疲勞破壞涉及面之廣幾乎涵括汽車、鐵路、航空航天、能源、軍事國防、海洋油氣工程及一般機器制造等各個工業(yè)領(lǐng)域，這說明了其問題嚴(yán)重性。對疲勞研究尤其是金屬材料是和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有密切聯(lián)系的學(xué)科。汽車作為人類出行密不可分的工具，對其疲勞分析研究尤為重要。

1.疲勞的基本理論

1.1.疲勞定義和特點

許多機械零件和工程構(gòu)件，是承受交變載荷工作的。當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)在在交變載荷的作用下，雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，但經(jīng)過長時間的應(yīng)力反復(fù)循環(huán)作用以后，也會發(fā)生突然脆性斷裂，這種現(xiàn)象叫做疲勞破壞。其具有受交變力、作用時間長、斷裂瞬時發(fā)生且疲勞斷裂區(qū)都是脆性等特點。

1.2.疲勞破壞過程和類別

疲勞破壞的過程為：在循環(huán)交變載荷作用下，在零部件局部zui高應(yīng)力處的晶粒上形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，zui終導(dǎo)致疲勞斷裂經(jīng)歷了疲勞成核-微觀裂紋生長-后斷裂三個階段。

金屬材料的疲勞現(xiàn)象，按條件不同可分為：高周疲勞、低周疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞和接觸疲勞等。

2.汽車材料疲勞

2.1.汽車材料疲勞破壞

汽車長期運行中所承受的外部載荷是循環(huán)動態(tài)交變載荷，在這種載荷作用下，汽車的許多零構(gòu)件上都產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力，引起疲勞損傷，其疲勞破壞形式多為疲勞斷裂。

疲勞斷裂是汽車零部件主要的失效形式，具有斷裂前沒有可見裂紋、功能改變等預(yù)兆等特點，導(dǎo)致了人們生命財產(chǎn)巨大損失。但是其可以預(yù)防，如果在汽車設(shè)計、生產(chǎn)、使用、維護(hù)人員具備相關(guān)疲勞失效知識，可以減少1/3以上的損失。

2.2.汽車材料疲勞破壞原因

汽車材料疲勞失效產(chǎn)生與汽車的設(shè)計、生產(chǎn)、使用、維護(hù)息息相關(guān)，比如：在設(shè)計中對疲勞破壞考慮與否；在材料加工過程中，加工工藝水平高低；車輛使用中的定期檢修情況或遭受意外沖擊等；惡劣復(fù)雜行駛環(huán)境等；都是造成其疲勞破壞的原因。

因此應(yīng)加強相關(guān)人員對汽車疲勞破壞原因的了解，加以預(yù)防的。

3.汽車疲勞壽命分析

出于經(jīng)濟(jì)性和可靠性的考慮，人們對汽車疲勞的研究主要集中在汽車件產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計階段，主要是對疲勞壽命的預(yù)測，已經(jīng)取得了很好的實際效果。

目前在汽車工業(yè)中，在疲勞壽命的預(yù)測，主要集中在對關(guān)鍵零構(gòu)件，如車輪、輪轂、輪軸、轉(zhuǎn)向節(jié)和懸掛臂等預(yù)測上，因為此類零構(gòu)件的疲勞斷裂容易產(chǎn)生危險事故。

3.1.疲勞分析方法

在工程中應(yīng)用的疲勞壽命估算基本方法有三類：

3.1.1.名義應(yīng)力法

名義應(yīng)力法（S-N曲線法）也稱應(yīng)力壽命法，表達(dá)了名義應(yīng)力或彈性應(yīng)力和總壽命之間的關(guān)系。其主要基于從試樣中測出S-N曲線，并考慮實際零構(gòu)件與試樣在載荷作用下疲勞危險部位的應(yīng)力集中系數(shù)、名義應(yīng)力、表面處理及等性質(zhì)參數(shù)的差別，加以修正S-N 曲線，運用線性疲勞累積損傷理論進(jìn)行壽命估算。該方法可有效用于低應(yīng)力高周疲勞壽命的預(yù)測，例如對某些復(fù)雜零部件和焊接構(gòu)件的預(yù)測，能夠獲得合理的預(yù)測結(jié)果。

