疲劳试验论文范文（精选10篇）
疲劳试验论文 第1篇
1 试验概况
1.1 材料选择
根据沥青混合料对各种组成材料的技术要求和试验的主要目的,确定试验用沥青为韩国SK70#沥青,其各项技术指标如表1所示。集料为淮南产石灰岩,密度试验结果如表2所示。
1.2 配合比设计
沥青混合料的配合比设计包括矿质混合料配合比设计和确定沥青最佳用量2个部分。合理的矿料级配使沥青混合料之间拌和均匀,不致产生离析现象。适量的沥青用量,可以避免混合料疏松或结团现象。
根据沥青混合料的配合比设计要求,最终确定矿质混合料配合比为:2#料∶3#料∶4#料∶矿粉=32∶25∶42∶1,沥青最佳用量为4.8%。
2.3 试验方法
沥青混合料疲劳性能试验方法可以分为3种类型:第1种是实际路面在真实汽车载荷作用下的疲劳试验;第2种是足尺路面结构在模拟汽车载荷作用下的疲劳试验,如环道试验;第3种是试验室内的小型疲劳试验。由于前2种试验方法耗资大、周期长、应用并不广泛。而室内小型疲劳试验因其周期短、费用低而得到大量应用。
在选择疲劳试验方法时,应该考虑的因素主要有:对现场的模拟程度、试验结果的可应用性、试验方法的简便性和现场修正因素等。
综合考虑以上各因素的影响,疲劳试验采用小梁试件,其尺寸为100 mm100 mm400 mm。疲劳试验的试验温度为25℃、-5℃。其中-5℃的养护采用江苏省某仪器厂生产的-40D/160低温养护箱。
疲劳试验采用等幅加载,加载波形为正弦波,频率为0.1 Hz。为了加快试验速度,在相邻波形之间不插入间歇时间。为避免长时间试验可能出现的试件脱空现象,从而对试件产生冲击作用,本试验设置正弦波荷载的最小荷载为最大荷载的2%。而且,在正式试验开始前,以最小荷载对试件进行预加载,以使各部件接触良好。
沥青混合料的疲劳响应与加载控制方式有关。通常有两种控制方式:控制应力和控制应变。应力控制方式的再现能力较好,所需的试验时间较短,一般以试件断裂作为疲劳损坏标准,疲劳破坏的定义明确。另外,应力控制试验所需试件数量较少,试验数据离散性较小,应力精度控制可靠,且容易设定试件破坏状态。而应变控制方式,试件一般不会出现明显断裂破坏,而一般以混合料劲度下降到初始劲度的50%或更低为疲劳损坏标准,因此具有一定的随意性,且在技术应用上存在一定困难。
综上所述,本试验采用应力控制的加载方式,应力比为0.5、0.6和0.7三种应力水平控制加载,荷载和变形均用计算机动态采集。试验温度为25℃、-5℃,每个温度条件下12个试件,共24个疲劳试件,其中6个试件用于测定其极限承载力,18个用于疲劳试验。
3 疲劳试验结果与分析
3.1 试验结果
疲劳试验前,在25℃和-5℃分别用3个试件测定其极限承载力,以便计算疲劳试验的应力比。试验结果如表3所示。
根据极限承载力的试验结果,预测25℃和-5℃时小梁疲劳破坏极限承载力分别为5.617 kN和17.167 k N,疲劳试验加载频率为0.1 Hz。疲劳寿命如表4所示。
由表4可以看出,在25℃和-5℃时,加载应力水平对疲劳寿命有明显的影响,随着加载应力水平的提高,沥青混合料的疲劳寿命是不断降低的。这就是说,低应力水平时,疲劳寿命高;高应力水平时,疲劳寿命低。典型的疲劳循环曲线如图1和图2所示。
2.2试验结果分析
对于一种沥青混合料试件而言,可以对其在不同应力水平下的疲劳寿命进行回归分析,得到其双对数直线关系为:
式中:Nf为不同应力水平条件下的疲劳寿命;σ为应力水平;k,n为回归系数。
按式(1)进行线性回归,得到沥青混合料在25℃和-5℃的回归方程如式(2)、式(3)所示:
式(1)中的系数k和n随着沥青混合料种类的不同而有较大的差异。n值代表了图中双对数坐标下疲劳曲线的斜率,反映了沥青混合料疲劳寿命对所施加应力的敏感程度,n越大,表明疲劳寿命对应力的敏感程度越大。k值代表了疲劳曲线的位置,k值越大,曲线越靠向上方,沥青混合料的疲劳阻抗越高。
3耗散能原理预测疲劳寿命
由于沥青混合料是一种粘弹性材料,其疲劳破坏可以用累积耗散能的形式来表示[2]。
大量的试验研究表明[3,4],在沥青混合料的疲劳破坏过程中,累积耗散能与疲劳寿命之间存在唯一的关系。运用耗散能理论分析沥青混合料的疲劳过程,可以得到沥青混合料的疲劳方程,即沥青混合料的疲劳寿命NF与达到疲劳破坏时的总能耗WF之间的简单关系为:
式中:A、B为试验中确定的材料参数,因沥青混合料的不同而不同。在双对数坐标系中上式是直线方程,是直线的截距,B是直线的斜率。
通过试验确定了参数A、B,就可以预测沥青混合料的疲劳寿命并进行能耗分析。
按照耗散能理论,可以得到沥青混合料的疲劳寿命和累积耗散能,计算结果如表5所示。
运用此规律对试验数据进行线性回归,可以得到沥青混合料用累积耗散能表示的疲劳方程
4 结论
通过室内小梁疲劳试验,并对试验结果进行统计分析得到以下主要结论:沥青混合料的疲劳寿命是随着加载应力水平的提高而不断降低的;沥青混合料的耗散能与疲劳特性之间存在良好的关系,能够较好地反映沥青混合料的疲劳过程,是分析和预测沥青混合料疲劳寿命的有效方法。
参考文献
[1]Rust F C,Mahoney j P.Sorenson J B.An international view of pavement engineering.In:R.S Nordal and G.Refsdal,Proc.5thInt.Conf.on Bearing Capacity of Road and Airfields.Tronheim,Norway,1998(1):1-15.
[2]刘伟民,黄晓明.基于耗散能原理的沥青混合料疲劳特性分析[J].河南科技大学学报(自然科学版),2006,27(2):23-25.
[3]Van Dijk W.Practical Fatigue Characterization of Bituminous Mixes,Proceedings of the Association of Asphalt Paving Technologists[J].Arizona:Phoenix,1975,44.
[4]田小革,郑健龙,许志鸿.沥青混合料的低频疲劳效应研究[J].力学与实践,2002,24(2):34-36.
锯链传动片疲劳试验失效分析 第2篇
锯链传动片疲劳试验失效分析
国产锯链在高速空载疲劳试验时出现早期损坏,其寿命比同型号的OREGON锯链短很多.通过化学成分、金相组织、表面硬度及零件制造精度的检测对比分析,认为这是由于国产锯链传动片、连接片和切齿片的制造精度不高,实际孔距尺寸偏大,使得锯链节距大于链轮分度圆节距.这时锯链与链轮的相互位置关系就无法保证,锯链与链轮的`啮合状况变坏,传动过程中将产生冲击、滑移窜动、爬高、张力波动等现象,使锯链的负荷成倍增加,尤其是传动片清理齿齿尖部位承受长期反复的冲击载荷,从而导致早期疲劳断裂.提高零件制造精度后,锯链与链轮的啮合状况正常,高速空载疲劳试验寿命达到要求.
