材料疲劳案例分析及设计.
Ansys nCode疲劳分析
Smax Sa Sm Sa Smin
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DS
3.3 平均应力对疲劳寿命的影响
对于应力-疲劳寿命，平均应力的影响通常使用Goodman 或者 Gerber平均应力 修正理论 Goodman 平均应力修正理论假设一条直线
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3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
应力梯度影响可以通过Advanced Edit进行定义
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3 平均应力对疲劳寿命的影响
循环峰值应力范围(总应力变化)是影响疲劳寿命的主要因素
– 在应力循环中平均应力是第二个影响因素
在nCode中采用FKM的应力梯度法
– 确定校正系数
在雨流计数前得到有效应力分量：
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3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
− User:从查找表中用户自定义应力梯度校正 自定义格式:
Stress gradient correction factor file v1.0 Dimension=mm #Normalized stress gradient G, correction factor n StartCorrectionData 0,1 1,1.1 10,1.2 100,1.3 EndCorrectionData
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3.4 平均应力对疲劳寿命的影响
Sm Sa 1 Se Su
• Goodman 更保守 • 实际的数据往往介于Goodman 和Gerber之间
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fesafe橡胶疲劳案例
fesafe橡胶疲劳案例1. 橡胶疲劳是指在重复加载下，橡胶材料发生疲劳损伤，导致其性能下降或失效的现象。
这一现象在许多工程应用中非常常见，如橡胶密封件、弹性悬挂系统等。
2. fesafe公司是一家专注于橡胶制品研发和生产的企业，其产品广泛应用于汽车、机械、电子等领域。
然而，最近fesafe公司的一批橡胶密封件在使用过程中出现了疲劳失效的情况，引起了公司的关注。
3. 通过分析，发现这批橡胶密封件的疲劳失效主要集中在高温环境下。
在高温环境下，橡胶材料的分子链易于发生断裂，导致密封件失去原有的弹性和密封性能。
4. 进一步的调查发现，这批橡胶密封件的材料质量存在一定问题。
fesafe公司使用的橡胶材料供应商在生产过程中可能存在工艺不合理或原材料配方不当等问题，导致材料性能不稳定。
5. 为了解决这一问题，fesafe公司与橡胶材料供应商进行了多次沟通和合作。
首先，公司要求供应商提供材料的详细物理性能和化学成分等信息，以确保材料的质量。
6. 其次，fesafe公司与供应商共同制定了一套严格的材料测试和质量控制标准，确保每批橡胶材料都符合要求。
这些标准包括材料的硬度、拉伸强度、断裂伸长率等性能指标。
7. 此外，为了减少橡胶密封件在高温环境下的疲劳失效，fesafe公司开始研发新的材料配方。
通过添加抗氧化剂和增塑剂等添加剂，提高橡胶材料的耐热性和耐老化性能，从而延长橡胶密封件的使用寿命。
8. 在新材料配方的基础上，fesafe公司还优化了橡胶密封件的结构设计。
通过改变密封件的几何形状和尺寸，减少材料的应力集中，降低疲劳损伤的发生概率。
9. 此外，fesafe公司还引入了先进的生产设备和工艺，提高橡胶密封件的加工精度和一致性。
通过精确控制材料的硬度和尺寸等参数，减少橡胶材料的内部缺陷，提高密封件的整体性能。
10. 经过一系列的改进和优化，fesafe公司的橡胶密封件的疲劳失效问题得到了有效的解决。
新的材料配方和结构设计使得橡胶密封件在高温环境下具有更好的耐久性和密封性能，满足了客户的需求。
材料力学领域中的重大工程案例分析
材料力学领域中的重大工程案例分析近年来，随着科技的不断进步和工程技术的飞速发展，材料力学领域涌现出了许多重大工程案例。
这些案例不仅在推动着工程领域的发展，也在为我们提供了宝贵的经验和教训。
本文将对材料力学领域中的几个重大工程案例进行深入分析。
