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        DP600雙相鋼疲勞分析

        2015-12-11 10:18:54王亞北岳峰麗張士宏宋鴻武鄧偲瀛鄒立春
        沈陽理工大學學報 2015年1期

        王亞北,岳峰麗,張士宏,宋鴻武,鄧偲瀛,鄒立春

        (1.沈陽理工大學 汽車與交通學院,遼寧 沈陽 110159;2.中國科學院金屬研究所,遼寧 沈陽 110016;

        3.長春一汽富維汽車零部件股份有限公司技術(shù)中心,吉林 長春 130011)

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        DP600雙相鋼疲勞分析

        王亞北1,岳峰麗1,張士宏2,宋鴻武2,鄧偲瀛2,鄒立春3

        (1.沈陽理工大學 汽車與交通學院,遼寧 沈陽 110159;2.中國科學院金屬研究所,遼寧 沈陽 110016;

        3.長春一汽富維汽車零部件股份有限公司技術(shù)中心,吉林 長春 130011)

        摘要:對DP600雙相鋼進行材料疲勞測試,考察材料的疲勞特性。DP600雙相鋼進行拉壓疲勞測試,通過誤差系數(shù)評價指數(shù)數(shù)函數(shù)公式、冪函數(shù)公式和Basquin公式,得到DP600雙相鋼的S-N曲線擬合方程,并利用有限元模擬進行驗證,得到該材料的疲勞極限為260.17MPa。

        關(guān)鍵詞:DP600雙相鋼 ; 疲勞測試; S-N曲線擬合; Fe-safe

        在全球面臨嚴重的能源匱乏和環(huán)境污染的情況下,汽車輕量化是汽車行業(yè)發(fā)展的主要方向,采用高強鋼板是實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑。由于雙相鋼具有各項同性、更高的應(yīng)變硬化指數(shù)、無屈服點等優(yōu)點,使得雙相鋼開始出現(xiàn)便廣泛應(yīng)用于汽車沖壓成型零件[1]。文獻[2]對 DP800進行了疲勞性能研究,得到了DP800疲勞壽命計算公式,進而得到疲勞極限。文獻[3]對比了不同的載荷比(R=-1和R=0.1)和不同模型(Goodman和Morro模型)的S-N曲線,得到Morrow疲勞模型在γ=0.85、R=0.1預(yù)測平均應(yīng)力的影響。本文在此基礎(chǔ)上對DP600進行疲勞試驗和S-N曲線的擬合,并用有限元模擬方法進行驗證。

        1 DP600雙相鋼簡介

        實驗采用臺灣中鋼,根據(jù)國標GB/T4336-2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法》測得試驗鋼的化學成分如表1所示。

        表1 DP600雙相鋼的化學成分 Wt.%

        2 DP600雙相鋼疲勞分析

        在工程應(yīng)用中,結(jié)構(gòu)件所受的應(yīng)力總是低于材料的屈服強度σs(σ0.2)。通常,在低于屈服強度的應(yīng)力下,材料不會發(fā)生塑性變形,更不會發(fā)生斷裂。但是,在變動應(yīng)力作用下,即使所承受的應(yīng)力低于屈服強度,材料也有可能發(fā)生斷裂,這種現(xiàn)象稱為材料的疲勞。

        為保證機械和工程構(gòu)件能安全可靠的運行,必須防止其零部件,尤其是重要零部件的失效,故在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需進行疲勞壽命預(yù)測和機構(gòu)疲勞的可靠性評估[4]。

        DP600雙相鋼疲勞試驗根據(jù)國標GB/T3075-2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》,設(shè)計試驗樣件,如圖1所示,為便于測量,加了10mm的平行段。每個試樣均沿軋制方向切割,準備15個樣件以備使用,樣件的厚度為4mm,樣件表面粗糙度應(yīng)小于或等于0.2μm。采用升降方法測定S-N曲線。

        圖1 疲勞試樣尺寸/mm

        采用對稱拉壓試驗得到的試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

        表2 DP600母材疲勞試驗數(shù)據(jù)

        從表2可知:σ≤265MPa時材料的壽命N≥107,隨著加載的應(yīng)力不斷增大,壽命降低,材料發(fā)生疲勞斷裂。

        2.1 DP600 S-N曲線擬合

        本疲勞試驗是高周疲勞試驗,因此進行S-N曲線擬合時采用兩參數(shù)公式,其中包括指數(shù)函數(shù)公式、冪函數(shù)公式和Basquin公式[5]。

        (1)指數(shù)函數(shù)公式擬合S-N曲線

        將試驗所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成lgS和lgN,轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)如表3所示,利用指數(shù)函數(shù)公式進行S-N曲線擬合。

        表3 轉(zhuǎn)化成對數(shù)所得數(shù)據(jù)

        指數(shù)函數(shù)公式為

        N·eαs=C

        (1)

        式中α和C為材料常數(shù)。式(1)兩邊取對數(shù)可得

        lgN=a+bS

        (2)

        式中的a和b為材料常數(shù)。由此可見,指數(shù)函數(shù)的S-N經(jīng)驗公式在半對數(shù)坐標圖上為一直線。擬合的直線如圖2所示。擬合后的方程為

        lgN=-0.0352S+16.072

        (3)

        (2) 冪函數(shù)公式擬合S-N曲線

        冪函數(shù)擬合公式為

        SαN=C

        (4)

