基于CAE的U形波纹管疲劳寿命研究

论文摘要

在航空、航天、海洋、交通等重要工业领域,疲劳破坏是机械构件失效的一种主要故障模式。伴随工程技术和材料科学的快速发展,人们对疲劳研究越发重视,疲劳研究已成为重要的学科。首先,本文对国内外疲劳研究的现状进行了阐述,介绍了全寿命分析法、应力-应变分析法、功率谱密度法等当前普遍使用的疲劳分析方法,重点介绍了S-N曲线的五种常用表达式和对称循环载荷,以及当载荷不对称时的平均应力修正方法。指出了疲劳失效分类以及疲劳裂纹的产生、扩展和断裂机理。分析了应力集中、表面质量、尺寸、使用环境等影响疲劳寿命的因素。其次,用建模功能强大PRO/E进行建模,运用有限元软件ABAQUS进行静力学分析。通过计算分析,得到U形波纹管应力应变的变化与设计参数之间的关系。然后,用疲劳寿命计算公式和疲劳分析软件MSC.FATIGUE对U形波纹管的疲劳寿命进行计算,根据疲劳计算结果,进行了疲劳设计优化和波纹管的结构参数优化。最后按照设计要求,加工出两组波纹管,进行了疲劳试验,对设计和优化的结果进行了验证,试验结果证明了分析结果的准确性。实践证明,综合利用CAE软件进行波纹管建模、静力学分析以及疲劳寿命分析是一种高效、可行且值得信赖的疲劳设计方法,可以有效减少设计成本、缩短研制周期,提高产品的市场竞争力,为机械产品疲劳寿命设计开辟了新的研究途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 疲劳研究的发展状况
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 名义应力法（S－N 曲线法）
• 1.2.2 局部应力－应变法（ε－N 法）
• 1.2.3 功率谱密度法
• 1.2.4 能量法
• 1.2.5 应力场强法
• 1.2.6 裂纹扩展寿命分析方法
• 1.2.7 损伤力学法
• 1.3 本文主要工作
• 1.4 课题研究的目的与意义
• 1.5 课题的创新之处和难点
• 第2章 疲劳的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 疲劳的基本概念
• 2.2.1 疲劳的定义
• 2.2.2 疲劳的分类
• 2.3 疲劳产生的机理
• 2.4 影响结构疲劳强度的因素
• 2.4.1 应力集中的影响
• 2.4.2 表面质量的影响
• 2.4.3 尺寸的影响
• 2.4.4 环境的影响
• 2.5 应力-寿命曲线
• 2.5.1 曲线及表达形式
• 2.5.2 对称循环载荷
• 2.6 本章小结
• 第3章 U 形波纹管的设计与疲劳寿命计算
• 3.1 引言
• 3.2 ABAQUS 有限元软件
• 3.2.1 ABAQUS 简介
• 3.2.2 ABAQUS 主要模块
• 3.2.3 ABAQUS 分析主要步骤
• 3.2.4 算例
• 3.3 波纹管的性能
• 3.3.1 刚度
• 3.3.2 疲劳寿命
• 3.4 波纹管的应力计算
• 3.4.1 基于梁模型的应力计算
• 3.4.2 基于ABAQUS 的应力计算
• 3.4.3 设计参数对刚度和应力的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于 MSC.FATIGUE 软件的波纹管疲劳分析
• 4.1 引言
• 4.2 MSC FATIGUE 有限元疲劳分析软件
• 4.2.1 MSC FATIGUE 简介
• 4.2.2 S－N 分析方法
• 4.3 波纹管疲劳寿命分析
• 4.3.1 波纹管设计改进
• 4.3.2 波纹管寿命校核
• 4.4 本章小结
• 第5章 波纹管疲劳试验校核与设计优化
• 5.1 引言
• 5.2 疲劳优化设计
• 5.3 结构优化设计
• 5.3.1 增加波数
• 5.3.2 减小壁厚
• 5.4 疲劳寿命试验
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果