橡胶疲劳寿命的有限元分析与实验研究

有限元法进行疲劳分析1一、有限元法疲劳分析的基本思路用有限元法进行疲劳分析，其基本思路是：首先进行静或动强度分析，然后进入到后处理器取出相关的应力应变结果，在后处理器中再定义载荷事件，循环材料特性，接着根据所需要的疲劳准则对每一个载荷事件进行寿命计算，最后根据累计损伤理论判断是否开始破坏。

由于结构受力状态往往是一复杂的应力状态，而在实验中测得的结构材料S-N曲线又常是在简单应力状态下获得的，因此常用最小能量屈服准则或其它等效准则，将所研究的疲劳点上的复杂应力用一个等效应力替代。

对有限元法而言，这一过程很容易实现。

等效替代以后，即可参照原始材料的S-N曲线进行疲劳寿命评估。

上述方法称之为应力-寿命法或S-N法，该方法不严格区分裂纹产生和裂纹扩展，而是给出结构发生突然失效前的全寿命估计。

当然，还可以采用更加现代化的局部应变法或初始裂纹法。

因篇幅所限，因此仅讨论S-N法，且针对车辆结构疲劳分析。

2二、疲劳分析由于车辆结构的零部件属于低应力、高循环疲劳，故常使用Stress life准则，并使用修正Goodman图，此时，S-N曲线的经验公式修正为：计算中需要的材料参数包括：弹性模量、疲劳强度系数、疲劳强度指数、强度极限。

其具体的分析过程是：1．建立物理模型(Physical Model)对于疲劳分析来说，物理模型即包含结点、单元、物理特性和材料特性的有限元模型。

2．建立数学模型(Mathematical Model)数学模型也就是使用物理模型计算应力或应变。

求解后，可从后处理器中获取相关的应力或应变。

3．载荷工况(Loading Conditions)对于静态疲劳分析来说，可以用建立载荷函数的方式施加载荷。

4．定义事件(Events)在进行疲劳评估之前，必须先定义事件。

它由物理模型、数学模型、载荷工况组成，如图1-1所示。

5．评估(Evaluation)一般来说，我们可进行下列估算：·事件损伤(Event Damage)·事件损伤方向(Event Damage Direction)·损伤累积(Accumulated Damage)·事件寿命估算(Event Life Estimate)6．后处理(Post Processing)疲劳分析的后处理与静力学的后处理完全一致，此处不再重复。

