疲勞壽命試驗的案例
汽車前軸疲勞壽命研究
本文模擬汽車前軸臺架試驗條件，使用有限元方法對汽車前軸進行靜力分析。在表面質量和內在組織性能等基本不變的情況下，通過對其薄弱點結構進行優化改進，結合受力分析和試驗驗證，以發現提升前軸疲勞壽命的其他方法和手段。
背景概況
汽車前軸作為整車最重要的鍛件之一，承受著較大載荷，使用環境和工況復雜。前軸在汽車行駛中承受著交變應力、力矩及變形力的作用，如果前軸的疲勞性能達不到標準，將有可能造成嚴重后果，帶來巨大損失，所以前軸的疲勞性能已成為評價鍛件質量的主要指標。
某前軸在臺架疲勞試驗中，發現前軸座板背部出現早期斷裂現象。常規研究前軸疲勞失效的方法主要是對失效前軸進行理化檢測，探究表面質量、內部微觀組織以及力學性能等對前軸疲勞性能的影響，進而通過調整和優化工藝來提高前軸疲勞壽命。
本文則是從另外一個角度進行疲勞強度分析驗證和探究，以期發現提高前軸疲勞壽命的其他方法和手段。
某型前軸臺架疲勞壽命試驗
按照國家QC/T 483-1999《汽車前軸疲勞壽命極限》和QC/T 513-1999《汽車前軸臺架疲勞壽命試驗方法》，在疲勞試驗臺架上對開發的前軸進行臺架疲勞試驗，在前軸的兩端安裝轉向節，并在兩側輪距位置設置固定塊。按照《汽車前軸臺架疲勞壽命試驗方法》對前軸進行加載，垂直載荷為交變載荷，其范圍為9.8×103～6.86×104kg，試驗頻率為5Hz，垂直載荷作用于前軸座板處，試驗臺架如圖1所示。
臺架試驗的前軸材料為40Cr，樣品為3件，試驗結果是分別在30萬次、36萬次、20萬次的循環載荷時，前軸座板背部和工字筋處斷裂（圖2）。采用理化分析方法對該前軸進行失效分析，結果表明前軸的化學成分、金相組織、硬度均符合技術要求，工件的表面質量總體尚可，無明顯鍛造缺陷。現采用有限元的方法對前軸進行結構受力分析。
展開 汽車線束的加速試驗設計與疲勞壽命評估
關于加速試驗量化參數的估計，主要包括加速試驗應力水平的估計，加速試驗時間的估計以及加速因子的估計。本試驗主要考慮線束材料疲勞及材料老化二種失效機理條件下的加速試驗方案，加速線束疲勞失效采用線束疲勞耐久試驗裝置，將線束三軸向運動位移范圍設置為±12 mm，頻率為1 Hz，即三軸同時運動一次時間為1 s，試驗時間設置為105 s，加速線束老化失效利用溫箱來實現，設置溫度為125 ℃，時間設置為1 000 h。
加速試驗設計關鍵性技術細節還有一點就是產品的失效判據及失效檢測方式。產品的失效判據及失效檢測方式不僅影響加速試驗結果，也影響最終產品可靠性評價結果。因此，產品的失效判據及失效檢測方式為加速試驗設計重要的環節。
本試驗主要考核的是線束的電線部分疲勞失效情況，電線失效往往發生于電線內部斷絲而引起阻抗的增加。因此，選取線束的阻抗值作為失效的特征變量。通過高采樣頻率測量線束的阻抗值來監測線束內部的損傷情況，選取阻抗分析儀作為試驗儀器，并以1 kHz作為測試頻率，在線束二端施加交流電信號，測取不同時刻的阻抗值。
試驗初始時刻測量線束阻抗并記錄，試驗過程中測量頻率間隔為10 s/ 次，試驗結束后再次測量并記錄。根據行業一般標準采用100 MΩ 的阻抗作為失效判據，即認為阻抗值超過這一標準即判定為產品失效。
3 疲勞壽命評估
按上述加速試驗方案對汽車線束進行加速壽命試驗，分別為疲勞耐久試驗和高溫老化試驗。疲勞耐久試驗進行到產品發生失效或者達到試驗時間停止，試驗時間為105 s 約為27.8 h，加速因子為105/20 等于5 000，因此，疲勞壽命粗略估計為27.8 h×5 000，約為15.9 年。
展開 汽車高壓線束的加速試驗設計與疲勞壽命評估