1. 案例一：金属材料在高温下的应用金属材料在高温下的应用一直是工程领域的热点之一。
在石油化工等领域中，常常需要使用金属材料来承受高温和高压环境的力学负荷。
然而，由于高温环境的存在，金属材料容易发生蠕变和热疲劳等问题，从而导致工程事故的发生。
以福岛核电站事故为例，该事故是由于金属材料在高温条件下长时间受到热辐射而发生蠕变和热疲劳，最终导致核电站的熔毁和辐射泄漏。
这一事件引起了全球范围内对核能安全性的关注，并促使各国加强核安全管理体系。
为防止类似事件的再次发生，研究人员对金属材料在高温下的性能和变形机制进行了深入研究，并提出了一系列改进方案。
例如，通过合金设计、表面涂层和热处理等手段，可以提高金属材料在高温下的稳定性和耐久性，从而降低事故发生的概率。
2. 案例二：复合材料在航空航天领域的应用随着航空航天技术的不断进步，复合材料在该领域中的应用已经成为一种趋势。
与传统的金属材料相比，复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，因此被广泛应用于航空航天器的制造。
然而，由于复合材料的复杂性，其力学性能和破坏机制的研究较为困难。
在2003年的哥伦比亚号航天飞机事故中，复合材料的失效被认为是导致飞机解体的重要原因之一。
这一事故使得人们对复合材料在航空航天领域的应用产生了质疑，并加强了对其力学性能和安全性的研究。
为了提高复合材料的性能和可靠性，科学家们通过加强对复合材料的制造工艺、研究破坏机理和评估其寿命等方面的研究，不断改进和完善复合材料的设计和应用。
目前，复合材料已经广泛应用于飞机机身、导弹外壳和卫星等航空航天器的制造中，并取得了显著的成效。
3. 案例三：纳米材料在电子领域的应用纳米材料的发展和应用是当今材料力学领域的一个热门研究方向。
高分子材料的抗疲劳性能研究
高分子材料的抗疲劳性能研究在材料科学领域中，高分子材料是一类被广泛应用于各个领域的材料。
而其中一个重要的性能指标就是抗疲劳性能。
本文将对高分子材料的抗疲劳性能进行研究和探讨。
一、抗疲劳性能的概念及意义抗疲劳性能是指高分子材料在长时间循环加载下的耐久性能。
对于高分子材料而言，抗疲劳性能的优劣与其使用寿命密切相关。
例如，在工程应用中，高分子材料经常需要面对循环加载，如振动、变形等。
如果材料的抗疲劳性能较差，容易在循环加载下发生疲劳破坏，从而缩短使用寿命。
因此，研究和改善高分子材料的抗疲劳性能具有重要意义。
它不仅能够提高材料的使用寿命和可靠性，还能够推动材料科学的发展和应用领域的拓展。
二、影响高分子材料抗疲劳性能的因素1. 结构因素高分子材料的结构对其抗疲劳性能有着重要的影响。
结构中的键合方式、分子链长度、支化度以及晶型等因素都会对材料的疲劳行为产生影响。
例如，对分子链长度较长的高分子材料而言，由于链段移动的难度增加，其疲劳性能相对较好。
而结晶度高的高分子材料因分子链在晶体中的有序排列，具有较高的强度和硬度，抗疲劳性能也相对较好。
2. 外部环境因素高分子材料的使用环境会对其抗疲劳性能产生一定的影响。
例如，在高温、低温、潮湿环境下，高分子材料的分子链易发生结构松动或水解，导致抗疲劳性能下降。
因此，了解材料在不同环境条件下的疲劳性能变化规律对于材料的设计和应用具有重要意义。
三、提高高分子材料抗疲劳性能的方法为了提高高分子材料的抗疲劳性能，可以采取以下方法：1. 改善材料结构通过改变高分子材料的结构，如增加交联度、调控分子链长度等，可以使材料的疲劳性能得到提升。
在工程实践中，高分子材料的改性技术如交联改性、增效剂的加入等已经取得了显著的效果。
2. 优化材料配方通过合理选用添加剂、填充剂等，可以调控材料的疲劳性能。
添加剂的加入可以改善材料的抗老化性能、增强材料的抗疲劳性能；填充剂的加入可以增加材料的机械强度和刚度，提高其抗疲劳性能。
nCode高温SN疲劳分析案例分析
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November 2,
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High-temperature SN Fatigue Analysis
Fig. 12-4 波纹管承受压力脉冲的表面
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High-temperature SN Fatigue Analysis
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12.2 目标