橡胶混凝土疲劳性能的试验研究冯文贤;刘锋;郑万虎;李丽娟【摘要】The fatigue property of rubberized concrete under three-point flexure was studied by test, by comparison with normal concrete under the different stress level and different rubber dosage. The test results show that rubber powder influences the compressive strength of concrete. The greater the rubber dosage is, the greater the strength decrease of concrete. The addition of rubber improves the toughness and deformation ability of the normal concrete. Especially it can improve the fatigue performance and prolong the service life of concrete.%通过试验研究了橡胶混凝土的三点弯拉疲劳性能,并在不同应力水平以及不同橡胶掺量下对橡胶混凝土的疲劳性能进行了对比分析.结果表明:在普通混凝土中加入橡胶粉,虽然混凝土的抗压强度有不同程度的降低,但可提高其韧性和变形性能,并且改善了疲劳性能,延长了其使用寿命.【期刊名称】《建筑材料学报》【年(卷),期】2012(015)004【总页数】5页(P469-473)【关键词】橡胶混凝土;抗压强度;疲劳性能【作者】冯文贤;刘锋;郑万虎;李丽娟【作者单位】广东工业大学土木与交通工程学院,广东广州510006;广东工业大学土木与交通工程学院,广东广州510006;广东工业大学土木与交通工程学院,广东广州510006;广东工业大学土木与交通工程学院,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TU528.41随着混凝土强度的不断提高，其固有的脆性问题愈显突出.人们发现混凝土在满足强度要求的情况下，常常会发生混凝土的结构破坏，而且是脆性断裂[1].研究发现，在混凝土中掺加橡胶颗粒能改善普通混凝土的脆性破坏[2－3].橡胶混凝土集合了橡胶与水泥混凝土的特点，其弹性模量低，变形性能优越，抗裂性能好，有较大的能量吸收能力和较高的韧性等.在道路、房建方面已有了初步的应用[4－6].Hernandez－Olivares等[7]研究了小体积掺量（5%）橡胶混凝土棱柱体试件的弯曲疲劳性能，并提出了一个基于经典 Westergaard方程的解析模型.Xiao等[8]对含有沥青添加剂的橡胶沥青混凝土的疲劳性能进行了研究，结果表明：橡胶沥青混凝土能有效吸收和耗散能量，有利于延长公路的使用寿命.本文对不同应力水平及橡胶粉掺量的混凝土进行了抗压、三点弯曲荷载作用下变形性能以及疲劳性能试验，得到了橡胶混凝土的抗压强度、弯曲荷载作用下的荷载－挠度曲线、荷载－应变曲线及应力水平（S）－疲劳寿命（N）曲线，获得了其变形性能参数，并量化分析了其韧性、使用寿命等特征.1 试验概况1.1 原材料及配合比设计水泥采用广州越堡水泥厂生产的P·O42.5R水泥；水为普通自来水；砂为普通河砂（中砂），连续级配，细度模数为2.5，表观密度为2.54g／cm3；粗骨料为花岗岩碎石，粒径为10～40mm，表观密度为2.58g／cm3；橡胶颗粒为东莞某公司生产的80目（0.180mm）橡胶粉，密度为1.06g／cm3；外加剂为L－5萘系高效减水剂，质量分数为30%，减水率达到20%（质量分数）.试验配合比如表1所示，其中RC表示橡胶混凝土，数字表示橡胶粉替代砂的体积分数.表1 配合比设计Table1 Mix proportion design）Codemw m Mix proportion ／（kg·m－3 c Water reducer RC－0 0.32 132 420 555 1 296 0 5.0 RC－5 0.32 132 420 527 1 296 11.68 5.0 RC－10 0.32 132 420 500 1 296 22.95 5.0 Water Cement SandCoarse aggregate Rubber powder RC－150.32 132 420 472 1 296 34.66 5.01.2 试验装置及测试方法根据GB 50152—92《混凝土结构试验方法标准》及GB／T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验法标准》要求，抗压试件尺寸为150mm×150mm×150mm，每组3个试件，标准养护28d，试验设备为3 000kN数显式压力试验机，加载速度为0.5～0.8MPa／s；弯曲试验试件尺寸为150mm×150mm×550mm，每组3个试件，标准养护30d，试验设备为500kN电液伺服动静试验机，三点加载，加载速度为0.05mm／min，自动记录荷载和挠度.弯曲试验时，在试件的底部距其中线10mm的位置对称粘贴2片应变片，通过静态应变仪同步测出试件应变.根据文献[9－12]的建议，疲劳试验试件尺寸为150mm×150mm×550mm，每组3个试件，在养护室洒水养护60d，然后在干燥室内静放一段时间，试验设备为500kN电液伺服动静试验机，采用三点加载方式和荷载控制模式，应力水平S＝pmax／p0（pmax为施加在试件上的最大荷载，p0为静载状态下橡胶混凝土梁承受的峰值荷载的平均值）分别为0.9，0.8，0.7，0.6.加载波形采用正弦波，低高荷载比取0.1，加载频率为5Hz，在重复荷载达到一定的加载次数后停止加载，保持停机时间为60s，然后再继续进行疲劳试验.本试验最高加载循环次数为200万次，当试件在此加载循环次数内破坏或达到200万次还未破坏时，终止试验.2 试验结果与讨论2.1 橡胶粉掺量对抗压强度的影响橡胶混凝土立方体抗压强度试验结果如表2所示.从表2可见，加入橡胶粉后，混凝土的表观密度、抗压强度均出现不同程度的降低，掺量越大，其下降幅度越大.当掺量达到15%时，混凝土的密度为2.332g／cm3，降幅为5.16%，抗压强度为37.7MPa，降幅为34.8%.橡胶混凝土抗压强度降低的主要原因是由于橡胶的弹性模量远远小于混凝土所致.表2 立方体抗压强度试验结果Table2 Result of cubic compression strength testCode Apparent density／（g·cm－3）Compressive strength／MPa Ratio between strength and mass／（MPa·kg－1）RC－0 2 459 57.8 6.96 RC－5 2 424 50.6 6.19 RC－10 2 376 45.3 5.64 RC－15 2 332 37.7 4.79 2.2 弯曲荷载试验橡胶混凝土三点弯曲荷载试验结果如表3所示.表3 三点弯曲试验结果Table3 Result of three－point flexural testCodePeak load／kN Peak deflection／mm Peak tensile strain×106 Utmost tensile strain×106 RC－0 21.40 0.56 627 3 217 RC－5 20.36 0.70 867 5 237 RC －10 19.50 0.88 1 845 7 244 RC－15 18.51 1.33 2 205 8 998从表3可见，橡胶混凝土的峰值荷载随着橡胶粉掺量的增加而减少.橡胶混凝土的峰值挠度均比普通混凝土高，当橡胶粉掺量为5%，10%时，其峰值挠度为普通混凝土的1.25，1.57倍，当橡胶粉掺量为15%时，橡胶混凝土峰值挠度达到1.33mm，是普通混凝土的2.40倍.