机车车辆疲劳强度分析基础知识讲解

2017-09-25 by:CAE仿真在线来源:互联网

引言

基本概念:

(1)疲劳破坏:零件或构件由于交变载荷的反复作用,在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。这种现象称为疲劳破坏。

(2)疲劳裂缝形成的特点:隐蔽性(裂缝形成)和瞬发性(疲劳断裂)

(3)疲劳破坏造成的严重后果:

二次世界大战期间美国制造的全焊接船舶,有近千艘出现开裂;

第一架喷气式客机在试飞300小时后投入使用,检修后第4天坠入地中海,打捞后结果分析显示,压力舱疲劳破坏引起,裂缝起源于机身开口的拐角处;

美国西弗吉尼亚的Point Pleasant桥突然毁坏,造成46人死亡,原因是由一根带环拉杆中的缺陷在疲劳、腐蚀的作用下扩展到临界尺寸而引起;

有报告指出:断裂使美国一年损失1190亿美元。

1、在机车车辆行业疲劳研究的重要性:

1)金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏,所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代,属于动强度设计。

2)随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展,其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。

3)近几年随着我国铁路的不断提速,机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生,越来越引起人们的重视。

4)疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。

2、疲劳研究存在的最大问题:

1)有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究,得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。

2)但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关,使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。

3)至今有约90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。

4)因此,在21世纪的今天,尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中,其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要,并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。

3、疲劳断裂的产生:是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂纹,并进一步扩展而造成的。

这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围,零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部位。

4、提高构件疲劳强度的基本途径:一种是机械设计的方法,主要有优化或改善缺口形状,改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来;

另一种是材料冶金的方法,即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高,或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。

在解决实际工程问题时,往往需要结合运用以上两种方法进行疲劳强度设计和研究。合理地利用各种提高疲劳强度的手段,可以有效地提高构件的疲劳强度或延长其疲劳寿命,并起到轻量化的作用。

5、疲劳问题研究的分类:

1)疲劳裂纹的形成和扩展机理、规律方面的基础性研究 ;

2) 疲劳强度设计以及提高疲劳强度的有效途径等应用性研究。

6、疲劳定义

疲劳一词的英文是Fatigue,意思是“劳累、疲倦”。

作为专业术语,用来表达材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。

国际标准化组织(ISO)在1964年发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中对疲劳所做得定义是“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳;虽然在一般情况下,这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化”。

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