機(jī)車車輛疲勞強(qiáng)度分析基礎(chǔ)知識(shí)講解

2017-09-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

引言

基本概念:

(1)疲勞破壞:零件或構(gòu)件由于交變載荷的反復(fù)作用,在它所承受的交變應(yīng)力尚未達(dá)到靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力情況下就會(huì)在零件或構(gòu)件的局部位置產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展、最后突然斷裂。這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。

(2)疲勞裂縫形成的特點(diǎn):隱蔽性(裂縫形成)和瞬發(fā)性(疲勞斷裂)

(3)疲勞破壞造成的嚴(yán)重后果:

二次世界大戰(zhàn)期間美國制造的全焊接船舶,有近千艘出現(xiàn)開裂;

第一架噴氣式客機(jī)在試飛300小時(shí)后投入使用,檢修后第4天墜入地中海,打撈后結(jié)果分析顯示,壓力艙疲勞破壞引起,裂縫起源于機(jī)身開口的拐角處;

美國西弗吉尼亞的Point Pleasant橋突然毀壞,造成46人死亡,原因是由一根帶環(huán)拉桿中的缺陷在疲勞、腐蝕的作用下擴(kuò)展到臨界尺寸而引起;

有報(bào)告指出:斷裂使美國一年損失1190億美元。

1、在機(jī)車車輛行業(yè)疲勞研究的重要性:

1)金屬的疲勞破壞形式和機(jī)理不同與靜載破壞,所以零件疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算不能為經(jīng)典的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算所替代,屬于動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

2)隨著機(jī)車車輛向高速、大功率和輕量化方向的迅速發(fā)展,其疲勞強(qiáng)度及其可靠性的要求也越來越高。

3)近幾年隨著我國鐵路的不斷提速,機(jī)車、車輛和道軌等鐵路設(shè)施的疲勞斷裂事故不斷發(fā)生,越來越引起人們的重視。

4)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)及其研究正在成為我國高速機(jī)車車輛設(shè)計(jì)制造中的一項(xiàng)不可缺少的和重要的工作。

2、疲勞研究存在的最大問題:

1)有相當(dāng)多的學(xué)者和工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究,得到了許多關(guān)于金屬疲勞損傷和斷裂的理論及有關(guān)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)。

2)但是由于疲勞破壞的影響因素多而復(fù)雜并且這些因素互相影響又與構(gòu)件的實(shí)際情況密切相關(guān),使得其應(yīng)用性成果尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)應(yīng)用的需要。

3)至今有約90%的機(jī)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。

4)因此,在21世紀(jì)的今天,尤其是在高速和大功率化的新產(chǎn)品的開發(fā)制造中,其疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命的設(shè)計(jì)十分重要,并且往往需要同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

3、疲勞斷裂的產(chǎn)生:是因?yàn)樵诹慵驑?gòu)件表層上的高應(yīng)力或強(qiáng)度比較低弱的部位區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋,并進(jìn)一步擴(kuò)展而造成的。

這些危險(xiǎn)部位小到幾個(gè)毫米甚至幾十個(gè)微米的范圍,零件或構(gòu)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(nèi)部缺陷等往往是這種危險(xiǎn)部位。

4、提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的基本途徑:一種是機(jī)械設(shè)計(jì)的方法,主要有優(yōu)化或改善缺口形狀,改進(jìn)加工工藝工程和質(zhì)量等手段將危險(xiǎn)點(diǎn)的峰值應(yīng)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(xiǎn)點(diǎn)局部區(qū)域的疲勞強(qiáng)度提高,或者是提高冶金質(zhì)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(qū)域。

在解決實(shí)際工程問題時(shí),往往需要結(jié)合運(yùn)用以上兩種方法進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和研究。合理地利用各種提高疲勞強(qiáng)度的手段,可以有效地提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度或延長其疲勞壽命,并起到輕量化的作用。

5、疲勞問題研究的分類:

1)疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展機(jī)理、規(guī)律方面的基礎(chǔ)性研究 ;

2) 疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及提高疲勞強(qiáng)度的有效途徑等應(yīng)用性研究。

6、疲勞定義

疲勞一詞的英文是Fatigue,意思是“勞累、疲倦”。

作為專業(yè)術(shù)語,用來表達(dá)材料在循環(huán)載荷作用下的損傷和破壞。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在1964年發(fā)表的報(bào)告《金屬疲勞試驗(yàn)的一般原理》中對(duì)疲勞所做得定義是“金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫做疲勞;雖然在一般情況下,這個(gè)術(shù)語特指那些導(dǎo)致開裂或破壞的性能變化”。

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