您将学习SN分析引擎如何使用各种加载配置来执行由温度变化 引起的疲劳分析。这些加载由混合负载映射器定义。
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Novembere SN Fatigue Analysis
我们将学习这种负载的应用，以及随温度变化的疲劳性能的定 义。
Fig. 12-1 施加到波纹管内径的温度载荷
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High-temperature SN Fatigue Analysis
Fig. 12-2 施加在波纹管外径的温度载荷
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演示算例为不锈钢波纹管，内孔施加一个温度时间序列（图121），另一个温度时间序列施加到外圆（图12-2）。温度循环图 如图12-3所示，整个时间持续6000秒。并在相同时间内产生一个 热应力循环，该例中温度默认单位是摄氏度。
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High-temperature SN Fatigue Analysis
橡胶衬套疲劳失效案例分析与优化
2810.16638/ki.1671-7988.2020.13.009橡胶衬套疲劳失效案例分析与优化李奕宝，罗谢盼，林家荣（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 510640）摘 要：针对某车型控制臂衬套整车耐久路试失效问题，通过分析路谱载荷，以提高衬套抵抗大扭矩变形为目标，重新定义与之相应的试验条件，并对衬套刚度和结构进行优化设计，优化后的衬套通过了新试验条件的台架验证，并通过整车耐久路试验证。
台架试验和整车耐久路试结果表明，通过分析路谱载荷重新定义的试验条件合理，衬套经优化设计满足整车耐久性能要求。
关键词：结构；路谱；耐久；静刚度中图分类号：U462.1 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2020)13-28-03Analysis And Optimization Of Fatigue Failure Case Of Rubber BushingLi Yibao, Luo Xiepan, Lin Jiarong（GAC Automotive Engineering Research Institute, Guangdong Guangzhou 510640）Abstract: To solve the control arm bushing failure problem in real car endurance test, an optimazation design of bushing stiffness and structure to improve the torque deformation is carried out by analyzing road load. And a novel corresponding bench test method is proposed. The optimized bushing has passed the bench test according to the novel bench test method, and its endurance performance is validated by the real car endurance test. The validity of the novel corresponding bench test method derived by road load and the endurance performance of the optimized bushing have been proved by the results of bench test and real car endurance test.Keywords: Structure; Road Spectrum; Durability; Static stiffnessCLC NO.: U462.1 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2020)13-28-03引言随着汽车零部件制作工艺和精度的不断提升， 路面等级的不断优化，发动机及底盘本身引起的振动噪声问题凸显出来，消费者对于整车的舒适性要求越来越敏感，橡胶衬套，作为底盘的重要减振部件，发挥着极其重要的作用。