作 者：潘一凡 Pan Yifan 作者单位：南京林业大学,南京,210037刊 名：森林工程英文刊名：FOREST ENGINEERING年，卷(期)：25(2)分类号：S776.31关键词：锯链 链轮 节距 冲击 疲劳断裂
钢丝绳弯曲疲劳试验机探析 第3篇
关键词:钢丝绳;弯曲;疲劳;试验机
中图分类号:TD532 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0156-01
自Berkeley大学的David Mar与Steven Tipping申请层间弯曲疲劳试验专利以来,在国内尚未见到弯曲疲劳试验技术的权威性著作及设计规范,国内当前只有少数学者对其进行研究,在理论和应用方面都存在一系列有待解决的问题:弯曲疲劳试验的工作机理和动力特性;竖向荷载作用下的内力分布特点;弯曲疲劳试验可靠性的研究;弯曲疲劳试验钢丝绳的设计方法。相信弯曲疲劳试验技术的研究定会进一步促进钢丝绳在工程中的广泛的应用。
一、试验机的研制
试样为直径16mm,长360mm的6×19S+FC(西鲁式纤维芯结构)钢丝绳,其两端各有一长110mm的圆柱形套筒用于试验机夹持,套筒表面里端刨出平台用于安装AE换能器。在结构自振周期超过1.0s后,结构加速度值随自振周期的延长而减少,而位移随自振周期的延长而增大,且在2.0-4.0s范围内,位移的增大比较缓慢,因此,在Ⅱ类场地上,将弯曲疲劳试验结构的自振周期控制在2.0-4.0s范围内,可取得较好的弯曲试验效果。结构自振周期为2.0-3.0s时,结构加速度有一个峰值,但位移峰值在3.5s左右,因此,在Ⅳ类场地上,钢丝绳结构的自振周期宜控制在2s或>4s,否则弯曲疲劳试验效果并不好。此外,《规程》还规定:弯曲疲劳试验房屋两个方向的基本周期相差不宜超过较小值的30%,原因是钢丝绳所在场地在任何方向的设计反应谱通常是相同的,若钢丝绳在两个方向的基本周期相差过大,将导致两个方向的弯曲疲劳试验效果也差别很大,所以应对两个方向的弯曲疲劳试验周期的差别有所限制。循环加载试验是在具有±250kN能力的Schenck电液伺服试验机上进行。试验参数设置为:循环频率5Hz;循环载荷最大值S分别为破断拉力Smax的35%、38%、4l%、44X,47%和50少;应力比尺=0,l。共对两组钢丝绳进行了AE测试。一组8根用于断丝检测及断口分析,根据经验及判废规则将这组钢丝绳的疲劳寿命定义为第6根断丝时刻,故这组实验只进行到6-8根断丝为止。另一组4根钢丝绳进行到完全失效,目的是检验其疲劳过程的AE表征情况。
疲劳试验次数采用计数器直接数字显示,可通过设置计数器的限值次数,当试验次数达到设定值时,计数器停止计数,同时给控制系统发出信号,控制系统切断电动机的运转。另外,为防止试验过程中样品断裂、损坏而导致试验台出现卡阻等情况,试验台设置了限位开关,在试验张紧装置超过正常的运动行程后,切断控制系统和电动机的供电;同时在变频器中设置最大允许电流,当试验台因为各种情况出现卡阻输出电流增大时,自动切断控制。
二、钢丝绳的弯曲疲劳试验
(一)钢丝绳的弯曲疲劳试验过程
在初步确定了各钢丝绳支座的型号及参数后,还应确定出钢丝绳的水平刚度和阻尼比等参数,然后将这些参数及上部结构参数代入计算模型,进行钢丝绳结构的动力分析计算。当上部结构的水平疲劳试验作用可降低至与假设的情况大致相同,且各钢丝绳支座的位移都小于水平位移限值,钢丝绳支座的布置才可确定。
一般而言,弯曲疲劳试验装置应具备如下的性能才能有效达到作用的目的:第一,弯曲疲劳试验装置不仅要能承担上部建筑物的重量,而且在竖向荷载作用下变形较小,这是对其竖向承载力和竖向刚度的基本要求;第二,水平向须具有充分的柔度即较小的水平刚度,以延长结构的自振周期,减少上部结构的加速度反应和下部结构的层间剪力;第三,为了限制结构位移,使振动衰减,还必须有适当的阻尼。第四,建筑物的设计使用年限一般为50年,支座的耐久年限应不少于此。在偶然事件下(例如:火灾),支座应仍有一段时间在发挥作用。所以,作为工程设计人员,对弯曲疲劳试验装置的性能掌握的充分性与否,直接影响到弯曲疲劳试验建筑设计的优劣程度。
(二)试验机特点
新研发的液压式矿用钢丝绳弯曲疲劳试验机有如下特点:
(1)通用性较强。“安装前应对工程中所用的各种类和规格的原型部件进行抽样检测,每一规格和每种类的数量不应少于3个,抽样合格率应为100%”。但是,多数情况下是设计人员依据弯曲疲劳试验装置生产厂家的产品目录进行选用(我国尚未有统一的橡胶弯曲疲劳试验支座工业规格)。所以,设计人员不但要熟悉弯曲疲劳试验支座的各项性能,而且还应掌握对其进行试验的方法,以确保弯曲疲劳试验装置的耐久性和力学性能。
(2)与实际工况基本一致。采用1:1的钢丝绳卷绕试验轮,与实际工况基本一致。
(3)频率范围宽。可在(20-120)次/min频率范围内进行试验。
(4)自动化程度较高。设有光电在线计数装置,液压系统和液压马达使用专用控制箱,采用千斤顶加载和压力传感器测量并显示负荷,并利用USB接口与电脑进行数据交换和储存。
(5)结构简单。试验机共用一个油箱,采用不同规格的液压泵给液压马达和加载油缸供油,占用空间小。
参考文献:
[1]全国钢标准化技术委员会.GB/T12347-1996钢丝绳弯曲疲劳试验方法[S].北京:中国标准出版社,2006
[2]全国钢标准化技术委员会.GB8918-2006重要用途钢丝绳[S].北京:中国标准出版社,2006
[3]傅泉臻.液压式矿用钢丝绳弯曲疲劳试验机的研究[J].金属制品,2011,10
橡胶沥青混合料疲劳试验 第4篇
关键词：橡胶沥青混合料,疲劳试验,试验分析
