汽车材料疲劳分析

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本文首先简要介绍疲劳破坏，然后对汽车材料疲劳破坏进行分析讨论，给出几种有效估算疲劳寿命的分析方法。
疲劳破坏涉及面之广几乎涵括汽车、铁路、航空航天、能源、军事国防、海洋油气工程及一般机器制造等各个工业领域，这说明了其问题严重性。对疲劳研究尤其是金属材料是和国民经济发展有密切联系的学科。汽车作为人类出行密不可分的工具，对其疲劳分析研究尤为重要。
1.疲劳的基本理论

1.1.疲劳定义和特点
许多机械零件和工程构件，是承受交变载荷工作的。当材料或结构在在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，但经过长时间的应力反复循环作用以后，也会发生突然脆性断裂，这种现象叫做疲劳破坏。其具有受交变力、作用时间长、断裂瞬时发生且疲劳断裂区都是脆性等特点。
1.2.疲劳破坏过程和类别
疲劳破坏的过程为：在循环交变载荷作用下，在零部件局部最高应力处的晶粒上形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展，最终导致疲劳断裂经历了疲劳成核-微观裂纹生长-最后断裂三个阶段。
金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为：高周疲劳、低周疲劳、热疲劳、腐蚀疲劳和接触疲劳等。
2.汽车材料疲劳

2.1.汽车材料疲劳破坏
汽车长期运行中所承受的外部载荷是循环动态交变载荷，在这种载荷作用下，汽车的许多零构件上都产生动态应力，引起疲劳损伤，其疲劳破坏形式多为疲劳断裂。
疲劳断裂是汽车零部件最主要的失效形式，具有断裂前没有可见裂纹、功能改变等预兆等特点，导致了人们生命财产巨大损失。但是其可以预防，如果在汽车设计、生产、使用、维护人员具备相关疲劳失效知识，可以减少1/3以上的损失。
2.2.汽车材料疲劳破坏原因
汽车材料疲劳失效产生与汽车的设计、生产、使用、维护息息相关，比如：在设计中对疲劳破坏考虑与否；在材料加工过程中，加工工艺水平高低；车辆使用中的定期检修情况或遭受意外冲击等；恶劣复杂行驶环境等；都是造成其疲劳破坏的原因。
因此应加强相关人员对汽车疲劳破坏原因的了解，加以预防的。
3.汽车疲劳寿命分析

出于经济性和可靠性的考虑，人们对汽车疲劳的研究主要集中在汽车件产品开发设计阶段，主要是对疲劳寿命的预测，已经取得了很好的实际效果。
目前在汽车工业中，在疲劳寿命的预测，主要集中在对关键零构件，如车轮、轮毂、轮轴、转向节和悬挂臂等预测上，因为此类零构件的疲劳断裂最容易产生危险事故。
3.1.疲劳分析方法
在工程中应用的疲劳寿命估算基本方法有三类：
3.1.1.名义应力法
名义应力法（S-N曲线法）也称应力寿命法，表达了名义应力或弹性应力和总寿命之间的关系。其主要基于从试样中测出S-N曲线，并考虑实际零构件与试样在载荷作用下疲劳危险部位的应力集中系数、名义应力、表面处理及等性质参数的差别，加以修正S-N 曲线，运用线性疲劳累积损伤理论进行寿命估算。该方法可有效用于低应力高周疲劳寿命的预测，例如对某些复杂零部件和焊接构件的预测，能够获得合理的预测结果。
3.1.2.局部应变法
局部应变法（ε -N法），也称裂纹起始寿命法，它将局部应力-应变法估算出的疲劳裂纹萌生寿命和用断裂力学估算的裂纹扩展寿命相加即为总寿命一种方法。实际应用中，要同时考虑塑性应变和注意载荷施加顺序的影响，还应考虑试样的平均应力、表面处理工艺以及表面光洁度等的影响，这样才能获得更加符合实际的预测结果。工程实践证明，比较适用于高应力低周疲劳寿命。
3.1.3.裂纹扩展寿命法
由于在汽车设计制造或使用环境的原因，可能造成零构件已经有裂纹或缺陷存在，对这些裂纹或缺陷的剩余疲劳寿命估算同样是保障汽车结构安全及延长使用寿命的一个重要环节。当前工程中预估疲劳裂纹扩展寿命理论的基础源自于Paris在1959首先提出的一种用断裂力学参数处理裂纹扩展的方法—LEFM 。随着研究的深入，获得了大量工程材料的裂纹扩展速率曲线以及对各种含裂纹构件的应力强度因子解的建立，进一步促进这些理论在工程实际中的广泛应用。
目前用在汽车工业上的疲劳寿命的预测方法，基本上是前两种方法，即为应力法和局部应变法。
3.2.基于有限元分析的疲劳寿命预测
近年来，汽车市场的激烈竞争，进一步促进了疲劳寿命预估在汽车产品设计开发中应用。随着计算机虚拟仿真技术的快速发展，基于有限元软件分析对汽车零部件疲劳寿命估算已在国内外大汽车公司得到广泛应用。与传统的静强度和常规疲劳设计方法相比，它不但避免了只能”检验”、无法“预测”被动局面，而且能给零构件疲劳寿命分布图，计算出在给定载荷作用下不同设计方案预测的疲劳寿命，进而对比优化，选出最优方案。这样，汽车企业就减少试样的数量，缩短开发周期，节省开发成本，提高产品市场竞争力，而且疲劳寿命预测更能反应车辆复杂的实际使用环境，得到顾客的认可。
有限元疲劳分析方法一般包括静态（或准静态）疲劳分析法、瞬态疲劳分析法和振动疲劳分析法等，应根据实际情况合理选择。有限元软件有多种，其中MSC.Fatigue 是一个通用性很强疲劳寿命分析工具，可灵活地用来估算复杂零构件的疲劳寿命，已在汽车和航空工业中已经得到广泛的应用。
4.结论
为了提高汽车产品的设计水平、缩短生产周期以及提高市场竞争力，必须对汽车材料进行抗疲劳寿命设计，工程实际应用，应根据载荷及结构特点，选择合理的疲劳分析方法，通过功能强大的有限元软件，进行疲劳寿命预测，进而优化产品设计，提高汽车企业自主开发能力。