材料疲劳案例分析及设计
A. 减缓应力集中的措施
• 紧配合的轮毂与轴的配合面边缘处，有明显的应力集中。 若在轮毂上开减荷槽，并加粗轴的配合部分，以缩小轮毂与 轴之间的刚度差距，便可改善配合面边缘处应力集中的情况
飞机金属疲劳与腐蚀疲劳
• 统计数据表明，飞机结构中有半数以上的破坏形式与 腐蚀或腐蚀疲劳有关。
• 由于具有重量轻、强度好等优越性能的高强度铝合金
已成为航空领域中使用最为广泛的金属材料。然而从
目前对高强度铝合金腐蚀疲劳的研究成果来看，铝合
金对腐蚀引起的破坏是敏感的，腐蚀环境往往会使铝 合金结构的疲劳寿命大大缩短。
材料疲劳破坏案例
报告内容
波音747的疲劳开裂 摩托车发动机连杆断裂原因分析
波音747的主要尺寸
波音747的疲劳开裂
波音747外表皮的成分分析： • 设计师为了减轻飞机自身重量，使得飞机能减少耗油量能 飞得更远，表皮采用的是铝合金。 波音747飞行速度与常识：
• 波音747一经问世，便赢得了全世界乘客的青睐。747集先 进技术于一体，是世界上最先进、燃油效率最高的飞机。 747-400是目前生产的唯一747机型，在气动性能方面有了 许多重要的改进。波音747是目前世界上运用最广泛的客 运飞机，也是最快的亚音速飞机，其速度能达到音速的 85%，即900km/h。
A. 减缓应力集中的措施
• 在角焊缝处，采用坡口焊接，应力集中程度要比无坡口焊接 改善的多。
B. 增高表层强度
用机械法强化表层（如滚压、喷丸等），使构件表面形 成预压应力层，减弱易引起裂纹的表面拉应力，从而提高疲 劳强度。或采用热处理和化学处理 ，如高频淬火、渗碳、氮 化等。
有限元法进行疲劳分析
展望
01
随着计算机技术和数值分析方法的不断发展，有限元法在疲劳分析中 的应用将更加广泛和深入。
02
未来疲劳分析的研究将更加注重实验验证和理论建模的结合，以提高 预测精度和可靠性。
03
针对复杂结构和材料的疲劳性能研究将进一步加强，以适应各种工程 应用的需求。
04
疲劳分析将与优化设计、可靠性分析和损伤容限设计等相结合，为产 品的全寿命周期管理提供支持。
有限元法进行疲劳分析
目录
• 引言 • 有限元法基础 • 疲劳分析基础 • 基于有限元法的疲劳分析 • 有限元法进行疲劳分析的案例 • 结论与展望
01 引言
疲劳分析的重要性
01
疲劳分析是产品寿命预测的关键 环节，有助于提前发现潜在的疲 劳断裂风险，避免产品在服役过 程中发生意外断裂。
02
通过疲劳分析，可以优化产品设 计，提高产品的可靠性和安全性 ，降低产品全寿命周期成本。
02 有限元法基础
有限元法简介
有限元法是一种数值分析方法， 用于解决各种复杂的工程问题， 如结构分析、热传导、流体动力
学等。
它通过将连续的物理系统离散化 为有限个小的单元，并对这些单 元进行分析，从而实现对整个系
统的近似求解。
有限元法广泛应用于工程设计、 产品开发和科学研究等领域。
有限元法的基本原理
结构应力分析
通过有限元法计算结构的应力分布。
疲劳裂纹扩展模拟
引入裂纹扩展模型，模拟裂纹在结构中的扩 展过程。
应力集中区域识别
找出结构中的应力集中区域，这些区域往往 是疲劳裂纹萌生的地方。
结构疲劳寿命评估
结合材料的疲劳性能参数和裂纹扩展规律， 评估结构的疲劳寿命。
05 有限元法进行疲劳分析的 案例
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飞机金属疲劳与腐蚀疲劳
• 统计数据表明，飞机结构中有半数以上的破坏形式与腐蚀 或腐蚀疲劳有关。 • 由于具有重量轻、强度好等优越性能的高强度铝合金 已成为航空领域中使用最为广泛的金属材料。然而从目前 对高强度铝合金腐蚀疲劳的研究成果来看，铝合金对腐蚀 引起的破坏是敏感的，腐蚀环境往往会使铝合金结构的疲 劳寿命大大缩短。
应变-疲劳寿命公式：
e p f (2 N f ) b f (2 N f ) c 2 2 2 E
应变-疲劳寿命曲线通常由一系列应变疲劳试验确定。
总应变幅值与疲劳寿命的关系示意图
• 弹性线与塑性线交点称为疲劳寿命转变点。 • 从图中可以看出，在短寿命高应变区，疲劳寿命 主要取决于 f ，因而提高材料的塑性有助于提高 疲劳抗力；而在长寿命低应变区，疲劳寿命主要 取决于弹性应变，提高强度 f ( f f )，则 在同样的应变幅下可延长寿命，或者，对于同样 的疲劳寿命，材料可经受更大的应力幅值。
材料疲劳及设计
报告内容Biblioteka 波音747的疲劳开裂 Add your title Add your title Add your title
疲劳破坏