另外，橡胶混凝土的峰值拉应变分别是普通混凝土的1.38，2.94，3.52倍，而其极限拉应变分别是普通混凝土的1.62，2.25，2.80倍.这表明橡胶粉能有效吸收或耗散裂缝扩展时所释放的能量，增韧减脆.橡胶混凝土弯曲荷载－挠度曲线、荷载－应变曲线如图1，2所示.从图1，2可见，普通混凝土曲线的上升、下降段很陡，到达峰值荷载后，试件很快脆性破坏.而橡胶混凝土曲线的上升、下降段比较平缓，橡胶粉掺量越大，曲线越趋于平缓.由图2还可以看出，橡胶粉掺量越大，荷载－应变曲线所包围的面积也越大，即试件吸能、耗能的能力也越大.上述现象进一步说明了橡胶能有效吸收或耗散裂缝扩展时所释放的能量，使橡胶混凝土在一定程度上趋于延性破坏.2.3 橡胶粉掺量对疲劳寿命的影响不同应力水平及橡胶粉掺量试件的疲劳寿命曲线如图3所示.图3 应力水平－疲劳寿命曲线Fig.3 S－Ncurves从图3可见，橡胶混凝土的疲劳寿命存在一定的离散性，其主要原因是疲劳寿命对加载应力水平很敏感，当混凝土强度变异较大时，会导致其疲劳寿命离散性偏大.从图3还可以看出，在同一应力水平下，橡胶粉掺量越高，混凝土的疲劳寿命越长.这是由于橡胶粉变形可吸收能量，从而减少了微裂缝的产生.上述结果表明，橡胶混凝土具有较好的韧性、抗变形能力及抗疲劳性能.3 橡胶混凝土试件变形特征分析3.1 静载试验破坏形态橡胶混凝土破坏形态见图4，5.对于立方体试件，普通混凝土呈脆性断裂，裂缝较宽较深.当橡胶粉掺量为5%～15%时，试件既呈倒锥形破坏，又有竖向裂缝产生.在弯曲荷载作用下，普通混凝土的裂缝贯穿整个试件，脆性断裂，掺入橡胶粉后，其裂缝宽度及深度随着掺量的增加而减小，试件裂而不断，具有一定的延性.这是因为橡胶作为弹性体能在混凝土内部产生变形，使内应力降低，从而使抗裂性能提高，韧性增强.3.2 疲劳试验试件的变形特征图6为不同应力水平下橡胶混凝土应变ε随加载循环次数N的变化规律.图6 橡胶混凝土的ε－N 曲线Fig.6 ε－Ncurves of RC从图6可以看出，橡胶混凝土的ε－N 曲线呈明显的3阶段演变模式：在第1阶段，试件的变形发展较快，该阶段约占寿命的10%；在第2阶段，试件的变形随荷载加载循环次数的增加以接近于恒定的增长速率变化，该阶段约占寿命的80%；在第3阶段，试件的变形迅速增长，在历经短时间的加载循环后即产生破坏，该阶段占约疲劳寿命的10%.与普通混凝土相比，橡胶混凝土疲劳变形的第1段寿命及最终寿命均较长，其最大动态应变也高于普通混凝土，而且橡胶粉掺量越大，破坏阶段曲线越趋于缓和，表明橡胶混凝土具有较好的抗疲劳开裂性能.4 结论（1）随着橡胶粉掺量的增加，混凝土的密度有所降低，最大降幅为5.16%，抗压强度也有不同程度的降低，其最大降幅为34.8%.（2）橡胶混凝土静态破坏时，破而不碎，裂而不断，具有一定的塑性特征.（3）在相同应力水平下，橡胶混凝土的疲劳寿命大于普通混凝土，并随着橡胶粉的掺量增加而增大，而且橡胶粉的掺量越大，其破坏阶段曲线越趋于缓和.（4）在循环荷载作用下，橡胶混凝土的应变呈3阶段变化规律，即内部损伤形成阶段、稳定扩展阶段及失稳发展阶段，3阶段所占比例分别为疲劳寿命的10%，80%，10%.参考文献：[1]ZHANG Bin－sheng，BIEANIC N，PEARCE C J，et al.Relationship between brittleness and moisture loss of concrete exposed to high temperatures[J].Cement and Concrete Research，2002，32（3）：363－364.[2]BATAYNEH M K，MARIE L，LBRAHIM A.Promoting the use of crumb rubber concrete in developing countries[J].Waste Management，2008，28（11）：2171－2176.[3]SUKONTASUKKUL P，CHAIKAEW C.Properties of concrete pedestrian block mixed with crumb rubber[J].Construc－tion and Building Materials，2006，20（7）：450－457.[4]刘春生.橡胶集料混凝土的研究及应用[D].天津：天津大学，2005.LIU Chun－sheng.Research and application of crumb rubber concrete[D].Tianjin：Tianjin University，2005.（in Chinese）[5]朱涵.新型弹性混凝土的研究综述[J].天津建设科技，2004，14（2）：35－37.ZHU Han.Summarization research of the new type elasticityconcrete[J].Tianjin Construction Science and Technology，2004，14（2）：35－37.（in Chinese）[6]吴玉生.橡胶集料混凝土结构性能研究及机理分析[D].北京：北京工业大学，2009.WU Yu－sheng.Structure performance research and mechanism analysis of rubberized concrete[D].Beijing：Beijing University of Technology，2009.（in Chinese）[7]HERNANDEZ－OLIVARES F，BARLUENGA G，PARGALANDA B.Fatigue behavior of recycled type rubber－filled concrete and its implications inthe design of rigid pavements[J].Construction and Building Materials，2007，21（10）：1918－1927.[8]XIAO Fei－peng，ZHAO W P E，AMIRKHANIAN S N.Fatigue behavior of rubberized asphalt concrete mixtures containing warm asphaltadditives[J].Construction and Building Materials，2009，23（10）：3144－3151.[9]GB 50152—92 混凝土结构试验方法标准[S].GB 50152—92 Standard methods for testing of concrete structure[S].（in Chinese）[10]GB 50081—2002 普通混凝土力学性能试验方法标准[S].GB 50081—2002 Standard for test method of mechanical properties on ordinary concrete[S].（in Chinese）[11]宋玉普，赵东拂.混凝土强度与疲劳寿命的试验样本容量分析[J].大连理工大学学报，2002，42（4）：464－466.SONG Yu－pu，ZHAO Dong－fu.The test sample analysis of concrete strength and fatigue life[J].Journal of Dalian University of Technology，2002，42（4）：464－466.（in Chinese）[12]宋玉普.混凝土结构的疲劳性能及设计原理[M].北京：机械工业出版社，2006：53－102.SONG Yu－pu.Fatigue behavior and design principle of concrete structures[M].Beijing：China Machine Press，2006：53－102.（in Chinese）。

