低幅载荷强化和损伤两重性研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.74MB 77 页 15积分
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摘 要
目前全球汽车行业都在开展汽车轻量化设计，但是缺少有效的轻量化评价准
则。特别是零件寿命评价直接影响到轻量化效果。为了建立更加合理有效的寿命
评价预测准则，本文初步探讨了通过考虑低幅载荷的强化和损伤两重性来提高车
辆零件在随机载荷谱下寿命预测精度的方法。
在车辆工程领域，传统的基于载荷谱的寿命预估方法仅按损伤来处理载荷，
且大多应用 Miner、修正 Miner、Manson 双线性及 Corten-Dolan 非线性累积损伤理
论对载荷谱下的疲劳寿命进行估算。将估算结果与相应载荷谱下的随机疲劳试验
结果进行比较，结果往往比较安全，致使车辆结构设计过重。本文根据车辆使用
载荷谱中大量低幅载荷对零件强度作用的研究积累，主张从强化和损伤两方面来
评价载荷，以接近真实物理过程，在设计阶段进行合理的减重，同时提高寿命预
估精度。本文在研究过程中，以大量两级和多级程序载荷疲劳试验数据为基础，
探索低幅载荷强化和损伤共同作用的规律。以此规律为基础，借助两级程序疲劳
试验数据，建立了考虑载荷强化和损伤的寿命预测模型（即 SDBLAM）。通过两种
结构件的多级程序载荷疲劳寿命试验，评价了该模型的预测效果；并与四种不同
累积损伤理论的寿命预测结果进行对比分析，采用 SDBLAM 模型预测精度达到
95%左右，明显高于对比的四种传统预测模型，取得了良好的预测效果。
本研究取得的成果，为正确评估随机载荷谱中低幅载荷强化和损伤对强度和
寿命的定量影响提供了理论和技术依据，为建立基于使用载荷和结构疲劳强度特
征的结构轻量化设计理论与方法进行了有益的探索，为结构设计工程师在设计阶
段准确评估零件的耐久性提供了有益参考。
关键词：低载强化 疲劳载荷 累积损伤 寿命预测
ABSTRACT
Nowadays, the global automotive industry is carrying out lightweighting design,
but it is still lack of an effective evaluation way. Especially, fatigue life evaluation
directly affects the lightweighting design. In order to set up more precise and effective
evaluation way, a preliminary method is described to increase the life evaluation
precision by considering the dual effect of strengthening and damage under low
amplitude loads in random load spectrum.
In vehicle engineering field, the four traditional cumulate damage theories, that
being Miner Theory, modified Miner’s Theory, Coffin Manson Bi-linear Theory and
Corten-Dolan Theory, have been used as the foundation of traditional fatigue life
assessment methods. Of these methods, only the effect of damage is considered for low
amplitude loads. As a result, the estimated life of a vehicle part using any of four
different cumulate damage theories is always less than the test life. It causes the vehicle
design of components and parts to be overweight. This paper advocates handle the load
from the view point of strengthening and damage to approach the real physics
experiment, so as to reduce weight in the design stage and increase the life evaluation
precision. According to two-level and multi-level program fatigue test data, the basic
regulation of the dual effect of strengthening and damage under low amplitude loads has
been summed up. Take this regulation as the foundation, combined test data of two-level
program fatigue test, the life assessment model, named as strengthening and damage
based life assessment model (shorted in SDBLAM), is established. The new SDBLAM
model values the forecasting precision of at multi-level program load spectrum. It is
indicated from above study that the predicted results of the new model is more precise
than the results predicted by traditional assessment model.
This method provides theoretical and technical supports in getting exact life
evaluation at random load spectrum by considering the influence of low amplitude loads
to strength and life. It is a helpful exploration to establish theory and method of weight
reduction design based on load and structure fatigue strength characteristics, and a
beneficial reference for design engineer to exactly evaluate durability of automobile
components and parts in design stage.