橡胶沥青是以沥青为基质,使用废旧轮胎磨细而成的橡胶粉进行改性的一种改性沥青。橡胶沥青混合料可以有效降低路面噪声,延缓反射裂缝,减薄路面厚度,对抵抗低温开裂有明显的优势。橡胶沥青使用废旧的橡胶粉,可有效利用废旧轮胎,减少污染和处理费用,符合循环经济原则。同时,橡胶沥青相较其他改性沥青,成本较低,具有良好的经济性。
对橡胶沥青混合料的疲劳试验及分析进行了研究。
1 试验材料
使用埃索70号沥青作为基质沥青,外掺22%的山东邹平产40目橡胶粉进行改性。橡胶沥青指标见表1。
石料使用江苏沭阳的玄武岩和浙江湖州的石灰岩,使用各分档集料配料。混合料不用矿粉,使用2%的普通硅酸盐水泥。混合料级配见表2。
橡胶沥青混合料在180 ℃条件下拌合,沥青用量为9%,使用小型振动压路机压实。
2 疲劳试验方案
2.1 试验设备
采用四点梁弯曲疲劳试验(Four Point Bending Fatigue Test,AA-SHTOTP8-94)评价橡胶沥青混合料的疲劳性能。仪器使用澳大利亚IPC公司生产的四点弯曲疲劳试验机。
使用疲劳程序模块,可以显示试验过程中的最大/最小弯拉应力,最大/最小弯拉应变,劲度模量,荷载,挠度,相位角,耗散能等试验结果。
2.2 试验过程
1)成型试件。
根据设计的级配和油石比,采用振动压实成型试件,切割成尺寸为400 mm×63 mm×50 mm的小梁,压实方向做好标记,试验时加载方向和压实方向一致;
2)试件保温。
将试件放入(20±0.5)℃的保温箱中至少保温2 h,以使试件温度达到试验要求的温度;
3)打开控制程序和试验设备。
开通气源,冷干机,打开控制程序;
4)试验。
设定好试验参数,将试件放入夹固内,夹紧试件,开始试验。
2.3 试验方案
橡胶沥青混合料用作旧路面白改黑夹层,高沥青用量和低孔隙率,级配偏细,以提高其疲劳性能。对于疲劳试验,有应力控制和应变控制两种模式。应力控制模式为实验过程中对试件施加恒定应力荷载,也称之为常应力疲劳试验;应变控制模式为实验过程中对试件施加恒定应变荷载,也称之为常应变疲劳试验。美国SHARP研究成果显示,对于较厚路面,采用应力控制模式更符合路面实际情况;对于较薄路面,采用应变控制模式更符合路面实际情况[1]。
对路面弹性层状体系的分析表明,面层厚度大于12.6 cm时,由于基层刚度相对比较小,荷载重复作用使面层应变增长较快,以致最后迅速增大而出现路面破裂,这一过程比较符合应力控制模式[2]。白改黑路面一般加铺层厚较薄,小于12.6 cm,适宜应变控制模式。对于橡胶沥青混合料,采用大应变疲劳试验,选取1 500 με进行试验。加载波形为半正弦,频率为10 Hz,试验在劲度模量降到初始劲度模量的15%～25%结束。
3 结果分析
疲劳程序采集数据,在设定的劲度模量减少处停止,试验采用15%～25%的初始劲度模量作为判断标准。程序默认方法为AASHTO T321方法(94),疲劳寿命定义为材料的劲度模量下降为初始劲度模量的50%时所经历的加载次数;另一种方法为考虑材料疲劳破坏不同发展阶段的耗散能(dissipated energy)变化情况,以及根据能量比(Energy Ratio)的方法[3]。Rowe和Bouldin根据Hopman的应变控制中能量比(Energy Ratio,ER)概念,提出简化能量比R
在同一应变水平下,使用50%劲度模量对应的作用次数作为疲劳寿命,各试样的劲度模量相差不大,均为2 100 MPa左右。劲度模量不同,但是疲劳寿命变化不大,说明其对劲度模量不敏感。而采用简化能量比的疲劳次数,则为50%劲度模量对应疲劳寿命的10倍左右,其累计耗散能为50%劲度模量对应疲劳的4.4倍～6.2倍,取平均值则约为5倍,说明随着荷载作用次数的增加,耗散能没有对应的成比例增加,疲劳试验后期,耗散能对作用次数的敏感性减弱,则疲劳试验对材料疲劳的区分减弱。
在图1中,劲度模量随着荷载作用次数有三个变化区段:首先,随次数增加剧烈减少,中间段随次数增加而减少趋于平缓,末段劲度模量减少速率又增加了,末段大致对应着简化能量比的峰值。在末段,试件内部微裂缝发生并发展,新增加界面需要耗费更多能量。而50%劲度模量对应的区段尚在中间段,即没有明显的变化段,不能很好的反映材料的疲劳性能。
Rowe和Bouldin提出,在疲劳试验中沥青混合料表现出四个不同阶段:内部加热阶段,微裂缝形成阶段,裂缝形成以及发展阶段。在50%劲度模量情况下,材料内部可能没有达到裂缝形成和发展阶段就已经停止了试验。累计耗散能相差5倍,说明使用简化能量比方式更能够反映裂缝形成和发展阶段。
4 结语
橡胶沥青混合料应变控制模式下的疲劳试验,使用传统的50%劲度模量对应的疲劳使命时,材料可能没有达到其疲劳寿命,而使用简化能量比则能较好的反映材料疲劳情况。疲劳试验不应该在劲度模量降低到初始的50%就停止,而应继续到劲度模量的20%左右结束。
参考文献
[1]J.C.Petersen,R.E.Robertson,J.F.Branthaver,et al.BinderCharacterization and Evaluation Volume 4:Test Methods[R].1994.
[2]许志鸿,李淑明,高英,等.沥青混合料疲劳性能研究[J].交通运输工程学报,2001(3):20-24.
[3]Rowe G.M.,Bouldin M.G..IMPROVED TECHNIQUES TOEVALUATE THE FATIGUE RESISTANCE OF ASPHALTICMIXTURES[P].2nd Eurasphalt&Eurobitume Congress,Bar-celona,2000.
GE机车构架焊缝疲劳试验失效分析 第5篇
GE机车构架焊缝疲劳试验失效分析
通过对GE机车转向架构架疲劳试验失效的焊缝分析.制定了合理的工艺措施和必要的检验方法,确保构架顺利通过UIC疲劳试验.为批量生产打下基础.