基于有限元的疲劳分析方法及实践基于有限元的疲劳分析方法及实践疲劳是物体在循环荷载作用下发生的连续循环应力引起的损伤和破坏过程，对于工程结构的安全可靠性至关重要。

为了预测和评估结构在长期使用中的疲劳寿命，我们需要进行疲劳分析。

有限元方法是一种广泛应用的用于疲劳分析的数值模拟方法，它能够预测结构在不同应力循环下的寿命和破坏。

有限元方法基于结构的离散化，通过将结构划分为多个小单元来近似描述结构的力学行为。

在疲劳分析中，有限元方法可以应用于确定结构在复杂载荷历程下的应力和应变分布，并进一步评估结构的寿命。

下面将介绍有限元疲劳分析的基本步骤和实践经验。

首先，进行有限元模型建立。

有限元模型是指根据结构的几何形状和物性参数，以及实际工作条件建立的数值模型。

通过使用计算机辅助设计软件，我们可以将结构的几何形状进行精确建模，并定义结构中的材料参数和加载条件。

其次，确定结构的应力循环历程。

在实际工作中，结构往往会受到多种复杂的载荷作用，在疲劳分析中需要对这些载荷进行定量描述。

一般情况下，我们可以通过实验测量或者数值模拟来获取结构在不同工况下的应力循环历程。

接下来，进行疲劳寿命预测。

通过有限元分析软件，可以计算出结构在不同应力循环下的应力和应变分布。

利用经验公式或者材料的疲劳性能曲线，可以计算出结构在不同应力循环下的疲劳寿命。

疲劳寿命预测是疲劳分析的核心内容，它可以帮助工程师判断结构的安全性，进而进行优化设计。

最后，进行疲劳寿命验证。

在疲劳寿命预测的基础上，需要通过一定的实验验证来确定与有限元分析结果的一致性。

疲劳试验可以使用转子转速、台阶加载或实际工况加载等方法进行，通过实验可以验证有限元模型的准确性和可靠性。

对于疲劳分析的实践经验，有以下几点需要注意：1.准确建立有限元模型。

有限元模型的准确性关系到疲劳分析结果的可靠性。

在建模过程中，需要仔细考虑结构的几何形状、边界条件和材料参数等因素，确保模型与实际工程结构相匹配。

就橡胶材料而言，它是指橡胶材料在重复变形的过程中，当其承受的局部变形应力超过橡胶的延伸率或应力极限时，疲劳过程开始，以至于最后达到破坏。

这种疲劳破坏的开始点是由于橡胶表面或内部的不均匀性所造成的。

橡胶材料的破坏主要是由于其内部的缺陷或微裂纹引发的裂纹不断传播和扩展而导致的。

按照分子运动论的观点，橡胶材料的动态疲劳破坏归因于材料本身分子链上化学键的断裂，即试样在受到周期应力一应变作用过程中，应力不断地集中于化学键能比较弱的部位而产生微裂纹，继而发展成为裂纹并随着时间的推移而逐步扩展开来。

裂纹发展是一个随着时间而发展，涉及到橡胶材料的分子链连续断裂的粘弹性非平衡动态变化过程。

这一微观发展过程在宏观上的表现是，橡胶材料在动态应力一应变的疲劳过程中，裂纹穿过试样不断扩展，直到断裂以及产生与之所伴随的热效应。

橡胶材料的动态疲劳过程一般可以分为三个阶段：第一阶段是应力剧烈变化，出现橡胶材料在应力作用下变软的现象；第二阶段是应力缓慢变化，橡胶材料表面或内部产生微裂纹，经常称之为破坏核；第三阶段是微裂纹发展成为裂纹并连续不断地扩展开，直到橡胶材料完全出现断裂破坏现象，最后这一阶段是橡胶材料疲劳破坏的最重要的阶段。