通過高采樣頻率測量線束的阻抗值來監測線束內部的損傷情況，選取阻抗分析儀作為試驗儀器，并以1 kHz作為測試頻率，在線束二端施加交流電信號，測取不同時刻的阻抗值。試驗初始時刻測量線束阻抗并記錄，試驗過程中測量頻率間隔為10 s/次，試驗結束后再次測量并記錄。根據行業一般標準采用100 MΩ的阻抗作為失效判據，即認為阻抗值超過這一標準即判定為產品失效。
按上述加速試驗方案對汽車線束進行加速壽命試驗，分別為疲勞耐久試驗和高溫老化試驗。疲勞耐久試驗進行到產品發生失效或者達到試驗時間停止，試驗時間為105s約為27.8 h，加速因子為105/20等于5 000，因此，疲勞壽命粗略估計為27.8 h×5 000，約為15.9年。高溫老化試驗在125 ℃試驗條件下進行1 000 h，由于線束老化的失效機理模型為Arrhenius公式，故加速因子由加速應力水平下Arrhenius公式參數對正常應力水平下Arrhenius公式參數得到，如下式所示：
式中：AF—加速因子；
Tuse—正常使用環境條件下的溫度；
Tstress—加速條件下的環境溫度（單位為熱力學溫度K），
試驗中表觀活化能Ea取3.08（J/mol）；
R—摩爾氣體常量8.31 J/（mol·K），
Tuse=273+25= 298 K，Tstress=273+125=398 K，
代入加速因子計算公式得出加速因子AF約為22.76，由此可估算出線速老化壽命約為2.6年。
通過上述加速試驗結果，可得出進行10萬次的疲勞耐久試驗可模擬汽車線束15.9年的疲勞壽命，進行1 000 h的125 ℃高溫老化試驗可模擬汽車線束2.6年的老化壽命。
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通過高采樣頻率測量線束的阻抗值來監測線束內部的損傷情況，選取阻抗分析儀作為試驗儀器，并以1 kHz作為測試頻率，在線束二端施加交流電信號，測取不同時刻的阻抗值。試驗初始時刻測量線束阻抗并記錄，試驗過程中測量頻率間隔為10 s/次，試驗結束后再次測量并記錄。根據行業一般標準采用100 MΩ的阻抗作為失效判據，即認為阻抗值超過這一標準即判定為產品失效。
按上述加速試驗方案對汽車線束進行加速壽命試驗，分別為疲勞耐久試驗和高溫老化試驗。疲勞耐久試驗進行到產品發生失效或者達到試驗時間停止，試驗時間為105s約為27.8 h，加速因子為105/20等于5 000，因此，疲勞壽命粗略估計為27.8 h×5 000，約為15.9年。高溫老化試驗在125 ℃試驗條件下進行1 000 h，由于線束老化的失效機理模型為Arrhenius公式，故加速因子由加速應力水平下Arrhenius公式參數對正常應力水平下Arrhenius公式參數得到，如下式所示：
式中：AF—加速因子；
Tuse—正常使用環境條件下的溫度；
Tstress—加速條件下的環境溫度（單位為熱力學溫度K），
試驗中表觀活化能Ea取3.08（J/mol）；
R—摩爾氣體常量8.31 J/（mol·K），
Tuse=273+25= 298 K，Tstress=273+125=398 K，
代入加速因子計算公式得出加速因子AF約為22.76，由此可估算出線速老化壽命約為2.6年。
通過上述加速試驗結果，可得出進行10萬次的疲勞耐久試驗可模擬汽車線束15.9年的疲勞壽命，進行1 000 h的125 ℃高溫老化試驗可模擬汽車線束2.6年的老化壽命。
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汽車高壓線束的加速試驗設計與疲勞壽命評估
試驗初始時刻測量線束阻抗并記錄，試驗過程中測量頻率間隔為10 s/次，試驗結束后再次測量并記錄。根據行業一般標準采用100 MΩ的阻抗作為失效判據，即認為阻抗值超過這一標準即判定為產品失效。