Key Word：Strengthening under low amplitude loading, Damage load,
Cumulate damage, Fatigue life evaluation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ....................................................... 1
§1.1 课题概况 .................................................... 1
§1.1.1 研究背景 ................................................ 1
§1.1.2 课题意义 ................................................ 2
§1.1.3 课题来源 ................................................ 2
§1.2 文献综述 .................................................... 2
§1.2.1 疲劳强度发展简史 ........................................ 2
§1.2.2 疲劳累积损伤理论 ........................................ 5
§1.2.3 低载强化研究历史回顾 .................................... 6
§1.2.4 低载损伤研究历史回顾 ................................... 11
§1.3 本文研究内容 ............................................... 13
第二章 疲劳损伤理论基础 ........................................... 15
§2.1 概述 ....................................................... 15
§2.2 疲劳累积损伤理论 ........................................... 16
§2.2.1 疲劳损伤概念 ........................................... 16
§2.2.2 传统疲劳累积损伤理论 ................................... 17
§2.3 常用载荷谱 ................................................. 20
§2.3.1 汽车载荷谱 ............................................. 20
§2.3.2 载荷删除原则 ........................................... 20
§2.3.3 低幅载荷分类 ........................................... 21
§2.4 载荷谱疲劳统计的基本理论 .................................. 21
§2.4.1 载荷表征参数 ........................................... 22
§2.4.2 载荷统计计数 ........................................... 22
§2.4.3 载荷统计参数 ........................................... 23
§2.4.4 概率统计函数 ........................................... 24
§2.4.5 功率谱统计函数 ......................................... 25
§2.5 本章小结 ................................................... 26
第三章 两级试验中低幅载荷强化和损伤两重性 ......................... 27
§3.1 概述 ....................................................... 27
§3.2 汽车传动轴试样低幅载荷强化和损伤两重性作用 ................. 27
§3.2.1 载荷环境 ............................................... 27
§3.2.2 低载强化试验及数据处理 ................................. 28
§3.2.3 传动轴试样低载强化和损伤两重性 ......................... 33
§3.3 汽车前轴低强度零件低幅载荷强化和损伤两重性作用 ............. 35
§3.3.1 载荷环境 ............................................... 35
§3.3.2 低载强化三维曲面方程 ................................... 36
§3.3.3 前轴低载强化和损伤两重性 ............................... 37
§3.4 汽车齿轮低幅载荷强化和损伤两重性作用 ....................... 39
§3.4.1 载荷环境 ............................................... 39
§3.4.2 低载强化三维曲面方程 ................................... 40
§3.4.3 齿轮低载强化和损伤两重性 ............................... 41
§3.5 两级试验中低幅载荷强化和损伤共同作用规律 ................... 42
§3.6 本章小结 ................................................... 43
第四章 多级载荷谱中低幅载荷强化和损伤两重性 ....................... 44
§4.1 概述 ....................................................... 44