• 钢材在连续反复荷载作用下，其应力虽然没有达到抗拉强度，甚至 还低于屈服强度时，也可能发生突然破坏，这种现象称为疲劳破坏。 钢材在疲劳破坏之前，没有明显的变形，是一种突然发生的脆性断裂 ，所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏。 • 钢材的疲劳破坏是经过长时间的发展过程才出现的，其破坏过程 可分为三个阶段：裂纹的形成、裂纹缓慢扩展、最后迅速断裂而破坏 。钢材的疲劳破坏首先是由于钢材内部结构不均匀和应力分布不均匀 所引起的。应力集中可以使个别晶粒很快出现塑性变形及硬化，从而 大大降低钢材的疲劳强度。对于承受连续反复荷载的结构，设计时必 须考虑钢材的疲劳问题。 • 反复作用的荷载值不随时间变化，则在所有应力循环内的应力幅将保 持常量，称为常幅疲劳。若反复荷载作用下，应力循环内的应力随时 间随机变化，则称为变幅疲劳。
疲劳裂纹扩展的概念
承受结构或元件，由于交变载荷的作用，或者由于载荷 和环境侵蚀的联合作用，会产生微小的裂纹，裂纹将随着交 变载荷周次的增加或环境侵蚀时间的延长而逐渐扩展。随着 裂纹尺寸增大，结构或元件的剩余强度逐步减小，最后导致 断裂。
疲劳裂纹的萌生从宏观而言，总是起源于应力集中区、 高应变区、强度最弱的基体、结构拐角、加工切削裂焊缝、 腐蚀坑等区域。从微观而言可分为滑移带开裂、晶界开裂、 非金属夹杂（或第二相）与基体界面开裂三种机制。
飞机金属疲劳与声疲劳
• 噪声源以压力波的形式带动周围的空气振动，将声波 向四周传播，当声波遇到飞机结构时，便会在结构上形成 声压。现代飞机的噪声源除了发动机外，还包括飞机的辅 助动力装置、航炮或火箭发射，以及机体附面层气流起伏 引起的飞行器结构振动等。 • 声疲劳同其他由于随机载荷而产生的疲劳破坏没有本 质上的区别。它同样可以使飞机的薄板结构因声致振动而 产生破坏；或引起铆钉松动、断裂、甚至飞掉；有时还会 引起蒙皮撕裂。这些故障都会影响飞机结构的完整性与安 全性。
飞机金属疲劳与交变载荷
• 在服役期间，飞机不断重复着起飞、飞行与降落这一过程，而 在每次起飞、飞行与降落过程中，飞机的结构都承受着各种各 样反复作用的疲劳载荷。这些疲劳载荷主要包括： • 1 跑道上颠簸的地面滑行载荷；飞 • 2 行中大气紊流(乱流)引起的“突风载荷”； • 3飞机作仰俯、偏航以及侧身等动作时的机动载荷； 4飞机着陆时的撞击载荷： 5气密座舱飞机舱内增压一卸压的所谓“地—空—地”循环载 • 这些载荷通常都比较小，不足以使飞机结构发生一次性断 裂，但它们日复一日，年复一年地作用在飞机上， 飞机结构中 的疲劳损伤便会在不知不觉中累积。一旦这种疲劳损伤累积到 一定程度，飞机的结构就会开裂，从而发生破坏，并最终诱发 空中解体。
Paris等对A533钢在室温下，针对 R Kmin Kmax 0.1 的情况 收集了大量数据，总结除了著名的经验公式，帕里斯公式。
疲劳裂纹扩展速率
Paris（帕里斯）公式（1963年）
da m C （ K ） dN
K Kmax Kmin
C、m是材料常数，对于同一材料，m不随构件的形状和 载荷性质而改变，常数C与材料的力学性质（如 s 及硬 化指数等）、试验条件有关。 对数形式
da lg lg C m lg K dN
疲劳裂纹扩展速率
第一阶段低速率区 •材料的裂纹刚形成，因此应力 场强度因子低，使得裂纹尖端塑 性区尺寸小；
波音747的疲劳开裂
• 事件回顾
• 2002年5月25日，中华航空611号班机为一架波音 747-209B型客机，由桃园国际机场前往香港国际 机场途中，因金属疲劳导致飞机在澎湖外海 35,000呎高空解体坠毁。206名乘客及19名机组 员无人生还。
原因追溯
• 1980年2月7日，该航机在香港启德机场曾因重落地损伤 到机尾蒙皮。 • 损伤到机尾后，华航仅用一块面积与受损蒙皮相若的铝版 覆盖该处（根据波音的维修指引，新蒙皮的面积须较受损 的大最少30%），并没有依波音所订的维修指引把整块蒙 皮更换，造成该地方累积了金属疲劳的现象。22年来，维 修人员没有察觉任何异常。 • 该处裂开后，造成空中失压解体。根据事故后回收的机身 残骸，该处裂痕至少长达90.5吋（约2.3米），而研究显 示在高空中飞机上的裂痕超过58吋（约1.5米）时就会有 结构崩毁的可能。
疲劳裂纹扩展速率
疲劳裂纹扩展的定量表示用 ， N是交变应力的循 环次数增量，a 是相应的裂纹长度的增量。
a N 称为疲劳裂纹扩展速率，表示交变应力每循环一次裂
a da N 或 dN
纹长度的平均增量，它是裂纹长度a、应力幅度或应变幅度的 函数。 在低振幅下观察到
13107 cm / 次 ，而在高振幅下为 13102 cm / 次