按上述加速試驗方案對汽車線束進行加速壽命試驗，分別為疲勞耐久試驗和高溫老化試驗。疲勞耐久試驗進行到產品發生失效或者達到試驗時間停止，試驗時間為105s約為27.8 h，加速因子為105/20等于5 000，因此，疲勞壽命粗略估計為27.8 h×5 000，約為15.9年。高溫老化試驗在125 ℃試驗條件下進行1 000 h，由于線束老化的失效機理模型為Arrhenius公式，故加速因子由加速應力水平下Arrhenius公式參數對正常應力水平下Arrhenius公式參數得到，如下式所示：
式中：AF—加速因子；
Tuse—正常使用環境條件下的溫度；
Tstress—加速條件下的環境溫度（單位為熱力學溫度K），
試驗中表觀活化能Ea取3.08（J/mol）；
R—摩爾氣體常量8.31 J/（mol·K），
Tuse=273+25= 298 K，Tstress=273+125=398 K，
代入加速因子計算公式得出加速因子AF約為22.76，由此可估算出線速老化壽命約為2.6年。
通過上述加速試驗結果，可得出進行10萬次的疲勞耐久試驗可模擬汽車線束15.9年的疲勞壽命，進行1 000 h的125 ℃高溫老化試驗可模擬汽車線束2.6年的老化壽命。在實際工程中，可根據不同種類的汽車線束和不同的使用環境要求進行特定的加速壽命試驗，研究方法供汽車行業在進行線束可靠性量化評價方面提供一定的借鑒和指導作用。
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展開 汽車半軸用鋼旋轉彎曲疲勞及半軸扭轉疲勞性能研究
試驗結果與討論
經檢驗，采用邯鋼40CrH加工的某品牌三個型號汽車半軸樣品扭轉疲勞壽命試驗的中值壽命B50≥80.0×104次。
結論
（1）基于邯鋼汽車半軸用鋼40CrH生產工藝、性能指標及半軸加工工藝，半軸用鋼旋轉彎曲疲勞50%存活率疲勞壽命下限值為366.7MPa。
（2）基于邯鋼汽車半軸用鋼40CrH生產工藝、性能指標及半軸加工工藝，加工的乘用車半浮式半軸扭轉疲勞中值壽命B50≥80.0×104次。
——本文節選自《鍛造與沖壓》2019年第1期
疲勞分析基礎知識資料--結構疲勞壽命分析
分享一個疲勞分析理論方面的資料，《結構疲勞壽命分析》，是軟件疲勞分析的基礎知識，相信對疲勞分析的兄弟會有所幫助。
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另外，直升機的振動疲勞也是急待解決的問題。
二、美國軍用規范關于動態疲勞的規定
美國海軍飛機對動態疲勞強度方面的要求，反映在如下的四個規范中：MIL-A-8866B(AS)、MIL-A-8868C(AS)、MIL-A-8868B(AS)、MIL-A-8870。
MIL-A-8866B有關氣動噪聲和振動 (Acroacoustic and Vibration) 一節中指出：在飛機使用期內，對消除由于振動、氣動噪聲和其它振動載荷引起的骨架結構或部件的疲勞裂紋形成或分層或任何其它疲勞破壞的要求與MIL-A-8870的規定—致。
MIL-A-8867C是關于地面試驗的規定，其中動態疲勞試驗的要求包括三項試驗：聲疲勞構件試驗、尾翼動態度勞試驗、動態疲勞構件發展試驗。
關于后兩項的規定指出：除了對機動載荷的疲勞試驗以外，在大綱中應盡早地在尾翼上進行動態疲勞試驗。動態試驗應根據在飛行振動和噪聲試驗期間，在全尺寸研制(FSD)飛機上測量的數據。試驗施加的動態環境應比模擬預計的環境嚴重3.5dB，試驗應進行到2倍使用壽命。然后繼續試驗直至4倍使用壽命或者直至一個不可修復的破壞出現。當飛機構件對于振動（除了聲激勵之外的振動源）敏感時，并且它們的預計壽命小于4倍使用壽命（載荷環境應比預計的環城嚴重3.5dB）時，就要求進行構件研制試驗。當試驗持續的時間比試驗件在使用激勵中暴露的時間短時，模擬振動環境時試驗幅值應包含壓縮因子。試驗施加的加速度應比模擬預計的環境嚴重3.5dB，并進行到2倍使用壽命。然后繼續進行試驗，直至達到4倍使用壽命或者一個主要的不可修復的破壞出現為止。此外，有關測量和測試設備以及疲勞檢測方法都提出了要求。