作 者：李中彦 Li Zhong-yan 作者单位：南车戚墅堰机车有限公司,江苏,常州,213011刊 名：机车车辆工艺英文刊名：LOCOMOTIVE & ROLLING STOCK TECHNOLOGY年，卷(期)：2009“”(3)分类号：U260.331+.8关键词：GE机车 转向架构架 疲劳试验 失效
车架疲劳台架试验及验证 第6篇
汽车行驶过程中大梁受力状况十分复杂,它不仅承载自重和载重量的静载荷,同时承受车辆运动中的动载荷。在平坦的道路上行驶时,车架主要承受弯曲应力;在较差的路况下路面行驶时,车架上处产生弯曲应力以外,由于载荷重心偏离,车架及固定在车架上的部件产生扭转变形,横梁及固定在车架上的总成件阻碍这种变形,使车架产生扭转应力[1][4];本文运用台架检测车架刚度,进行可靠性验证,并结合有限元分析法和车辆的路试情况,判断台架试验的准确性。
1、台架试验安装
1.1 弯曲疲劳试验安装
固定车架前后悬挂安装点,固定方式采取铰接方式。固定不得影响车架变形,且能保证两纵梁形成的平面与加载方向垂直,以整车质心位置为加载点,将车架与加载设备之间通过铰接连接[3],加载时,在加载点逐次施加5kN、10kN、15kN、20kN四种载荷(试验时扣除横梁的质量),具体如下图1、2所示。
1.2 扭转疲劳试验安装
固定车架前悬挂安装点,固定方式采取铰接方式。后悬挂安装点通过铰接与横梁刚性联接。联接夹具不得影响车架变形;初始状态,加载方向与车架垂直。
加载夹具一端通过铰接与加载设备之间通过铰接连接,加载时,使后轴与车架平面所成角度为±1°、±2°、±3°、±4°四种角度[3]。
2、有限元分析
2.1 模型描述
根据车架数模及台架安装情况建立车架的有限元分析模型,如图1所示。钣金件采用SHELL单元离散,缝焊采用RBE2单元模拟[2]。分析中使用的软件有ANSA、NASTRAN和HYPERVIEW。
2.2 边界条件
弯曲刚度边界条件如图6所示,前悬架连接处约束XYZ向自由度、后悬架轮轴处约束释放X向平移和绕Y轴旋转自由度,在纵梁上位于前后约束的中点位置,左右各施加10000N的垂向载荷。
扭转刚度边界条件如图7所示,在后悬架轮轴处进行全约束,在前悬架与车架连接处局部坐标系下约束12356自由度,释放绕X轴旋转自由度,在旋转中心点施加绕X轴4°的角度。
2.3 车架应力分布
应力云图如图8、9所示。通过应力云图可知车架的应力分布比较均匀,扭转时出现最大受力区域为车架第五横梁处,后板簧前安装支座与纵梁连接处,该区域的最大应力321.8MPa,小于车架材料的抗拉强度。
3、疲劳耐久试验
3.1 试验方法
3.2 试验结果
55427次试验后,第四根横梁与纵梁焊接处出现裂纹,开裂部位与CAE分析结果的高应力区位置一致。
4、道路可靠性验证
进行两轮道路可靠性验证,台架开裂处部位,试验车辆均发生开裂。
两辆试验样车车架开裂部位相同,与台架验证情况相同,结果局部优化处理,目前问题已经解决。
5、结论
通过车架的台架疲劳试验,结合CAE分析结果与路试结果,台架试验的结果与实际情况基本保持一致,这表明车架的台架疲劳试验能够准确模拟出车架的实际强度情况,在后期的研发中可应用台架疲劳试验来检验车架强度状况,能够比较快速验证车架的薄弱点,快速整改快速验证,从而降低研发成本和研发周期。
参考文献
[1]陈家瑞.汽车构造(第四版)[M].北京:人民交通出版社,2002.
[2]张铁山,胡建立,唐云.轻型汽车车架动态有限元分析[N].南京理工大学学报,2001.25(6).
[3]石云.副车架疲劳台架试验及验证[J].传动技术,2012.26(1).
疲劳试验论文 第7篇
某车用柴油发动机出于工程应用的需要,提高了标定功率,并改变了原有的活塞、连杆模型。为了继续使用原有的曲轴并保证其工作可靠性,本文对曲轴进行了弯曲疲劳试验和疲劳寿命的分析,并提出了改进意见。现有的曲轴疲劳试验仅对曲轴进行弯曲疲劳试验,忽略了扭转振动产生的应力对曲轴疲劳寿命的影响。本文在谐振式曲轴弯曲疲劳试验的基础上,仿真模拟疲劳试验过程,获取准确的疲劳计算参数。通过多体动力学,在考虑弯扭耦合作用下分析曲轴的疲劳特性,通过子模型法优化了曲轴结构,提高了曲轴的疲劳寿命。
1 柴油机多体动力学仿真
试验用机为水冷直列四冲程6缸柴油机,缸径为128mm,行程为155mm,标定功率338 kW(1 900r/min),最大扭矩2160Nm(1450r/min),发火顺序1-5-3-6-2-4。
动力学仿真在AVL公司的发动机动力学分析软件EXCITE PowerUnit中进行。动力学仿真的模型包括弹性轴系、简易活塞连杆组和简化的弹性主轴承座在内的发动机模型。建立的动力学模型如图1所示。
模型中的减振器参数是在EXCITE Designer中计算轴系的扭转振动特性后,通过优化设计得到的最优减振器参数。安装该减振器之后,相应的曲轴最大扭转应力为41.79 MPa,出现在第六个主轴颈处。最大扭转应力值的获取为后面的弯扭耦合[1]疲劳计算提供了参考。
2 曲轴轴系动态应力分析
运用有限元法中的子结构[2]算法,通过模态分析求解器对轴系的有限元模型进行模态缩减,得到模型的刚度矩阵和质量矩阵。通过轴系的动力学分析,获得曲轴子结构模型中各处主节点的动态位移、速度和加速度。根据Galerkin对于等效动力学方程的转化方法,得到有限元条件下的结构动力学微分方程:
式中,M、D、K分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;分别为动力学系统边界位置处随时间变化的加速度、速度和位移向量;F(t)为结构承受的外部载荷向量。系统阻尼系数根据经验获取[3],外部载荷根据实测发动机示功图得到。
运用直接瞬态响应算法[4],按照给定的时间步长直接求解弯扭耦合的运动学方程,计算曲轴结构的动态应力场。
将动力学仿真获取的动态位移、速度和加速度等结果,作为曲轴有限元模型上的动态边界,采用NASTRAN有限元求解器进行瞬态响应的计算。曲轴的圆角部位通常是应力集中程度较高的部位,通过定义节点集的方式,从NASTRAN计算结果中提取出圆角部位的动态应力。图2为发动机标定工况下曲轴三维计算得到的峰值应力时刻的Von Mises应力云图。
由于轴系的一阶扭转频率为220 Hz,标定工况下轴系受扭转应力的影响较大,所以该工况下轴系最大应力比最大扭矩工况下轴系最大应力高5MPa。取标定转速下应力集中程度最大的第六曲拐曲柄销圆角处的应力峰值节点进行讨论,提取该节点处的动态应力历程,如图3所示。
在发动机720°CA循环中,每间隔5°CA计算1个应力值,共得到145个对应的应力计算结果。从该处圆角的动态应力历程曲线中可见,由于飞轮惯性效应的影响,在第一缸做功行程35°CA ATDC时,第六拐的动态应力幅值最大,位于第十二曲臂曲柄销圆角处,Von Mises应力幅值达到331MPa。
3 带斜油道的曲拐模型静力分析