使用炭黑填充的天然橡胶硫化胶在一定负荷下多次拉伸变形时，橡胶的物理机械性能在疲劳过程中，拉伸强度先是逐步上升的，经过一个极大值后再开始下降，而撕裂强度、动态弹性模量和力学损耗因子的变化则相反。

在疲劳过程中，胶料的拉伸强度几乎保持不变。

300％定伸应力的疲劳开始阶段明显增大，然后增大趋于缓慢；扯断伸长率则随疲劳周期的变化而下降，在高应变疲劳条件下，具有拉伸结晶性的橡胶抗疲劳破坏性能较好。

未使用补强剂补强的橡胶材料，其破坏形态一般表现为塑性破坏，而使用炭黑或其它活性填料作补强剂的橡胶材料则表现为脆性破坏，且随着各种防老剂的加入，其破坏形态由脆性破坏逐步向准塑性破坏形态转变。

天然橡胶在受到一定频率的应力作用的条件下，由于分子链的内摩擦而生热是其动态疲劳破坏的另外一种因素。

橡胶疲劳失效行为绍橡胶疲劳失效行为的研究进展。

橡胶疲劳失效的研究方法有裂纹成核法和裂纹扩展法；分析交联网络、填料、应力-应变条件和环境条件等对橡胶疲劳寿命的影响因素；综述耐疲劳橡胶的研究进展。

橡胶疲劳失效的研究应多关注交联网络和填料分散等微观现象，进一步探讨纳米填料对橡胶疲劳性能的影响。

关键词：橡胶；疲劳失效；疲劳寿命；裂纹；交联网络；填料橡胶作为一种不可替代的弹性材料已经有160多年的应用历史，在国防建设和经济建设中得到广泛应用。

橡胶不仅是生活中不可缺少的物质，也是发展高新技术所必需的高性能材料和功能性材料。

为达到减振降噪、柔韧耐磨的目的，橡胶常与金属复合制成弹性元件，这些弹性元件在许多高精尖领域广泛应用[1-2]。

随着橡胶制品的使用条件日益苛刻，橡胶疲劳失效问题日益突出，亟需解决。

近年来，与橡胶疲劳失效相关的基础理论和表征方法研究受到广泛关注。

本文从橡胶疲劳失效的研究方法、橡胶疲劳寿命的影响因素和耐疲劳橡胶的研究进展等方面，综述橡胶疲劳失效行为的研究概况。

1·橡胶疲劳失效的研究方法材料疲劳失效过程大致可分为4个时期：疲劳裂纹成核期、微观裂纹增长期、宏观裂纹扩展期与瞬时断裂（失稳扩展）期，这4个时期也可以综合为2个阶段，即裂纹形成阶段和裂纹扩展阶段。

裂纹形成阶段包括裂纹成核期和微观裂纹增长期，裂纹扩展阶段包括宏观裂纹扩展期和瞬时断裂期。

疲劳寿命可以相应分为裂纹成核寿命和裂纹扩展寿命2个部分。

对于低周疲劳，裂纹形成早，裂纹成核寿命短，裂纹扩展寿命接近疲劳寿命，所以在低周疲劳设计时，主要考虑裂纹扩展寿命。

但在高周疲劳中，裂纹成核寿命在疲劳寿命中占主导地位，所以在高周疲劳设计时，既要考虑裂纹成核寿命也要考虑裂纹扩展寿命[3-6]。

通常用裂纹成核法和裂纹扩展法预测橡胶疲劳寿命。

1.1裂纹成核法从材料承载开始，一直到裂纹形成并扩展至某一可检测尺寸的过程称为疲劳裂纹形成阶段。

裂纹成核法是根据疲劳过程应变或应力的变化来预测裂纹成核寿命。

收稿日期：2011－01－21作者简介：刘建勋，高级工程师，1995年毕业于湘潭大学机械制造专业，现任株洲时代新材料科技股份有限公司副总经理兼总工程师。

基金项目：国家“863”课题（2008AA030706）一种橡胶弹性元件疲劳寿命预测方法的研究*刘建勋，黄友剑，刘柏兵，卜继玲（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）摘要：文章结合一款锥形橡胶弹性元件的疲劳破坏问题，提出了一种基于ABAQUS+FE-SAFE 平台下的橡胶疲劳寿命预测方法，通过该疲劳仿真模拟技术，实现了对橡胶弹性元件产品疲劳寿命预测的目的，为类似弹性元件的疲劳评估提供了一种新的思路。