        式(4)取對數(shù),整理后得

        lgN=a+b·lgS

        (5)

        圖2 指數(shù)函數(shù)公式擬合的S-N曲線

        由此可見,冪函數(shù)的S-N經(jīng)驗公式在雙對數(shù)坐標圖上為一直線。擬合的直線如圖3所示。擬合后的方程為

        lgN=-23.0038lgS+62.4811

        (6)

        (3)利用Basquin公式擬合S-N曲線[6]

        Basquin公式為

        (7)

        兩邊取對數(shù)得

        lgS=C+blg(2N)

        (8)

        由此擬合的S-N曲線如圖4所示。擬合的公式為

        lgS=2.7-0.039lg(2N)即Sa=501.18(2N)-0.039

        (9)

        圖3 冪函數(shù)公式擬合的S-N曲線

        圖4 Basquin公式擬合S-N曲線

        2.2 S-N曲線擬合的比較和驗證

        將試驗的應(yīng)力值分別帶入式(3),對指數(shù)函數(shù)公式進行檢驗,得到的疲勞壽命如表4所示。

        表4 指數(shù)函數(shù)公式計算得到的試樣壽命

        則指數(shù)函數(shù)公式得到的誤差系數(shù)μ=0.53;

        將試驗應(yīng)力分別帶入公式(6),對公式進行驗證得到冪函數(shù)公式的誤差系數(shù)μ=0.54;將試驗應(yīng)力分別帶入公式(9),對公式進行驗證得到Basquin公式的誤差系數(shù)為μ=0.21。

        由以上誤差系數(shù)的驗證可知Basquin公式擬合的S-N曲線更接近真實的S-N曲線,因此選擇Basquin公式擬合的S-N曲線,公式為Sa=501.18(2N)-0.039。根據(jù)Basquin公式擬合的方程得到材料的疲勞極限σ-1=260.17MPa,即σ-1=0.4σb(材料的抗拉強度σb=643.7MPa)。

        3 疲勞模擬驗證S-N曲線的準確性

        根據(jù)疲勞試樣試件進行有限元建模,隨機加載一個實驗應(yīng)力(295MPa),進行靜力分析,得到的最大應(yīng)力為299MPa,如圖5所示。然后將靜力分析的結(jié)果導(dǎo)入Fe-safe進行疲勞壽命模擬與預(yù)測,將Basquin公式擬合的S-N曲線加入本模擬,得到的最小壽命為527672,安全系數(shù)為0.858,如圖6所示。由模擬壽命和真實試驗壽命得到的誤差系數(shù)為μ=0.12,符合要求。

        圖5 靜力分析結(jié)果

        圖6 疲勞模擬壽命

        4 結(jié)論

        (1)通過誤差系數(shù)來評價指數(shù)函數(shù)公式、冪函數(shù)公式和Basquin公式,Basquin擬合結(jié)果誤差系數(shù)更小,因此得到DP600雙相鋼的S-N曲線擬合公式為Sa=501.18(2N)-0.039。

        (2)根據(jù)Basquin擬合公式得到材料在加載頻率為10Hz拉壓循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下,DP600雙相鋼的疲勞極限為260.17MPa即0.4σb。

        參考文獻:

        [1]黃全偉,宋仁伯.700MPa級熱軋雙相鋼的組織性能[J].鋼鐵研究學報,2009,21(8):21-24.

        [2]于燕,張小盟,江秋.汽車用高強鋼板DP800的疲勞性能研究[J].熱加工工藝,2013,42(20):106-108.

        [3] Irwan Herman Onn,Norhayati Ahmad,Mohd Nasir Tamin.Fatigue Characteristics of Dual Phase Steel Sheets [C].9th International Conference on Fracture & Strength of Solids,2013.

        [4]王鳳雪.汽車用雙相鋼疲勞性能研究[D].長春:長春大學,2013.

        [5]姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

        [6]Giri SK,D.Bhattacharjee.Fatigue Behavior of Thin Sheets of DP590 Dual-Phase Steel[J].Journal of materials engineering and performance,2012,21(6):988-994.

        (責任編輯:趙麗琴)

        Fatigue Analysis of DP600 Dual-phase Steel

        WANG Yabei1,YUE Fengli1,ZHANG Shihong2,SONG Hongwu2,

        DENG Siying2,ZOU Lichun3

        (1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;

        2.Shenyang Advanced Materials Research Center Institute of Metal Research,Shenyang 110016,China;

        3.Changchun FAWAY Automobile components Co.,Ltd.R & D,Changchun 130011,China)

        Abstract:The fatigue properties of DP600 dual-phase steel have been investigated using fatigue testing.The equation of S-N curve was fitted by evaluation of error coefficient and comparisons of exponent function,power function and Basquin equations.The fitted equation was verified using finite element simulation.Tension-compression fatigue tests were conducted to obtain the fatigue limit of 265MPa.

        Key words:DP600 dual-phase steel;fatigue testing ;S-N curve fitting;Fe-safe

        中圖分類號:TB302.3

        文獻標志碼:A

        文章編號:1003-1251(2015)01-0052-04

        通信作者:

        作者簡介:王亞北(1987—),女,碩士研究生;岳峰麗(1970—),女,副教授,研究方向:汽車現(xiàn)代設(shè)計及制造技術(shù)。

        收稿日期:2014-03-27

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