由于曲轴斜油道不通过主轴颈圆角与曲柄销圆角重叠部位的中间线,对曲柄销圆角的应力集中程度影响较大,必须给予考虑。图4为第六曲拐的精细有限元模型。此模型采用六面体网格,曲柄销、主轴颈及油孔等容易出现应力集中处的网格质量较好,适合进行强度分析。由于一个单拐的网格数量达20万个,故不适合用此模型进行动力学仿真。
将动力学仿真得到的第六曲拐主自由度节点处的位移结果施加到该模型中计算应力场。为考虑有限元时域瞬态响应计算中的惯性载荷和惯性释放效应,把相应的速度和加速度结果也施加到单拐模型中,此三重边界条件可以保证单拐模型受力的准确性。静力分析得到的带油孔的曲轴Von Mises应力分布如图5所示。由于斜油道不通过主轴颈圆角与曲柄销圆角重叠部位的中间线,并且斜油道的存在减小了第十二曲臂最小危险截面的抗弯模量,使其曲柄销圆角处的应力集中程度更大,应力峰值为357.4MPa。而油孔处的应力集中程度相对较低,发生疲劳破坏的概率较小。
4 谐振式曲轴弯曲疲劳试验及仿真
4.1 弯曲疲劳试验
疲劳试验是评价曲轴结构强度的有效手段,首先在谐振式曲轴弯曲疲劳试验台(图6)上对曲轴进行了弯曲疲劳试验。
系统的激振弯矩由装在主动臂上的偏心轮产生,当偏心轮以角速度ω转动时,激振弯矩[5]为:
式中,m为偏心轮质量;R为偏心距;L为加载距离。
在标定试验载荷后,对各曲拐进行疲劳强度检测。在1.6倍载荷系数下检测3个样本,在1.75倍载荷系数下检测1个样本。试验数据如表1所示。
根据设计标准,以1107次作为该曲轴的疲劳安全寿命,可知在1.6倍载荷下,其中有一个试件未通过,1.75倍载荷下的试件未通过,可见该曲轴强度储备较少,需要进一步分析校核。
4.2 弯曲疲劳试验的仿真
弯曲疲劳试验仅考虑了曲轴工作过程中所受到的弯曲应力,忽略了扭转应力对疲劳强度的影响。现有的试验手段无法在发动机开发设计阶段对曲轴进行弯扭耦合的疲劳试验,而虚拟的疲劳计算能很好地解决这个问题。
曲轴材料性能和表面处理等是进行疲劳计算的基本参数。为准确确定这些参数,模拟了谐振式曲轴弯曲疲劳试验的整个过程,通过拟合圆角处应力的实测值和计算值,用反推的方式确定这些参数。首先建立谐振式曲轴弯曲疲劳试验台的CAE模型,如图7所示。接着根据试验弯矩,在对应位置施加载荷,加载参数均与试验取值相同。最后进行动态响应计算获取圆角应力计算值。
通过与试验数据对比,将材料参数、表面处理参数等反推出来。对比验算后,确定的参数如表2所示。
将应力计算后的曲轴模型导入有限元疲劳分析软件MSC Fatigue中,根据确定的材料参数,以实际疲劳试验加载过程中正弦信号作为疲劳计算的载荷-时间历程,计算第三曲拐的疲劳寿命,结果如图8所示。从计算结果可知,第三拐的连杆轴颈过渡圆角处对应节点的寿命为5.76106次,与试验结果基本相符。对比图9中实际疲劳损伤点,两者基本处于同一位置,证明了仿真过程的准确性。
5 弯扭耦合下的疲劳寿命计算
将第3章中第六曲拐应力计算结果导入有限元疲劳分析软件MSC Fatigue中,输入4.1节中确定的材料参数,将动力学仿真计算得到的动态应力值,做归一化处理后作为疲劳分析的动态载荷历程,计算出曲轴的疲劳寿命,结果如图10所示。可以看出,在该工况下,第六拐上最薄弱的部位在连杆轴颈的过渡圆角处,疲劳强度安全系数为1.34。疲劳强度主要受应力幅的影响,所以最大应力点疲劳强度不一定最低。第4章中用疲劳寿命来表示是因为弯曲疲劳试验时工作弯矩的取值偏于保守,曲轴会发生疲劳破坏。此结果比单纯考虑弯曲应力的计算结果更具有指导意义。
6 曲轴结构动态强度的优化
从曲轴结构应力集中角度而言,应重点考虑曲柄销圆角处。可通过改变圆角处的几何参数,如加大半径或使用沉割圆角等设计,以及改进圆角加工工艺等措施,来提高圆角处疲劳安全系数。
本文采用有限元子模型法来优化设计曲柄销圆角半径,将曲拐作为整体模型,对应的圆角结构作为子模型,如图11所示。
将子模型上与整体模型连接边界的表面节点定义为驱动点集,这些点按照设定的插值间隙自动在整体模型上进行插值,就可用整体模型来驱动子模型进行计算,快速获得最佳模型结果。曲轴的曲柄销圆角半径为4.0mm,子模型法以0.5mm为增量,计算了4.5 mm到6.0 mm圆角半径的应力值。计算结果如表3所示。
考虑到曲轴结构的工艺性,并且为了避免与连杆轴承发生运动干涉,最终将曲柄销圆角半径定为5.0mm。优化后重新对第六曲拐进行疲劳计算,得到最薄弱部位的疲劳安全系数为1.48,可见曲柄销圆角半径的改变对曲轴疲劳强度的提高贡献较大。
7 结论
(1)将多体动力学仿真计算得到的边界条件施加到带油孔的六面体网格单拐模型上,计算得到应力峰值为357.4 MPa,比没有做出油孔特征的曲轴模型应力峰值(331 MPa)大26.4 MPa,表明类似曲轴模型的油孔特征不能忽略。
(2)弯曲疲劳试验得到第三曲拐在6 080 Nm的试验弯曲下,疲劳循环次数为5.8106次。通过与仿真结果对比,可更准确获取曲轴材料参数。在动力学仿真的基础上,对曲轴进行疲劳寿命计算,比单纯弯曲疲劳试验能更准确预测曲轴的疲劳寿命。
(3)用子模型法优化设计曲柄销圆角半径,最佳设计半径为5.0mm,相应的最小安全系数上升到1.48。对于强化工作的曲轴,形成了一套较为完整的疲劳校核和优化改进流程。
摘要：针对某高负荷车用柴油机,在提高最高燃烧压力条件下使用原有曲轴,在谐振式弯曲疲劳试验台上进行了曲轴弯曲疲劳试验,采用仿真的方法分析了曲轴在弯扭耦合下的疲劳强度,并对曲轴结构进行了优化。结果表明:带斜油孔的六面体网格曲轴模型应力计算更准确;通过模拟弯曲疲劳试验,可以更准确地获取曲轴的材料参数。优化结果表明:子模型法可有效优化曲轴圆角结构,提高曲轴疲劳强度。
关键词：内燃机,曲轴,弯曲疲劳试验,疲劳寿命,仿真,子模型
参考文献
[1]郝志勇,林琼,段秀兵.曲轴系统动力学特性的数字化仿真与试验研究[J].内燃机工程,2006,27(1):38-40.Hao Z Y,Lin Q,Duan X B.Analysis on crankshaft system’sdynamical behavior based on si mulation and experi mental meth-ods[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2006,27(1):38-40.
[2]Mourelatos Z P.An efficient crankshaft dynamic analysis usingsubstructureing with ritz vectors[J].Journal of Sound and Vi-bration,2000,238(3):495-527.
[3]Niino T,Iwamoto T,Ueda S.Development of si mulationtech-nology for dynamic behavior of crankshaft systemin motorcycleengines[J].JSAE Review,2002,23(1):127-131.
[4]郭磊.车用动力总成结构振动噪声的虚拟预测与虚拟技术研究[D].杭州:浙江大学,2009.