关键词：橡胶弹性元件；疲劳寿命；Abaqus+FE/safe 平台中图分类号：U266．2文献标识码：A文章编号：1672－1187（2011）03－0012－03Research on fatigue life prediction method of rubber componentsLIU Jian-xun ，HUANG You-jian ，LIU Bai-bin ，BU Ji-ling（Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.，Zhuzhou 412007，China ）Abstract ：Aiming at the fatigue damage problem of a conical rubber component ，a prediction method on fatigue life is provided on the base of ABAQUS+FE-SAFE Platform.The purpose of predicting the fatigue life of rubber component is realized by the fatigue simulation technology.The prediction method also provides a new concept for the fatigue evaluation of similar rubber components.Key words ：rubber component ；fatigue life ；ABAQUS+FE-SAFE Platform电力机车与城轨车辆Electric Locomotives ＆Mass Transit Vehicles 第34卷第3期2011年5月20日Vol.34No.3M ay 20th ，2011研究开发◆◆0引言橡胶材料能承受大应变而不会发生永久性的变形和断裂，这使得它广泛地应用在轮胎、减振器、密封件、软管、皮带、结构轴承等领域，而这些产品主要应用于准静态和疲劳应变的环境下[1-2]，所以橡胶产品的疲劳寿命是检验产品质量是否合格的主要指标。

