搜索機車車輛疲勞強度分析基礎知識講解
2017-09-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
引言
基本概念:
(1)疲勞破壞: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。
(2)疲勞裂縫形成的特點:隱蔽性(裂縫形成)和瞬發性(疲勞斷裂)
(3)疲勞破壞造成的嚴重后果:
二次世界大戰期間美國制造的全焊接船舶,有近千艘出現開裂;
第一架噴氣式客機在試飛300小時后投入使用,檢修后第4天墜入地中海,打撈后結果分析顯示,壓力艙疲勞破壞引起,裂縫起源于機身開口的拐角處;
美國西弗吉尼亞的Point Pleasant橋突然毀壞,造成46人死亡,原因是由一根帶環拉桿中的缺陷在疲勞、腐蝕的作用下擴展到臨界尺寸而引起;
有報告指出:斷裂使美國一年損失1190億美元。
1、在機車車輛行業疲勞研究的重要性:
1)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。
2)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。
3)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。
4)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。
2、疲勞研究存在的最大問題:
1)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。
2)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。
3)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。
4)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。
3、疲勞斷裂的產生: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。
4、提高構件疲勞強度的基本途徑: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。
5、疲勞問題研究的分類:
1)疲勞裂紋的形成和擴展機理、規律方面的基礎性研究 ;
2) 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。
6、疲勞定義
疲勞一詞的英文是Fatigue,意思是“勞累、疲倦”。
作為專業術語,用來表達材料在循環載荷作用下的損傷和破壞。
國際標準化組織(ISO)在1964年發表的報告《金屬疲勞試驗的一般原理》中對疲勞所做得定義是“金屬材料在應力或應變的反復作用下所發生的性能變化叫做疲勞;雖然在一般情況下,這個術語特指那些導致開裂或破壞的性能變化”。
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