疲劳试验论文 第8篇
沥青混合料疲劳性能是指其在特定荷载环境与气候环境条件下抵抗重复加载作用而不产生破裂的能力。疲劳损坏是沥青混凝土路面最主要的破坏形式之一。为了保证沥青路面具有良好的使用性和耐久性, 世界各国沥青路面设计方法均以路面疲劳特性作为基本设计原则, 国内外研究和评价沥青混合料抗疲劳性能的方法有很多, 其中控制应力弯曲疲劳试验是研究沥青混合料抗疲劳性能的最有效方法。
本文介绍控制应力弯曲疲劳试验, 并采用该试验方法对AC-13沥青混合料的抗疲劳性能进行评价, 提出沥青混合料抗疲劳性能的评价指标, 分析AC-13沥青混合料其抗疲劳性能变化规律。
1 沥青混合料抗疲劳评价方法概述
国内外研究沥青混合料抗疲劳性能的方法有很多种, 综合目前已有的研究成果, 沥青路面疲劳特性试验方法主要包括:1) 现场试验法;2) 试槽法;3) 试板试验法 (也称为试块法) ;4) 试件法;5) 槽口弯曲疲劳试验等。
如此繁多的试验方法, 如何选择。本论文从试验的可操作性、试验结果的可直接应用性及国内对抗疲劳性能的相关规定要求考虑, 采用控制应力简支梁弯曲疲劳试验法进行应力控制的疲劳试验, 研究沥青混合料的疲劳性能, 为沥青混合料的设计与施工提供指导。
2 简支梁弯曲疲劳试验原理
本文采用中点加载简支梁弯曲试验法, 加载模式为控制应力方式。控制应力的疲劳试验是在重复加载的疲劳试验过程中, 保持应力不变, 疲劳破坏是以试件的疲劳断裂作为准则, 达到疲劳破坏的荷载作用次数为疲劳寿命。
这种加载方式下疲劳寿命公式一般为:
式中:
Nf为疲劳寿命, 采用试件破坏时的加载次数;
k, n为试验常数, 其值取决于试验条件, 加载方式和材料特性等, n也称为坡度系数;
σ为每次施加于试件的常量应力的最大幅度, MPa;
σf为沥青混合料的弯拉强度。
3 沥青混合料抗疲劳性能评价
采用控制应力弯曲疲劳试验对AC-13沥青混合料进行抗疲劳性能评价, AC-13确定沥青混合料抗疲劳性能。
3.1 试验材料
3.1.1 集料
粗集料采用石灰岩碎石, 细集料采用石灰岩机制砂, 经过试验测试, 所采用的集料均满足相关技术要求。
3.1.2 沥青
采用Shell Pen60/80沥青, 对沥青按JTG F402004《公路沥青路面施工技术规范》要求的性能指标检测, 经检测沥青性能指标满足相关技术要求。
3.2 沥青混合料配合比设计
分别对AC-13沥青混合料进行配合比设计, 确定沥青混合料的集料用量比例和最佳油石比。
3.2.1 矿料级配设计
矿料级配设计采用马歇尔设计方法, 设计时充分考虑到JTG F402004《公路沥青路面施工技术规范》要求, 确定的AC-13沥青混合料的集料用量比例为:
10~15mm碎石:5~10mm碎石:机制砂=35%:23%:42%
3.2.2 最佳油石比确定
按照JTG F402004《公路沥青路面施工技术规范》规定的沥青混合料最佳油石比确定方法, 确定AC-13沥青混合料的最佳油石比为为5.0%。
3.3 抗疲劳试验结果及分析
3.3.1 Pen60/80的AC-13沥青混合料疲劳试验结果
采用PLS疲劳试验机以控制应力简支梁弯曲疲劳试验对Pen60/80的AC-13型沥青混合料抗疲劳性能进行评价。
试件尺寸:采用车辙成型仪成型300mm300mm50mm的板状试件, 然后沿碾压成型方向切割出240mm50mm50mm的小梁试件。
试验条件:试验温度15℃, 加载频率10Hz, 跨径20cm, 采用应力控制三点弯曲试验, 根据不同应力比下的疲劳破坏数据, 绘制加载次数和变形曲线。
AC-13沥青混合料小梁弯曲强度试验结果平均破坏荷载为2.63kN, 抗弯拉强度为6.312 MPa;
AC-13沥青混合料的小梁疲劳试验结果如下:
疲劳作用次数:212、347、2188、3447、19935;
相应应力比:0.6、0.5、0.3、0.2;
相应对数:2.326、2.540、3.340、3.537、4.300。
AC-13沥青混合料的小梁疲劳弯曲疲劳方程如下:
疲劳方程:y=-0.1945x+1.0241R2=0.9633
疲劳方程参数及相关系数:k=10.57n=0.1945R2=0.9633
以疲劳次数的对数为横坐标, 应力比为纵坐标, 绘制AC-13沥青混合料的疲劳曲线图如下图1。
3.3.2 试验数据分析及结论
1) AC-13沥青混合料的疲劳次数服从标准疲劳方程模式, 满足疲劳性能要求。疲劳次数都随着应力水平的增加而呈现明显下降趋势, 说明车辆轮载的增加, 对路面耐久性的破坏很明显, 因此进行路面结构设计时, 应充分考虑拟建道路的交通组成特点, 尤其是对于重载车辆的破坏作用要有较准确的判断, 防止路面由于超载而使疲劳寿命大大降低。
2) 疲劳方程的参数k值可以称为疲劳扩大系数, k值越大, 说明疲劳寿命越长, n可以称为速度系数, 该值越大, 说明疲劳次数随着应力水平的增加衰减的速度越快, 耐久性能良好的混合料的疲劳方程一般具有k值较大, n值较小的特点。
4 结论
通过研究现有的沥青混合料疲劳试验方法, 本论文采用现象学法中的控制应力简支梁弯曲疲劳试验法, 对AC-13沥青混合料进行抗疲劳性能进行评价, AC-13沥青混合料的疲劳次数服从标准疲劳方程模式, 满足疲劳性能要求, 提出应将疲劳破坏试验、指标作为路面结构设计的依据。
参考文献
[1]公路沥青及沥青混合料试验规程JTJ052—2000.北京:人民交通出版社, 2000.
[2]公路沥青路面施工技术规范JTJF400—2004.北京:人民交通出版社, 2004.
[3]公路沥青路面设计规范JTJD50—2006.北京:人民交通出版社, 2006.
[4]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能.人民交通出版社, 2001.
[5]葛折圣, 黄晓明.沥青混合料应变疲劳性能的试验研究[J].交通运输工程学报, 2002, 3.