§4.2 SN-25 型拖拉机半轴累积损伤规律研究 ......................... 44
§4.2.1 试验应力谱 ............................................. 44
§4.2.2 多级程序试验 ........................................... 45
§4.2.3 S-N 曲线 ................................................45
§4.2.4 寿命预测 ............................................... 46
§4.2.5 半轴载荷谱中低幅载荷强化和损伤共同作用规律 ............. 47
§4.3 EQ140 汽车车架累积损伤规律研究 .............................47
§4.3.1 试验应力谱 ............................................. 47
§4.3.2 多级程序试验 ........................................... 49
§4.3.3 S-N 曲线 ................................................49
§4.3.4 寿命预测 ............................................... 51
§4.3.5 车架载荷谱中低幅载荷强化和损伤共同作用规律 ............. 52
§4.4 多级载荷谱低幅载荷强化和损伤共同作用规律 ................... 52
§4.5 本章小结 ................................................... 52
第五章 考虑载荷强化和损伤寿命预测模型 ............................. 53
§5.1 概述 ....................................................... 53
§5.2 Miner 理论 ..................................................53
§5.3 低载强化力学模型 ........................................... 54
§5.4 考虑载荷强化和损伤的寿命预测模型 ........................... 54
§5.5 随机载荷谱下寿命预测流程图 ................................. 56
§5.6 本章小结 ................................................... 57
第六章 考虑载荷强化和损伤寿命预测模型验证 ......................... 58
§6.1 概述 ....................................................... 58
§6.2 SN-25 拖拉机半轴多级程序载荷谱试验 ......................... 58
§6.2.1 随机载荷谱试验 ......................................... 58
§6.2.2 寿命预测 ............................................... 60
§6.2.3 不同预测模型结果比较 ................................... 61
§6.3 EQ140 汽车车架多级程序载荷谱试验 ...........................61
§6.3.1 随机载荷谱试验 ......................................... 61
§6.3.2 寿命预测 ............................................... 62
§6.3.3 不同预测模型结果比较 ................................... 65
§6.4 本章小结 ................................................... 66
第七章 结论与展望 ................................................. 67
§7.1 研究结论 ................................................... 67
§7.2 本文创新点 ................................................. 68
§7.3 前景展望 ................................................... 68
参考文献 .......................................................... 69
在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 73
致 谢 ............................................................. 74
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1
第一章 绪 论
§1.1 课题概况
§1.1.1 研究背景
能源短缺与环境污染，已是当今世界两大焦点。国际汽车巨头们自 20 世纪 70
年代以来，在汽车载荷、载荷谱、基于载荷谱的快速评估、结构抗疲劳设计等方
面进行了大量深入细致研究。疲劳损伤理论和断裂力学的发展为这些研究提供了
坚实的理论基础，使发达国家的汽车设计从传统的经验设计过渡到抗疲劳设计到
可靠性设计再到轻量化设计。为此国际汽车领域掀起了新的汽车轻量化热潮，以
求节约能源和减轻排放污染。
目前，轻量化设计主要有两种方法，一种方法是对传统材料按疲劳强度理论
进行结构可靠性方面的优化设计；另一种方法是选用高强度轻质材料（如 TRIP 钢，
超轻钢，铝合金，镁合金，工程塑料，碳纤维等），按传统的许用应力加安全系数
的方法进行设计，此种方法会造成成本过高。由于我国生产力水平较低及资源供
应紧张的具体国情，在开展汽车轻量化时必须考虑低成本。对传统材料进行结构
可靠性方面的优化设计使材料的强度潜力充分发挥，实现结构的轻量化，同时成
本降低。
我国在汽车设计与制造技术方面与国际先进水平相比，至今还存在较大差距，