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因此，在進行應力分析時，有必要對不同加載形式下的疲勞曲線進行區分與系統研究。載荷的施加順序變化也可能導致曲線的顯著變化。針對不同形狀與尺寸的構件，可以通過實驗手段獲取其幾何與物理參數，并據此建立適用于該結構的疲勞曲線。在獲得結構疲勞特性后，采用名義應力法對構件的疲勞壽命進行預測與評估。
1.3 應力-壽命曲線的近似估計
在實際工程應用中，若暫時缺乏詳細的實驗數據，可基于材料的靜力學強度參數對其疲勞性能進行初步估算，從而為設計工作提供參考依據[85]。圖5-3展示了金屬材料疲勞極限與其抗拉極限強度之間的經驗性關系，可用于近似評判材料的疲勞能力。材料疲勞特性的基礎曲線，通常需通過對稱循環載荷條件下開展的疲勞試驗加以確定，亦可借助技術手冊中已有的試驗數據進行推導。在工程實踐中，若暫缺相關試驗結果，可依據材料的靜態力學強度參數，對其疲勞壽命進行初步推斷，以輔助早期設計分析[85]。如圖5-3所示，金屬材料的疲勞極限值通常與其抗拉極限強度之間呈現一定的經驗性關聯，該關系可為疲勞性能的定性判斷提供支持。
圖5-3 旋轉彎曲疲勞極限與極限強度之關系
1.3.1 無實驗數據時應力-壽命曲線估計
在缺乏實驗數據的情況下，準確估計應力-壽命曲線是疲勞分析中的一個重要挑戰。應力-壽命曲線(
曲線)是描述材料在特定應力幅值下的疲勞壽命關系的圖形工具。通常，
曲線通過實驗數據得出，但在實際工程中，由于時間、成本或實驗條件的限制，實驗數據可能不充分或不可得。因此，采用理論方法和已有的經驗公式來估計應力-壽命曲線變得尤為重要。
展開 SIMULIA Fe-safe在復雜環境下的疲勞仿真優勢——車輛機架疲勞壽命分析案例
SIMULIA Fe-safe在復雜環境下的疲勞仿真優勢——車輛機架疲勞壽命分析案例
達索Fe-safe是一款耐久性分析軟件，專門用于有限元模型的疲勞分析。它是由達索系統（Dassault Systèmes）提供的SIMULIA 3D軟件套件的一部分。Fe-safe能夠直接連接所有主要的FEA套件，如Abaqus、ANSYS、Nastran（MSC、NEi、NX）和Pro/Mechanica。它專注于基于現代多軸應力的疲勞方法，并且是市場上最專業的疲勞分析軟件之一。Fe-safe適用于熱機械疲勞和蠕變疲勞、橡膠材料以及針對焊接接頭的 Verity 結構應變方法。功能專為滿足要求最嚴苛的行業應用而開發，能夠提供準確、可靠的多軸疲勞分析，無論載荷和模型的復雜度如何。
下面是SIMULIA Fe-safe在對車輛機架及轉向節的過載疲勞分析案例
在機架模擬過程中，由于該機架為懸掛系統的一部分，上端連接于彈簧，路面行駛時下端受載。測試路面較復雜。
在經過加速的模擬實驗中，該機架在相當于行駛41000公里時出現明顯的裂紋。FE-SAFE的計算結果表明，結構在相當于行駛27000公里時出現初始裂紋。考慮疲勞軟件計算的裂紋起始，這一結果與實驗吻合得非常好。而且開裂位置與實驗結果完全一樣。
在轉向節的疲勞模擬中，考慮到在車輛行駛過程中，由于路面情況復雜，常常會遇到瞬時受載過大的情況。這些瞬時的大載荷會對零件的疲勞壽命產生比較大的影響。因為在大載荷下，零件極容易進入塑性工作。