汽车扭簧疲劳试验机的设计 第9篇
扭簧广泛应用在汽车、化工、磨具等领域，其性能的好坏直接影响着机器的使用特性[1][2][3]。扭簧的性能主要由下列参数决定：扭簧钢丝直径、扭簧的直径、扭簧的有效圈数、弹簧的材料（弹性模量）等，与材料本身的强度基本没有关系。扭簧在使用过程中，承受随机的载荷作用，经历上千万次的循环应力变化最终失效。扭簧的破坏一般是疲劳破坏[4][5][6,6][7]，所以对弹簧疲劳破坏试验的研究显得相当重要。针对这一情况设计并制造出了一台针对汽车拉手复位扭簧疲劳破坏测试的简易试验机，经运行测试，机器效果达到理想要求。
1 机构设计
该机器主要由两部分组成，机构执行部分和电器控制部分。机构执行部分采用封闭式机械设计，运用曲柄摇杆机构、锥齿轮机构以及螺旋传动原理实现扭簧扭转疲劳测试。
整机试验模型如图1所示。该试验设备机械传动结构主要由两部分组成，一部分是螺旋传动机构1，通过其调整扭簧在夹具座4之间的高度，扭簧两端卡在上下两个相应的夹具座卡槽5、6中产生一定的预紧力；另外一部分是曲柄摇杆机构7、8、9，摇杆旋转中心轴与同步带轮回转中心轴相连，带轮回转中心与扭簧夹具底座6同轴，当摇杆产生回转运动时，带动扭簧一端产生扭转运动从而达到测试目的。该机构装置可以测试不同大小规格的扭簧，其中夹具头可以根据扭簧直径的大小加以更换以进行疲劳测试。
另外，在设备侧面安装锥齿轮传动机构，摇动锥齿轮手柄，通过锥齿轮传动将动力传到曲柄机构来执行测试。通过它亦可以调节扭簧预紧力来独立进行扭簧扭转试验。
2 控制部分与计数装置
扭簧疲劳测试在机构运行的过程通过伺服电机3控制带动曲柄转动，在摇杆转动中心处装有传感器器进行数据采集。数据采集采用单片机PLC编程，计数主要程序框图（图2）以及运行主程序编制如下：
系统启动相关指令
马达驱动与计数相关指令
当发出电机3启动指令后，扭力传感器开始工作，计数器开始计数扭转次数。如果其中扭簧断裂，预紧力消失，传感器发出信号，电机扭转停止，计数器记录下最后的扭转次数。如果设置参数值过低，当达到上限值时试验机自动停止运行，重新设置参数，继续启动运行直到扭簧断裂为止。
3 试验
试件采用小汽车驾驶室拉手复位螺旋扭簧。扭簧试验机如图3所示。相关参数：扭簧有效圈数10，扭簧直径6.5mm，高度12mm，材料钢丝直径1mm。采用碳素弹簧钢丝2级。测试数据结果：设备全天候运转，设定扭转测试频率500次/分，扭簧额定扭转次数25万次，断裂时记录扭簧扭转次数16万次。
4 结论
根据扭簧疲劳断裂的特点，设计了一台扭簧扭转疲劳试验机。从实际测试结果看，该结构设计可靠合理，结构简单，操作方便，疲劳测试结果完全满足设备使用要求。根据要求可以同时测试两对扭簧，亦可以根据扭簧大小调整相应的夹具大小。这种测试机同时也提高了测试的效率，具有一定的应用前景。
参考文献
[1]张洪周.汽车构造[M].北京:北京理工大学出版社,1996:86-100.
[2]需灏.疲劳强度[M].北京:高等教育出版社,1988:209-212,215-235.
[3]赵永彬,张润生,杜发荣.汽车扭簧疲劳寿命分析[J].洛阳工学院学报,2001,22(04):55-57.
[4]Mischke C K.Prediction of Stochastic Endurance Strength.ASME Journalof Vibration.Acoustics.Stress,and Relia_bility in Design,1987,109:113-122.
[5]Howell L L.Compliant Mechanisms.New York:McGraw-Hill,2001:96-135.
[6]陈知泰.基于疲劳强度的柔顺曲柄滑块机构优化设计.机械设计,2009,26(01):28-30.
汽车钢板弹簧台架试验与疲劳分析 第10篇
试验是保证零部件质量进而保证整车质量的重要手段,也是确保产品质量的有效途径,台架试验能否反映与道路试验一样的失效模式,是评价试验方法正确与否的关键因素。随着我国汽车工业的高速发展,各个汽车企业都在逐步建立并完善自身的设计和开发机制,可靠的试验手段则是其中一个关键的环节。室内台架试验由于试验重复性好、试验周期短,已经成为在汽车设计开发中的主要手段。利用利用损伤等效原则,将零部件在试验场和试验台的载荷进行当量换算,能在相对短的时间内完成结构件的疲劳寿命评估。
钢板弹簧作为商用车主流配置之一,60%以上的板簧工作应力超过700 MPa,80%以上板簧工作的极限应力处于1000 MPa以上。板簧材料可承受高工作应力,意味着可节省更多的材料,实现产品轻量化[1]。钢板弹簧在使用的过程中由于频繁承受路面不平引起的冲击和振动,容易发生结构断裂失效[2,3,4]。在钢板弹簧轻量化设计及台架试验中,疲劳寿命试验是最重要的测试项目,在这种试验中,关键问题就是要确认台架试验能否真实反映与实际路面相同的失效模式。本文基于钢板弹簧道路载荷的使用情况,建立了一套钢板弹簧台架耐久试验方法及评价体系,通过早期台架试验评判钢板弹簧的耐久寿命是否达到道路试验里程的设计要求,避免道路试验成本高、周期长的不良影响,加快新产品的开发进度。
1、道路数据标定
所有有价值的测试都是以对车辆实际运行载荷的理解为基础。载荷采集主要有传感器及应变片布置、静态标定、数据采集及分析三个步骤组成:
1.1 测点位置
在CAE分析基础上,选取钢板弹簧上8个位置作为数据采集点,如图1所示。
1.2 静态标定
静态标定确定在车辆静止状态下,车辆的簧上质量对钢板弹簧各个测点施加的垂向载荷大小,该载荷作为最终台架试验预载输入。该项工作的目的在于了解板簧实际测试时所受的簧上静载。静态标定过程如下:
(1)安装传感器,检查传感器信号线;
(2)用千斤顶在车架位置施加载荷,使车轮悬空,静止稳定后所有传感器清零;
(3)将车轮缓慢放下,等待车辆状态完全稳定后记录此时钢板弹簧的应变值。
如此反复测试三次,记录平均值,8个测点位置应变如表1所示。
1.3 数据采集
该试验车的道路载荷谱采集,在试车场综合路进行,包括:石块路、跳动路,颠簸路,长波路,短波路,鹅卵石路,扭曲路,鱼鳞坑路,大搓板路,比利时甲一,比利时乙及各种过渡路面,单圈里程6.4km。
本次试验车为标载牵引车,在试验场完成三次试验数据采集,以保证试验数据的一致性。试验数据经过滤波、去毛刺等处理,钢板弹簧8个测点位置的时域信号如图2所示:
2、台架试验与S-N曲线
2.1 台架试验
疲劳破坏是在动态载荷多次作用下局部损伤积累的结果。根据图2的时域动态应变,以测点1为基准,对8个测点以无量纲形式进行相对损伤归一化,如图3所示。图3表明:在三次测试中,测点3为整架钢板弹簧中疲劳损伤最大的位置,即最易出现疲劳断裂,应作为疲劳试验的重要考核点,测点5的相对损伤最小。
