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现代设计方法3


2012/5/5

《现代机械设计方法 现代机械设计方法》 》之:

疲劳与寿命设计法
疲劳破坏是机械设备的主要破坏形式(80%~90%); 疲劳破坏往往造成重大的经济损失和人员伤亡;

疲劳与寿命设计法
主讲:简小刚 同济大学机械设计及理论研究所

通过试验、计算或监控手段,防止

疲劳失效及其造成的事故,保障设 备使用安全是疲劳与寿命设计的主要目的。

为何会失效?
? 应? 应?:引起?件失效的因素。
– 单位面积上所承受的作用?大小。 – 如?伸应?、剪?应?、弯曲应?、 动态应?。 – 应?为随机变?,以统计分布来描 述。

为何会失效?
? 应?>强? ? 失效 或 ?可靠。

? 强? 强?:阻止?件失效的因素 强?:阻止?件失效的因素。
– 单位面积上所承受的作用?大小。 – 如?伸应?、剪?应?、弯曲应?、 动态应?。 – 强?为随机变?,以统计分布来描 述。

为何会失效?
? 产品因退化 退化而强??低 ? 失效。

为何会失效?
? 即使强?有所提升,但潜在疵病 潜在疵病仍可能引致失 效。

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如何不失效?
? 高加速应?筛选试验技术(HASS)剔除 剔除潜在 潜在 疵病所引起的早期失效。 疵病 ? 高加速寿命试验技术(HALT)提升产品强? 提升产品强?。

疲劳现象的基本认识
疲劳及疲劳破坏:由于固体内部微观组织中位错的存在,在外部交变 载荷作用下,裂纹萌生、裂纹扩展直至固体发生破坏的过程。 内因:金属中的晶体的位错 外因:交变载荷 过程:损伤累积的过程,有明显的裂纹萌生和扩展过程 特点:低应力循环延时断裂、突然断裂、对缺陷十分敏感

裂纹萌生-材料内部缺陷

裂纹萌生-材料内部缺陷

裂纹的扩展
一个疲劳 源 疲劳条 纹 疲 劳 裂 纹 扩 展 区

非疲劳破坏与疲劳破坏

疲 劳 源 区

断裂强度(Speak)

循环(Sa,Sm)i

瞬间断裂

损伤累积

两个疲劳 源

微裂纹

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抗疲劳保障安全的手段
通过计算分析和试验考核手段,进行疲劳寿命设计。根据用户要求设 计,不参与使用过程。
载 数据库 材料数据 荷 寿命估算

抗疲劳保障安全的手段
通过监控手段,建立疲劳寿命动态估计和安全预警机制,参与使用过 程,当设备濒临破坏时,给出预警,以便用户进行维护和更换。

是 即将破坏 即将破坏? 预警计算 失败 通过 信号监控 否

用户要求

CAD/CAE 失败 量产 试 验 通过 产品试制

用户使用

设计方案

调整使用行为

疲劳寿命
疲劳设计的目标量化 疲劳寿命:设备在正常使用过程中,所承受交变载荷的循环次数。

疲劳破坏研究的基本内容
内因:材料的基本特性、几何尺 寸、表面处理等抗疲劳性质
循环(Sa,Sm)i

裂纹萌生寿命 外因:载荷特征的提取及其对疲 外因 载荷特征的提取及其对疲 劳过程的影响 裂纹扩展寿命 疲劳模型:综合内因和外因的疲 劳过程,内因和外因作用于疲劳 过程的数学表达

损伤累积

总寿命

工程实用疲劳理论
疲劳分析经典五框图 过程 外因 载荷

工程实用疲劳理论
疲劳设计的目标量化 疲劳寿命:设备在正常使用过程中,所承受交变载荷的循环次数。

几何尺寸、加工 内因 材料属性

疲劳模型

疲劳寿命

裂纹萌生寿命 局部应变(e-N)法

裂纹扩展寿命 断裂力学方法(LEFM) 损伤容限法

总寿命 名义应力(S-N)法

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名义应力(S-N)法
同样的名义应力,同样的总寿命

名义应力法平均应力修正
同样的应力幅值,均值应力大,则寿命短

ΔS = SRI1 ( N f

)

b1

σa σm + =1 σ ?1 σ b

ΔS

Nf

名义应力法其它修正
Kf -- 应力集中; msur-- 表面加工质量以及表面处理; msize--尺寸效应; …

局部应变(e-N)法
同样的局部应变,同样的裂纹萌生寿命

ε t′ =

σ f′
E

(2N )
f

b

+ ε f ′ (2N f

)