由于Abaqus強大的非線性分析功能，以及FE-SAFE中可以采用諾伯法則(Neuber’s Rule)來考慮疲勞載荷譜上塑性效應的影響，故本分析采用Abaqus和FE-SAFE完成。
展開 【11月23-26日 北京】nCode DesignLife結構疲勞計算與疲勞裂紋擴展壽命分析
ANSYS nCode DesignLife結構疲勞計算與疲勞裂紋擴展壽命分析
一、課程背景：
疲勞破壞是工程結構遭受往復載荷引起結構失效的重要因素，該方面的計算分析越來越受到工程界的重視。ANSYS nCode DesignLife軟件是一款領先的疲勞分析軟件，其先進的疲勞分析功能與ANSYS Workbench融于一體。該課程全面系統的講解DesignLife軟件疲勞計算的原理，軟件設置方法以及常見問題的解決方法，重點講解材料疲勞曲線，載荷譜的處理方法，有限元結果的使用，應力疲勞，應變疲勞，振動疲勞，疲勞裂紋擴展壽命分析等內容，使學員理解疲勞壽命計算的相關概念和原理，同時也幫助工程師在最短時間內掌握nCode DesignLife的使用方法，提升解決實際問題的能力，提高新產品設計與評估的能力。
二、增值服務：
贈送定制U盤一個；
同一單位2人報名享受9折優惠；同一單位3人以上（含）報名享受8.5折優惠；
課程結束后贈送10套學習資料；
參訓學員或企業針對課程相關問題在課程結束后也可以得到老師的解答與指導（郵件、微信、電話），作為培訓講授的補充。
三、授課專家：
該課程講師，9年仿真分析工作經驗、副教授，碩士期間主修工程力學，擅長工程結構數值分析、流場流動模擬、流固耦合及多物理場耦合數值模擬，擁有豐富的大型工程結構數值分析、流體動力學模擬和多場耦合模擬經驗。發表學術論文20余篇，其中SCI、EI收錄論文13篇。培訓60多場次，學員上千人。
四、時間地點：
2018年11月23-26日 北京
(第一天報到，授課3天)
五、課程大綱：
六、培訓費用：
標準費用：3800元/人，食宿可統一安排，費用自理。
展開 
fesafe計算的疲勞壽命
壓力容器部分單元應力超過了屈服強度，fesafe計算的疲勞壽命還可靠嗎
輪轂疲勞壽命分析
Fe-safe/Rotate旋轉機械疲勞分析模塊，利用結構的循環對稱性提高了旋轉部件的疲勞分析效率，自動產生一系列不同旋轉角度上的應力結果，計算出輪轂疲勞壽命。
20071109052856.jpg
采用Marc進行橡膠件疲勞壽命分析
橡膠件疲勞分析概述
在橡膠件CAE仿真分析中，通常需要進行橡膠件剛度，密封性等仿真工況的分析，但如何進行橡膠疲勞壽命的分析當前仍然是困擾行業的難題。
Marc軟件在橡膠、密封行業有著廣泛的應用，針對橡膠疲勞壽命的仿真，Marc有幾種方法可以實現：
? 通過Mullins效應進行橡膠件的損傷分析，當損傷到達1時，認為橡膠出現開裂，但是在實際仿真計算中需要進行大量的分析計算，工作量巨大。
? 通過彈性體疲勞壽命損傷理論來進行疲勞壽命分析。其基本思想和傳統的金屬疲勞的一致，且仿真計算工作量很小，適合在工程計算中應用。
下面，我們將介紹如何采用彈性體疲勞壽命損傷理論來進行疲勞壽命分析。
彈性橡膠體的疲勞理論介紹
根據彈性體疲勞理論，彈性體的壽命和其對數應變和格林應變存在對應關系，也就是Woehler公式，其形式如下：
上述公式中，為彈性體破壞時的循環次數，為其對應的最大對數應變和格林應變。A和n為需要擬合的參數。其曲線的擬合形式如下圖所示。
然后通過雨流計數法則進行變幅損傷累積疊加，如下表達式。當D<1認為彈性體沒有發生破壞，當D≥1認為彈性體發生破壞。
在實際的計算中，只需計算一個周期的載荷循環，就可以進行彈性體壽命的預測。下面將介紹如何在Marc中進行彈性體疲勞壽命的擬合。
展開 fesafe做疲勞壽命分析
如何在fesafe中設置R＝0.1，頻率為100Hz的載荷信息