在台架上对测点3进行数据标定,得到钢板弹簧应变-载荷的关系曲线,如图4所示。根据图4中的标定曲线,结合表1中测点3位置静态标定数据,计算得到钢板弹簧承受静态簧上质量为24.4kN。
在钢板弹簧台架试验设备上,先施加24.4kN预载荷,然后分别选取应力范围为628.5MPa和546MPa两种恒幅正弦波,各三架钢板弹簧进行等应力台架疲劳试验,如图5所示。
在台架试验过程中,记录每架钢板弹簧试验过程中发生的断裂次数,试验结果如表2所示。
2.2 钢板弹簧S-N曲线
结构件S-N曲线是通过对样件施加不同量级的等幅循环载荷直至样件发生断裂,获得不同的载荷量级所对应的失效次数[5]。高周疲劳试验S-N曲线一般采用成组法,选定4到5个应力级别,每个级别大于6个样品,最后在双对数坐标系下绘制曲线。材料经过加工和热处理以后,由于几何形状改变以及加工缺陷等原因,造成材料S-N曲线和零部件S-N曲线有较大差异[6],通过台架试验对零部件进行疲劳试验,可以获得零部件疲劳寿命S-N曲线,能够极大提高零部件寿命预测的准确性。
钢板弹簧采用50CrV4合金钢材料,抗拉强度σb(MPa):≥1274,屈服强度σs(MPa):≥1127。根据表2中的测试结果,在95%置信区间水平下,绘制10%和50%高、低应力失效概率图,如图6所示。图6中左图表明在682.5MPa高应力范围水平下,在台架试验过程中50183次循环发生破坏的概率为10%,99639次循环发生破坏的概率为50%。图6中右图表明在546MPa低应力范围下,钢板弹簧在台架试验过程中141230次循环发生破坏的概率为10%,192589次循环不发生破坏的概率为50%。
S-N曲线的意义在于从宏观上建立了应力水平与失效次数的对应关系,而不涉及微观的疲劳机理。正因为如此,S-N曲线为宏观统计的疲劳定寿方法提供了衡量标尺。S-N曲线双对数形式如公式(1)所示,公式中S与N为双对数线性关系[7]。
式中:S为应力幅值,N为样件失效循环次数,C为材料常数,m经过推导可由公式(2)计算得到。
根据图6中钢板弹簧高、低应力失效数据,可以绘制钢板弹簧10%和50%失效概率图S-N曲线,如图7。国标“GB/T 19844-2005”钢板弹簧疲劳试验方法,要求在应力范围647.2MPa恒幅正弦波加载条件下,钢板弹簧疲劳寿命不小于80000次,从图7中S-N曲线可以预测按照该试验方法,钢板弹簧在65000次发生断裂概率为10%,在120000次发生断裂概率为50%,如果定义零部件合格率为90%,则该批钢板弹簧不满足国标台架试验疲劳寿命80000次的试验要求。
3、钢板弹簧寿命预测
基于钢板弹簧的载荷谱数据和零部件S-N曲线,能够在nCode软件通过雨流计数法对钢板弹簧的道路使用寿命进行预测。
3.1 道路试验寿命预估
雨流计数法将载荷一时间历程中载荷的幅值分为若干水平,通过载荷、反向点、变程三个主要参数对随机载荷谱进行统计,通过损伤累计方法计算出钢板弹簧在道路试验过程中损伤值大小[8]。图8为测点3位置雨流计数结果,该图统计共有7834个循环,反向点15670个,最大应力范围Range 768.68MPa,中值Mean 384.34 MPa,该循环损伤3.466e-5,在整个雨流计数中发生一次。
根据图2载荷谱,按照90%的存活率要求,即图7中N10 S-N曲线,对钢板弹簧8个测点进行寿命评估,计算结果如表3所示。表3中测点3的寿命为6763.5 km,测点2为7484.2km,测点7为9410.5km,上述三个位置均达不到钢板弹簧整车搭载试验为12000km试验里程要求。
选用同样的钢板弹簧在定远试验场进行整车耐久试验,该钢板弹簧在行驶7615km发生了断裂,如图9所示,断裂位置为中心螺栓左侧380mm附近,与测点3位置非常接近,表明本文采用钢板弹簧疲劳预测方法有很高的准确性。
3.2 台架与道路试验当量换算
国标“GB/T 19844-2005”钢板弹簧疲劳试验方法,在应力范围647.2MPa恒幅正弦波加载条件下,根据图7可以预测钢板弹簧65000次发生断裂概率,根据Miner线性损伤准则计算公式(3)[9],可以得到台架试验恒幅值正弦波损伤Db为1.54E-05。
式中:k为循环失效次数;
表3中测点3损伤值为9.46E-04,按照损伤当量换算原则,按照公式(4)计算得到道路和台架试验换算系数α:
式中:Dr为测点在综合路单圈的损伤;
公式(4)表明钢板弹簧在应力范围647.2MPa恒幅正弦波加载条件下进行台架试验,61.26个循环与试验场综合路单圈6.4km里程损伤当量相当,钢板弹簧如果要满足试验场整车耐久设计里程12000km的要求,即1875个循环,则台架试验需要保证114862.5次不发生断裂。
4、结论
基于零部件S-N曲线和载荷谱,建立钢板弹簧台架与道路关联的疲劳试验预测方法,能够准确预测钢板弹簧的使用寿命,使台架试验充分反映道路试验的使用情况,用较短时间和成本实现对钢板弹簧寿命的早期评估,指导产品的轻量化设计与质量改进,提高整车可靠性。
摘要：基于损伤等效原则,用台架试验方法分析和预测钢板弹簧在试验场的疲劳寿命。首先通过台架试验建立钢板弹簧的应力寿命S-N曲线,在试验场载荷谱数据采集的基础上,分析钢板弹簧台架试验次数与整车试验里程之间的当量关系,预测钢板弹簧是否满足整车使用条件,并在试验场进行整车道路试验验证。试验结果表明采用零部件S-N曲线和载荷谱结合方法,能够通过台架试验较准确预测钢板弹簧在试验场的使用寿命。
关键词：钢板弹簧,疲劳寿命,载荷谱,S-N曲线
参考文献
[1]罗志龙.汽车钢板弹簧产品技术发展趋势研究[J].汽车科技,2012,4(7):9-11.
[2]张炜,杨冬,李润哲,高伟.50CrVA钢的工艺优化及其在钢板弹簧产品中的应用[J].汽车技术,2012,(1):56-60.
[3]何彬.汽车钢板弹簧主片结构的组合优化设计方法研究[J].机械设计与制造,2012,12(12):131-133.
[4]王明明,鹿云,张炜,杨福平.矿用自卸车钢板弹簧失效分析及工艺改进[J].汽车工艺与材料,2014,(5):45-48.
[5]张然治.疲劳试验测试分析理论与实践[M].北京:国防工业出版社,2011,79-80.
[6]刘彦臣,庞思勤,王西彬,解丽静.表面完整性对高强度钢疲劳寿命影响的试验研究[J].兵工学报,2013,34(6):760-764.
[7]赵礼辉,郑松林,冯金芝.基于低载强化特性的疲劳寿命估计方法[J].机械工程学报,2013,49(8):115-121.
[8]高镇同,熊峻江.疲劳可靠性[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000,333—338.