c

S3′ = S3

1 Kf′

ΔS

Se′ = Se

msur msize Kf

εa

Nf

2Nf

局部应变法修正
平均应力:根据Neuber法则算平均应力,应用SWT方法或Morrow方 法修正eN曲线 表面加工质量和表面处理 应力集中 …

线弹性断裂力学法(LEFM)
同样的应力强度因子,同样的裂纹扩展速率

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疲劳损伤的定义
若结构在应力幅为ΔS 的载荷作用下,其疲劳寿命为Nf ,则单次幅值为 ΔS 的载荷循环对结构造成的损伤为:

疲劳损伤的定义
若结构在应力幅为ΔSi 的载荷作用下,其疲劳寿命为Nf i,则n次幅值为 ΔSi 的载荷循环对结构造成的损伤为:

1 Nf

n N fi

ΔS

ΔSi

Nf

Nfi

损伤的线性累加准则
损伤的线性累加(Miner)准则:不同应力幅的载荷混合作用下,载荷 循环对结构造成的损伤为:

载荷谱处理与损伤累积
实际工作中,结构所受的载荷是不规则的,具有一定的随机性,在物 理样机形成之前的设计阶段,较难在试验台上再现

Σ=

n n1 n + 2 + 3 + ... Nf1 N f 2 N f 3

ΔS 1 ΔS 2 ΔS 3

Nff1 N 1 Nf2 Nf3

载荷谱的特征提取:雨流法
应用雨流计数方法,统计载荷的均值和幅值分布

变载荷损伤累积和寿命计算
根据计数结果,对个循环计算损伤值,并累加计算寿命
S3′ = S3 1 K f′

( S a , S m , n)i
m m S e′ = Se sur size Kf

n N f ( Sa , Sm )

雨流计数统计



repeats =

1 Σ

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载荷谱的获取和应用
疲劳模型大多以应变或应力为基本的载荷输入,若载荷谱测录能直接 获取局部应力应变,则疲劳寿命可以直接计算; 对于非直接测量的其它载荷谱信息,通常有两种用途: ? 模拟试验机,通过试验得到寿命,用于物理样机的寿命考核; ? 在有限元计算结果中作为边界条件加入,求解动应力应变谱,然后 带入疲劳计算模型中分析寿命,用于样机之前的虚拟寿命设计;

有限元疲劳分析
作用:在设计的较早阶段就对零部件以及整机进行疲劳分析并做初步 的评估,减少疲劳寿命设计对试验的依赖,提高设计效率,降低开发 成本,缩短设计周期 基本流程: 载荷

几何尺寸、加工

有限元

疲劳模型

疲劳寿命

材料属性

有限元疲劳分析思路
直接法:以载荷谱为边界条件,在时域中加载荷步;计算成本太高, 对长载荷谱无法应用。 可处理长载荷谱的简化方法: ? 不考虑模态:准静态线性叠加法 考虑模态 模态叠加法 ? 考虑模态:模态叠加法

疲劳理论的工程应用
要获得一个合理的疲劳寿命设计,一定要调查设计目标的用途,也即 必须得到载荷谱; 每一个疲劳问题都有其明显的特殊性,在应用时应注意在基本疲劳模 型的基础上进行合理的修正; 大多数的疲劳寿命计算,尤其是有限元虚拟寿命计算,所得到的结果 都是一个概念性的值,其计算只能提供方向性的指导作用,最终的疲 劳寿命应该与试验相关联。

计算分析:

( N )′ ~
f

?N f ( x, y, z...) ?x

+

?N f ( x, y, z...) ?y
关联

+

?N f ( x, y, z...) ?z

+ ...

模拟试验:

N f ~ N f ( x, y, z...)

疲劳试验的分类
按应力状态不同分类:弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等; 按环境和接触情况不同分类:大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、接触 疲劳、热疲劳等; 按断裂寿命和应力高低不同分类:高周疲劳和低周疲劳; 高周疲劳: Nf > 105 ;σ<σs亦称低应力疲劳; 低周疲劳: Nf = 102-105 ;σ≥σs亦称高应力疲劳或应变疲 劳;