3.1.2.局部應(yīng)變法

局部應(yīng)變法（ε -N法），也稱裂紋起始壽命法，它將局部應(yīng)力-應(yīng)變法估算出的疲勞裂紋萌生壽命和用斷裂力學(xué)估算的裂紋擴(kuò)展壽命相加即為總壽命一種方法。實際應(yīng)用中，要同時考慮塑性應(yīng)變和注意載荷施加順序的影響，還應(yīng)考慮試樣的平均應(yīng)力、表面處理工藝以及表面光潔度等的影響，這樣才能獲得更加符合實際的預(yù)測結(jié)果。工程實踐證明，比較適用于高應(yīng)力低周疲勞壽命。

3.1.3.裂紋擴(kuò)展壽命法

由于在汽車設(shè)計制造或使用環(huán)境的原因，可能造成零構(gòu)件已經(jīng)有裂紋或缺陷存在，對這些裂紋或缺陷的剩余疲勞壽命估算同樣是保障汽車結(jié)構(gòu)安全及延長使用壽命的一個重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前工程中預(yù)估疲勞裂紋擴(kuò)展壽命理論的基礎(chǔ)源自于Paris在1959首先提出的一種用斷裂力學(xué)參數(shù)處理裂紋擴(kuò)展的方法—LEFM 。隨著研究的深入，獲得了大量工程材料的裂紋擴(kuò)展速率曲線以及對各種含裂紋構(gòu)件的應(yīng)力強度因子解的建立，進(jìn)一步促進(jìn)這些理論在工程實際中的廣泛應(yīng)用。

目前用在汽車工業(yè)上的疲勞壽命的預(yù)測方法，基本上是前兩種方法，即為應(yīng)力法和局部應(yīng)變法。

3.2.基于有限元分析的疲勞壽命預(yù)測

近年來，汽車市場的激烈競爭，進(jìn)一步促進(jìn)了疲勞壽命預(yù)估在汽車產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)中應(yīng)用。隨著計算機虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，基于有限元軟件分析對汽車零部件疲勞壽命估算已在國內(nèi)外大汽車公司得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的靜強度和常規(guī)疲勞設(shè)計方法相比，它不但避免了只能”檢驗”、無法“預(yù)測”被動局面，而且能給零構(gòu)件疲勞壽命分布圖，計算出在給定載荷作用下不同設(shè)計方案預(yù)測的疲勞壽命，進(jìn)而對比優(yōu)化，選出方案。這樣，汽車企業(yè)就減少試樣的數(shù)量，縮短開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)成本，提高產(chǎn)品市場競爭力，而且疲勞壽命預(yù)測更能反應(yīng)車輛復(fù)雜的實際使用環(huán)境，得到顧客的認(rèn)可。

有限元疲勞分析方法一般包括靜態(tài)（或準(zhǔn)靜態(tài)）疲勞分析法、瞬態(tài)疲勞分析法和振動疲勞分析法等，應(yīng)根據(jù)實際情況合理選擇。有限元軟件有多種，其中MSC.Fatigue 是一個通用性很強疲勞壽命分析工具，可靈活地用來估算復(fù)雜零構(gòu)件的疲勞壽命，已在汽車和航空工業(yè)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

4.結(jié)論

為了提高汽車產(chǎn)品的設(shè)計水平、縮短生產(chǎn)周期以及提高市場競爭力，必須對汽車材料進(jìn)行抗疲勞壽命設(shè)計，工程實際應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)載荷及結(jié)構(gòu)特點，選擇合理的疲勞分析方法，通過功能強大的有限元軟件，進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測，進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，提高汽車企業(yè)自主開發(fā)能力。