疲勞破壞涉及面之廣幾乎涵括汽車(chē)、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(gè)工業(yè)領(lǐng)域，這說(shuō)明了其問(wèn)題嚴重性。對疲勞研究尤其是金屬材料是和國民經(jīng)濟發(fā)展有密切聯(lián)系的學(xué)科。汽車(chē)作為人類(lèi)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(diǎn)

許多機械零件和工程構件，是承受交變載荷工作的。當材料或結構在在交變載荷的作用下，雖然應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(guò)長(cháng)時(shí)間的應力反復循環(huán)作用以后，也會(huì )發(fā)生突然脆性斷裂，這種現象叫做疲勞破壞。其具有受交變力、作用時(shí)間長(cháng)、斷裂瞬時(shí)發(fā)生且疲勞斷裂區都是脆性等特點(diǎn)。

1.2.疲勞破壞過(guò)程和類(lèi)別

疲勞破壞的過(guò)程為：在循環(huán)交變載荷作用下，在零部件局部zui高應力處的晶粒上形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀(guān)裂紋，裂紋繼續擴展，zui終導致疲勞斷裂經(jīng)歷了疲勞成核-微觀(guān)裂紋生長(cháng)-后斷裂三個(gè)階段。

金屬材料的疲勞現象，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(chē)材料疲勞

2.1.汽車(chē)材料疲勞破壞

汽車(chē)長(cháng)期運行中所承受的外部載荷是循環(huán)動(dòng)態(tài)交變載荷，在這種載荷作用下，汽車(chē)的許多零構件上都產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應力，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(chē)零部件主要的失效形式，具有斷裂前沒(méi)有可見(jiàn)裂紋、功能改變等預兆等特點(diǎn)，導致了人們生命財產(chǎn)巨大損失。但是其可以預防，如果在汽車(chē)設計、生產(chǎn)、使用、維護人員具備相關(guān)疲勞失效知識，可以減少1/3以上的損失。

2.2.汽車(chē)材料疲勞破壞原因

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

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

3.汽車(chē)疲勞壽命分析

出于經(jīng)濟性和可靠性的考慮，人們對汽車(chē)疲勞的研究主要集中在汽車(chē)件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設計階段，主要是對疲勞壽命的預測，已經(jīng)取得了很好的實(shí)際效果。

目前在汽車(chē)工業(yè)中，在疲勞壽命的預測，主要集中在對關(guān)鍵零構件，如車(chē)輪、輪轂、輪軸、轉向節和懸掛臂等預測上，因為此類(lèi)零構件的疲勞斷裂容易產(chǎn)生危險事故。

3.1.疲勞分析方法

在工程中應用的疲勞壽命估算基本方法有三類(lèi)：

3.1.1.名義應力法

名義應力法（S-N曲線(xiàn)法）也稱(chēng)應力壽命法，表達了名義應力或彈性應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(xiàn)，并考慮實(shí)際零構件與試樣在載荷作用下疲勞危險部位的應力集中系數、名義應力、表面處理及等性質(zhì)參數的差別，加以修正S-N 曲線(xiàn)，運用線(xiàn)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力高周疲勞壽命的預測，例如對某些復雜零部件和焊接構件的預測，能夠獲得合理的預測結果。

3.1.2.局部應變法

局部應變法（ε -N法），也稱(chēng)裂紋起始壽命法，它將局部應力-應變法估算出的疲勞裂紋萌生壽命和用斷裂力學(xué)估算的裂紋擴展壽命相加即為總壽命一種方法。實(shí)際應用中，要同時(shí)考慮塑性應變和注意載荷施加順序的影響，還應考慮試樣的平均應力、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(shí)際的預測結果。工程實(shí)踐證明，比較適用于高應力低周疲勞壽命。

3.1.3.裂紋擴展壽命法

由于在汽車(chē)設計制造或使用環(huán)境的原因，可能造成零構件已經(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(chē)結構安全及延長(cháng)使用壽命的一個(gè)重要環(huán)節。當前工程中預估疲勞裂紋擴展壽命理論的基礎源自于Paris在1959首先提出的一種用斷裂力學(xué)參數處理裂紋擴展的方法—LEFM 。隨著(zhù)研究的深入，獲得了大量工程材料的裂紋擴展速率曲線(xiàn)以及對各種含裂紋構件的應力強度因子解的建立，進(jìn)一步促進(jìn)這些理論在工程實(shí)際中的廣泛應用。

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

3.2.基于有限元分析的疲勞壽命預測

近年來(lái)，汽車(chē)市場(chǎng)的激烈競爭，進(jìn)一步促進(jìn)了疲勞壽命預估在汽車(chē)產(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)中應用。隨著(zhù)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(chē)零部件疲勞壽命估算已在國內外大汽車(chē)公司得到廣泛應用。與傳統的靜強度和常規疲勞設計方法相比，它不但避免了只能”檢驗”、無(wú)法“預測”被動(dòng)局面，而且能給零構件疲勞壽命分布圖，計算出在給定載荷作用下不同設計方案預測的疲勞壽命，進(jìn)而對比優(yōu)化，選出方案。這樣，汽車(chē)企業(yè)就減少試樣的數量，縮短開(kāi)發(fā)周期，節省開(kāi)發(fā)成本，提高產(chǎn)品市場(chǎng)競爭力，而且疲勞壽命預測更能反應車(chē)輛復雜的實(shí)際使用環(huán)境，得到顧客的認可。

有限元疲勞分析方法一般包括靜態(tài)（或準靜態(tài)）疲勞分析法、瞬態(tài)疲勞分析法和振動(dòng)疲勞分析法等，應根據實(shí)際情況合理選擇。有限元軟件有多種，其中MSC.Fatigue 是一個(gè)通用性很強疲勞壽命分析工具，可靈活地用來(lái)估算復雜零構件的疲勞壽命，已在汽車(chē)和航空工業(yè)中已經(jīng)得到廣泛的應用。

4.結論

為了提高汽車(chē)產(chǎn)品的設計水平、縮短生產(chǎn)周期以及提高市場(chǎng)競爭力，必須對汽車(chē)材料進(jìn)行抗疲勞壽命設計，工程實(shí)際應用，應根據載荷及結構特點(diǎn)，選擇合理的疲勞分析方法，通過(guò)功能強大的有限元軟件，進(jìn)行疲勞壽命預測，進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)品設計，提高汽車(chē)企業(yè)自主開(kāi)發(fā)能力。