往往偏重于经验设计，较少考虑抗疲劳设计和可靠性设计，轻量化设计就考虑的
更少了。如果采用简单的跟踪国外技术，采用新材料的方法实现汽车轻量化，势
必大大增加制造成本，不符合我国国情。因此采用基于疲劳损伤累积理论的耐久
性设计，将汽车结构进一步轻量化，是发展我国汽车设计与制造的必由之路。
为了使国产汽车赶超国际先进水平，为了能够设计出既安全又经济，适应市
场需要的汽车，必须探索并掌握轻量化设计技术。探索既减重又低成本的汽车结
构设计理论和方法，深入研究并掌握载荷特性和零件的强度特性，是实现汽车结
构轻量化设计的技术关键。本文从强化和损伤两方面来处理载荷，以接近真实物
理过程，在设计阶段进行合理的减重，同时提高寿命预估精度。本文初步探讨了
通过考虑低载强化来提高随机载荷谱下车辆零件寿命预测精度的方法。
低幅载荷强化和损伤两重性研究
2
§1.1.2 课题意义
由于我国生产力水平较低，竞争力弱及资源供应紧张且利用率低等具体国情，
以及国产汽车的自重明显高于国外先进的汽车，从而影响了整车的燃油经济性和
动力性，导致结构动载荷过大，进一步又影响了整车使用可靠性。为了提高国产
汽车的市场竞争力，必须开展轻量化设计。本课题研究的核心内容就是当今汽车
轻量化设计技术的核心理论。
汽车使用中遇到的随机载荷，80%是疲劳极限以下小载荷，结构萌生裂纹前，
有可能对结构已经产生了强化。传统的线性和非线性疲劳损伤理论仅以 S-N 曲线
或应变-寿命曲线为基础，很少或几乎不考虑使用过程中的疲劳极限以下小载荷对
结构造成的强度强化，只考虑大载荷对结构造成的损伤，据此进行的结构强度评
估和寿命预测往往是过度偏于安全的，不利于汽车结构的轻量化设计。
从20 世纪 90 年代开始，郑松林教授率领的课题组开始研究车辆使用载荷谱
中大量低幅载荷对结构疲劳强度的强化作用，并总结了汽车前轴和汽车齿轮的低
载强化特性，这是结构轻量化设计的基础。本课题在以上研究的基础上，重点研
究汽车结构在随机载荷环境下且存在大量低幅载荷对结构的强化作用时，结构疲
劳强度的演变规律，进而建立起一套低载强化过程的汽车结构强度评估理论，为
我国急需开展的汽车结构轻量化设计提供理论依据和方法指导，也为我国汽车行
业的可回收设计提供技术支持。掌握这套评估理论，可从技术源头上提升我国汽
车产品的自主开发水平，增强国际竞争力。
§1.1.3 课题来源
本课题来源于上海市教育委员会科研项目“考虑小载荷强化的汽车结构疲劳
强度评估理论研究”项目（项目编号 07ZZ86）。
§1.2 文献综述
§1.2.1 疲劳强度发展简史
各种科学理论的产生和发展，都依赖于实践，疲劳强度也不例外。十九世纪
初，随着铁路运输的发展，机车车轴的疲劳破坏，成为当时工程上遇到的第一个
疲劳强度问题[1, 2, 3]。
1829 年，德国人 W.A.艾伯特进行了有记载的最早的疲劳试验。他对矿山提升
用的焊接链反复加载，在 105次循环后破坏。矿山用链在反复加载一段时间后的破
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3
坏及机车车轴运行一段时间后在轴肩处的破坏，与单调加载造成的破坏完全不同。
1839 年，法国人 J.-V.彭赛列在他的著作中首次使用了“疲劳”这个名词。
1849 年至 1889 年，德国人 A.沃勒在斯特拉斯堡皇家铁路工作期间，进行了
第一次疲劳强度系统试验，完成了循环应力下的多种疲劳试验。1850 年，他设计
了旋转弯曲疲劳试验机，用来进行全尺寸机车车轴的疲劳试验和在不同应力状态
下的疲劳试验，认识到疲劳破坏可以在应力低于弹性极限时发生，并存在一个应
力幅极限值，当应力幅小于该值时就不会发生疲劳破坏。他从应力-寿命图上指出，
疲劳寿命随应力幅的增大而降低。这样，A.沃勒首次提出了 S-N 曲线及疲劳极限
的概念。此外，他还研究了热处理、应力集中和叠加静载荷对疲劳的影响，他认
为，对疲劳来讲，应力幅要比平均应力更为重要。A.沃勒为常规疲劳强度设计奠
定了基础。
1870 年至 1890 年，其他研究者验证并发展了 A.沃勒的工作。1884 年J.包辛
格在验证 A.沃勒的疲劳试验时，发现了“循环软化”现象，当时并未引起人们的
重视，直到 1952 年柯扬在做铜棒的疲劳试验时才被重新提出来，并被命名为“包
辛格效应”。因此，J.包辛格是首先研究循环应力-应变关系的人。
关于平均应力对疲劳寿命的影响，A.沃勒在 1858 年就指出：在任何给定寿命
下引起破坏的应力幅值，随着平均应力的增大而减少。1874 年，W.格伯根据 A.
沃勒的试验数据，对平均应力不为零的疲劳破坏概念以“极限”二字来表达，在
某一给定寿命下都可画出相应的疲劳极限线图，即格伯抛物线。1930 年，英国人
J.古德曼对疲劳极限线图提出了简化假设，即用直线连接纵轴上的对称循环疲劳极
限点和横轴上的强度极限点，以此来替代格伯抛物线。由于古德曼疲劳极限线图
简单，所以至今仍在常规疲劳强度设计中应用。
直到十九世纪中叶，人们对疲劳破坏的机理还缺乏正确的认识。当时将结构
材料分为塑料材料和脆性材料两种，并认为塑性材料是纤维状结构，脆性材料是
晶体结构，金属在循环应力作用下的疲劳，是由于它改变了自己的结构，由塑性
材料变成晶体结构的脆性材料的缘故。其后由于应用金相显微镜能观察到金属的
微观结构，才发现上述说法是不正确的。
1903 年，J.A.尤因和 J.C.W.汉弗莱对退火的瑞典铁进行了旋转弯曲疲劳试验。
在试验过程中，用光学显微镜观察试样发现，在循环应力作用下晶体中产生滑移
线逐渐变深、变宽，形成滑移带，并在某个晶体上首先出现开裂，再在晶体之间
联接起来形成一条长的连续的裂纹，最后导致破坏。这样，就把疲劳破坏与滑移
联系了起来，对了解疲劳机理迈出了一大步。
1923 年，英国人 H.J.高夫对疲劳破坏机理提出了另一种假设。他观察到在循
摘要：

摘要目前全球汽车行业都在开展汽车轻量化设计，但是缺少有效的轻量化评价准则。特别是零件寿命评价直接影响到轻量化效果。为了建立更加合理有效的寿命评价预测准则，本文初步探讨了通过考虑低幅载荷的强化和损伤两重性来提高车辆零件在随机载荷谱下寿命预测精度的方法。在车辆工程领域，传统的基于载荷谱的寿命预估方法仅按损伤来处理载荷，且大多应用Miner、修正Miner、Manson双线性及Corten-Dolan非线性累积损伤理论对载荷谱下的疲劳寿命进行估算。将估算结果与相应载荷谱下的随机疲劳试验结果进行比较，结果往往比较安全，致使车辆结构设计过重。本文根据车辆使用载荷谱中大量低幅载荷对零件强度作用的研究积累，...

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