基于有限元方法的机械结构疲劳分析与寿命预测疲劳分析与寿命预测在机械结构设计中具有重要的意义。

通过对材料的疲劳特性进行研究，并结合有限元方法建立数值模型，可以有效地预测机械结构在使用过程中的受力情况和寿命。

疲劳是机械结构在循环加载下出现的一种失效模式，通常会导致结构的裂纹扩展和损伤积累。

疲劳失效对于安全和可靠性至关重要，因此必须对结构进行疲劳分析，以了解其耐久性和使用寿命。

有限元方法是一种常用的数值分析方法，可以将机械结构抽象成离散的小单元，通过求解控制方程组，得到结构的应力、应变分布。

在疲劳分析中，有限元方法可以用来计算结构在循环加载下的应力应变历程，进而预测结构的疲劳寿命。

首先，需要确定材料的疲劳特性。

疲劳特性包括S-N曲线和疲劳极限等参数。

S-N曲线描述了应力与寿命之间的关系，是进行疲劳寿命预测的重要依据。

疲劳极限是指承受无限循环次数的最高应力。

这些参数可以通过实验获得或从已有的数据库中获取。

接下来，建立机械结构的有限元模型。

有限元模型需要包括结构的几何形状、材料性质以及外加载条件等信息。

通过对结构进行网格划分，可以将结构抽象成大量的小单元，从而将求解控制方程组的问题转化为求解离散方程组的问题。

然后，进行加载与边界条件的设定。

加载条件是指施加到结构上的载荷，可以是静态加载或动态加载。

边界条件是指限制结构运动的约束条件，可以是支座约束或预定位约束等。

这些条件需要根据实际情况进行合理设定。

在求解有限元方程组之后，可以得到结构各处的应力与应变分布。

通过与疲劳特性相结合，可以计算得到结构在循环加载下的疲劳寿命。

通常使用疲劳强度折减因子来考虑不同应力水平下的寿命衰减。

通过以上步骤，可以进行一次基于有限元方法的机械结构疲劳分析与寿命预测。

然而，实际工程中的机械结构往往受到多种不确定因素的影响，如材料的不均匀性、加载条件的随机性等。

因此，在疲劳分析中，还需要考虑不确定性的影响。

一种常用的方法是应用统计学方法进行可靠性分析。

疲劳寿命分析方法的研究与发展综述疲劳寿命分析方法的研究与发展始于20世纪50年代，随着科学技术的不断进步，相关研究也取得了重要的进展。

在早期的研究中，人们主要采用实验方法来测定材料的疲劳寿命。

这些方法基于试验数据的分析，通过建立数学模型预测材料的疲劳寿命。

然而，由于试验方法需要大量的时间和资源，且无法得到全面的破坏机制信息，这种方法逐渐被计算机模拟和数值分析方法所取代。

计算机模拟是一种基于数学模型的仿真方法，它能够模拟材料在循环加载下的行为，并对疲劳寿命进行预测。

计算机模拟方法通过建立适当的数学模型，将材料的本构关系和加载条件转化为数学方程，并通过数值求解方法来求解这些方程。

这种方法具有高效、准确的特点，可以大大提高疲劳寿命分析的效率与精度。

计算机模拟方法的发展也借助了有限元分析技术的进步。

有限元分析是一种重要的数值分析方法，它将材料或结构离散化为有限个单元，通过求解单元间的相互作用关系，得到材料或结构的应力和变形分布。

对于疲劳分析而言，有限元分析可以用来模拟材料或结构的疲劳破坏过程，进而推断材料或结构的疲劳寿命。

除了计算机模拟方法和有限元分析技术，疲劳寿命分析方法还涉及到很多其他的技术和手段。

例如，基于统计学的方法可以用来分析材料的疲劳寿命分布特征，以及与寿命相关的因素。

机器学习方法可以通过对大量试验数据的训练，建立材料疲劳寿命的预测模型。

此外，疲劳寿命分析方法还包括了很多特定的领域和应用。

例如，对于复合材料而言，人们开发了一系列的疲劳寿命分析方法，以考虑复合材料的复杂本构特性和疲劳破坏机制。

对于金属材料而言，人们研究了一系列疲劳寿命预测方法，基于材料的疲劳裂纹扩展行为进行建模。

此外，还有一些特殊材料和特殊应用领域的疲劳寿命分析方法，如高温材料的疲劳寿命分析、动态疲劳寿命分析等。

总的来说，疲劳寿命分析方法的研究与发展在过去几十年里取得了巨大的进展。

这些方法不仅提高了疲劳寿命分析的效率与精度，同时也促进了材料和结构领域的发展。

基于有限元分析的结构疲劳寿命方法随着科技的不断进步，结构材料的疲劳寿命成为工程设计中一个重要的考虑因素。

在工程实践中，通过基于有限元分析的方法，可以对结构的疲劳寿命进行有效的评估和分析。

本文将探讨基于有限元分析的结构疲劳寿命方法，并深入研究其原理和应用。

一、疲劳寿命评估的背景和意义在工程结构中，疲劳是材料在循环加载下逐渐累积损伤和破坏的过程。

疲劳破坏是一种常见的结构失效形式，因此对结构材料的疲劳寿命进行准确的评估具有重要的意义。

基于有限元分析的方法可以模拟结构在循环加载条件下的应力应变分布，进而对结构的疲劳寿命进行预测和优化。

二、基于有限元分析的疲劳寿命评估方法1. 建立结构有限元模型基于有限元分析的疲劳寿命评估方法首先需要建立结构的有限元模型。

通过CAD软件绘制结构的几何模型，并进行网格划分。

网格的划分需要细致而准确，以保证分析结果的可靠性。

2. 定义材料和加载条件在有限元模型中，需要定义结构的材料特性和加载条件。

材料的弹性、塑性行为以及疲劳寿命参数需要根据材料的实际情况进行设定。

加载条件包括静态加载和动态加载两种情况，需要根据实际使用环境和工况进行设定。

3. 进行疲劳寿命评估基于有限元分析的疲劳寿命评估主要通过循环载荷分析和损伤积累分析来实现。

循环载荷分析是指在预设的循环载荷下，对结构进行疲劳寿命的预测。

损伤积累分析则是根据疲劳断裂力学理论，对结构中的应力和损伤进行积累计算。

4. 优化设计和预测寿命基于有限元分析的方法可以对结构进行优化设计，通过改变结构的几何形状、材料和加载条件等参数，提高结构的疲劳寿命。

同时，疲劳寿命预测可以为结构的使用、检修和更换提供科学依据。

三、基于有限元分析的疲劳寿命评估方法的应用基于有限元分析的疲劳寿命评估方法在工程实践中得到了广泛的应用。

例如，在航空航天领域，疲劳寿命评估可以用于飞机结构的设计和维修。

在汽车工业中，该方法可以用于评估车辆的车身结构和悬挂系统的疲劳寿命。

ABAQUS在橡胶制品领域的研究与应用ABAQUS在橡胶制品领域的研究与应用橡胶制品作为一类常见的材料，广泛应用于汽车、航空航天、建筑等行业。

随着科学技术的不断进步，传统的试验研究逐渐无法满足对橡胶制品的性能需求。

ABAQUS作为一种有限元分析软件，可以对橡胶材料进行力学性能分析，为橡胶制品的研究与应用提供了一种新的方法。

ABAQUS在橡胶制品领域的研究与应用主要包括以下几个方面。

首先是弹性力学性能分析。

ABAQUS可以模拟橡胶材料在受力时的弹性行为。

通过建立适当的材料模型和边界条件，可以计算出橡胶制品在受力时的变形、应力和应变分布。

在汽车轮胎的设计中，通过ABAQUS可以预测轮胎在不同路面条件下的变形情况，为改善轮胎的抓地力和舒适性提供科学依据。

其次是断裂力学性能分析。

橡胶制品在使用过程中可能经受各种复杂的外力作用，容易出现断裂现象。

通过ABAQUS的有限元分析方法，可以预测橡胶制品在不同外力条件下的断裂位置和形态。

这可以为橡胶制品的设计和材料选择提供指导，提高产品的可靠性和使用寿命。

此外，ABAQUS还可用于研究橡胶材料的疲劳性能。

由于橡胶制品可能长时间受到往复循环载荷的影响，容易发生疲劳损伤。

通过ABAQUS可以模拟橡胶材料在疲劳载荷下的变形和应力分布，进而预测其疲劳寿命。

这对于橡胶制品的设计和使用寿命评估具有重要意义。

除了力学性能的分析外，ABAQUS还可以结合材料模型和温度、湿度等外界因素进行热学性能分析。

橡胶材料在不同温度和湿度环境下的物理性能会发生变化，这些因素对橡胶制品的使用性能也有很大影响。

通过ABAQUS的有限元分析，可以模拟橡胶材料在复杂热湿环境下的变形和性能变化。

这为橡胶制品的设计和使用提供了科学依据。

需要注意的是，ABAQUS在橡胶制品领域的研究与应用不仅仅局限于上述几个方面。

随着科学技术的发展，ABAQUS在材料建模、失效分析、性能优化等方面的应用也逐渐得到推广。

橡胶制品是一个复杂的体系，涉及材料科学、力学和热学等多个学科领域。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 聚氨酯橡胶摩擦轮有限元及疲劳寿命分析 作者：赵锐 韩业鹏 张群 王平 关振群 来源：《计算机辅助工程》2014年第01期

