试验机上进行了基于应变控制的焊接试件疲劳寿命试验。其次,针对疲劳寿命试验数据,运用随机-遗传算法构建了焊缝品质参数区间求解模型,并结合Manson-Coffin公式建立了疲劳寿命区间预测模型。最后通过模型预测数据与试验数据对比证实了预测模型的精确性以及考虑焊缝品质参数不确定性的合理性。     

不同损伤参量对橡胶隔振器疲劳寿命预测结果影响的研究

基于橡胶哑铃形试件的疲劳试验结果,分别以最大主工程应变、最大主对数应变、最大主Green-Lagrange应变、八面体切应变、应变能密度、Luo等效应力、Saintier等效应力为损伤参量建立七种橡胶疲劳寿命预测模型。应用此七种模型预测某汽车动力总成橡胶悬置的疲劳寿命,对比不同寿命模型的预测效果。研究结果表明,以最大主工程应变、最大主对数应变、最大主Green-Lagrange应变、八面体切应变、应变能密度为损伤参量建立的寿命模型预测的疲劳寿命均在实测寿命的4倍分散线之内;以Luo应力、Saintiter应力为损伤参量建立的寿命预测模型的预测寿命落在实测寿命的2倍分散线之内。因此,以Luo应力、Saintiter应力为损伤参量建立的寿命预测模型预测效果更好,Luo应力、Saintier应力更适合作为疲劳损伤参量来预测橡胶隔振器的疲劳寿命。     

LIFE PREDICTION APPROACH FOR RANDOM MULTIAXIAL FATIGUE

According to the concept of critical plane, a life prediction approach for random multiaxial fatigue is presented. First, the critical plane under the multiaxial random loading is determined based on the concept of the weight-averaged maximum shear strain direction. Then the shear and normal strain histories on the determined critical plane are calculated and taken as the subject of multiaxial load simplifying and multiaxial cycle counting. Furthermore, a multiaxial fatigue life prediction model including the parameters resulted from multiaxial cycle counting is presented and applied to calculating the fatigue damage generated from each cycle. Finally, the cumulative damage is added up using Miner's linear rule, and the fatigue prediction life is given. The experiments under multiaxial loading blocks are used for the verification of the proposed method. The prediction has a good correction with the experimental results.