疲劳实验方法
原理:用小试样模拟实际机件的应力情况,在疲劳试验机上系统测量 材料的疲劳曲线,从而建立疲劳极限和疲劳应力判据; 试验设备:最常用的旋转弯曲疲劳试验机 将相同尺寸的疲劳试样,从0.67σb~0.4σb范围内选择几个不同的最大 循环应力σ1、σ2、…σn ,分别对每个试样进行循环加载试验,测定它 们从加载开始到试样断裂所经历的应力循环次数N1、N2、…Nn ,然 后将试验数据绘制成σmax-N N曲线或σmax-lgN lgN曲线,即疲劳曲线;

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旋转弯曲疲劳试验机

如何促发失效?
? 施加加速 加速应? 应?,促使潜在疵病或脆弱设计成失 效,以提升产品强?。

HALT & HASS的原理
? 7075-T6铝的疲劳损伤S-N曲线:
– 应?在40KSI时,疲劳断?循环数为2,000,000。 – 应?在80KSI时,疲劳断?循环数为2,000。

HALT & HASS的原理
? 温变?和筛选时间的关系:
– 温变?5oC/min需要筛选时间440hr。 – 温变?40oC/min需要筛选时间0.1hr。

? ?如对铝制?组件插脚施加1,000Hz的振动,当应 ?为40,000psi时,则将会在2,000sec后失效,而当 应?为80,000psi时,则将会在2sec后失效。

环境试验和HALT的主要差別
? 观?(鉴定 vs. 强化) ? 方法(模拟 vs. 激励) ? 技巧(微观 vs. 巨观)

基本原理 – 模拟 or 激励
? 模拟(Simulation)
– 模拟操作环境 – 试验:产品研发
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 研发 加速寿命试验(ALT) 品质鉴定试验(QT) 可靠? 可靠强化试验(RET) TAAF:可靠?成长 自然环境 诱发环境 复合环境 加速应?

? 激励(Stimulation)
– 促发疵病成失效 – 筛选:制程
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?件及制程疵病 ?组件 电?板 单机 系统 SAAF:制程?进 温?循环 随机振动 湿? 电?循环 复合环境

– 环境条件:

– 环境应?筛选

– 试验裁适

– 应?筛选裁适

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产品品质
? 产品品质的特性 产品品质的特性: – 产品离开生产线的性能。 – 产品在使用操作中保持其离开生产性能之能?。

NonNon -HALT v.s. v.s. HALT

设计

制造

试验
无执?HALT的产品寿命

? 品质保证(1940~)?环境试验?产品环境适应性 产品环境适应性。 ? 可靠?保证(1960~)?可靠?试验?产品可靠性 产品可靠性。 ? 确保产品品质及可靠?,环境试验及可靠?试验缺一 ?可。

执?HALT的产品寿命

HALT、HASS和传统方法的比较
阶段 试验类别 目的 设计 质?鉴定 符合顾客需 求 顾客能接受 HALT 最大边际 最少试件 ?进边际 先导生产 生产 HASS优化 最少成本 最大效? 最少成本 最大效?

有限元疲劳的工程应用
一个实例:散热器某焊接部位的焊点分布 ? 焊点数量? ? 焊点位置?

寿命试验 HASS研发 HASS安全性 可靠?展示 HASS 展示寿命 选择规格及 ?进可靠 出厂许可确认 ?测可靠? 设备 ? 通过 根本原因 修正?动

期望

获得所需 最少成本及 HASS后仍有 最大可靠? 足够寿命 MTBF

方法 时间 应?位准

依序模拟实 阶梯应?至 地环境 失效 数周 实地 数天 超过实地

重复HASS 最大时间压 多次重复但无 实地模拟 实地模拟 加速激发 缩 磨耗 修订轮? 数周 实地 数天 超过实地 数天 超过实地 数月 实地 数分 超过实地 数周 超过实地

基于有限元的虚拟疲 劳分析可对焊点位置 做合理的优化,大大 减少样品试验的费用

算命先生与科学家
疲劳理论,究竟是算命先生还是科学家?应用成败的关键在于细节 ? 材料试验 ? 载荷谱 ? 参数修正 ?…

综合工程
社会效应和经济性重要 基数庞大 … 合理的疲劳寿命设计
合理的区间

经济性及社会效应

疲劳可靠性

布莱尔

布什

普京

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实际案例
纯弯曲疲劳试验 房屋振动试验 大型电液伺服疲劳试验机 机架振动试验 晨光橡胶空气弹簧五百万次疲劳试验 环境疲劳试验

基于疲劳寿命的设计

Thank you!

主讲人:简小刚 If you have any questions Please E-mail: jianxgg@mail.tongji.edu.cn Or tel: 18917878665

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