摘要：针对汽车滑板输送机聚氨酯橡胶摩擦轮的开裂问题，对摩擦轮与滑板之间的相互作用进行预压紧力和接触摩擦驱动有限元分析，获得摩擦轮的应力和变形分布等结果. 在获得摩擦轮周向应力分布的基础上，根据疲劳裂纹扩展公式对聚氨酯橡胶部分进行疲劳寿命分析，验证是否满足设计要求. 分析过程和结果能为聚氨酯橡胶摩擦轮的详细设计提供参考.

关键词：滑板输送机； 摩擦轮； 聚氨酯橡胶； 接触摩擦； 疲劳寿命； 有限元 中图分类号： TH123.3； TB115.1 文献标志码： B 0引言 聚氨酯橡胶由聚酯（或聚醚）与二异氰酸脂类化合物聚合而成，具有硬度、强度和弹性高以及耐磨、耐撕裂和耐老化等优点，被广应用于工业传输装备的摩擦驱动装置.[13]聚氨酯橡胶摩擦轮是汽车滑板输送机驱动装置的核心部件，由钢制轮心和聚氨酯橡胶外缘组成.在工作过程中，摩擦轮依靠弹簧压紧力压紧在滑板的两侧，摩擦轮由电机驱动旋转，并通过与滑板间的接触摩擦力驱动滑板前行.聚氨酯橡胶摩擦轮和滑板见图1.

摩擦轮的聚氨酯橡胶部分为高度非线性材料，在与滑板的相互作用过程中接触面积小，接触摩擦行为复杂，因此有必要对摩擦轮进行有限元分析.在摩擦轮旋转过程中，聚氨酯橡胶摩擦轮在圆周上各处与大滑板反复接触加载卸载，受到周期性循环载荷作用，在载荷或形变作用下，聚氨酯橡胶上原有的初始裂纹慢慢增长导致其物理力学性能下降，最终完全开裂破坏.

用Abaqus对摩擦轮与滑板之间的预压紧力和接触摩擦进行分析，获得摩擦轮在工作状态下的应力和变形分布等.在获得摩擦轮周向应力分布的基础上，根据疲劳裂纹扩展公式对聚氨酯橡胶部分进行疲劳寿命分析，检验疲劳寿命是否满足设计要求.分析过程和结果对聚氨酯橡胶摩擦轮的详细设计具有参考价值.

基于有限元法的结构疲劳分析及寿命预测疲劳是结构材料在长期受到重复载荷作用下产生破坏的一种现象。

疲劳问题在工程领域中具有重要意义，对于确保结构的可靠性和安全性至关重要。

而基于有限元法的结构疲劳分析及寿命预测是一种常用的方法。

一、有限元法的概述有限元法是一种在计算机上求解结构力学问题的数值方法。

它将复杂的结构离散为多个简单的单元，在每个单元内进行数值计算，并通过单元之间的边界条件传递信息。

在结构疲劳分析中，有限元法能够很好地模拟结构的实际工作状态和受力情况，从而评估结构在长期加载下的疲劳寿命。

二、结构疲劳的成因结构疲劳的成因可以归结为两个方面：载荷和材料。

首先，结构受到的载荷可以是静态的或动态的，也可以是周期性的或随机的。

不同类型的载荷都会对结构产生损伤，进而导致疲劳破坏。

其次，材料的特性也会对结构的疲劳性能产生重要影响。

材料的韧性、强度、硬化行为等都会影响结构的疲劳性能。

三、结构疲劳分析的步骤基于有限元法的结构疲劳分析主要包括以下几个步骤。

首先，确定结构的受力情况和载荷条件。

这些信息可以通过实验测试或工程经验来获取。

其次，建立结构的有限元模型。

在模型建立时，需要考虑结构的几何形状、材料性质以及边界条件等。

然后，进行疲劳分析计算。

通过有限元法求解结构的应力、应变分布，并结合材料的疲劳本构关系，计算结构在不同载荷作用下的疲劳寿命。

最后，评估结构的安全性。

根据计算得到的疲劳寿命，判断结构是否达到设计或使用要求，并进行寿命预测。

四、结构寿命预测方法结构寿命预测是基于有限元法的结构疲劳分析的关键环节。

目前，常用的结构寿命预测方法主要有两种：直接计数法和损伤累积法。

直接计数法是根据结构所受到的疲劳载荷和材料的疲劳寿命曲线，直接计算出结构的疲劳寿命。

而损伤累积法是将结构的疲劳破坏看作是材料的损伤积累。

通过计算结构的损伤积累程度，进而预测结构的寿命。

五、结构疲劳分析的应用基于有限元法的结构疲劳分析及寿命预测在工程领域中具有广泛的应用。