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文章來源：www. 本文來源于三星電子在2015年“土木、環(huán)境與材料研究進(jìn)展國際會議” （The 2015 World Congress on Advances in Civil, Environmental, and Materials Research）上公開發(fā)表的論文。文章標(biāo)題為：“Derivation of Fatigue Properties of Plastics and Life Prediction for Plastic Parts” （推導(dǎo)塑料材料的疲勞屬性并預(yù)測塑料零件的疲勞壽命）。 首先通過幾個簡短的問答，來了解這篇論文的大致內(nèi)容。
疲勞分析簡介材料受到反復(fù)的加載和卸載時，將會發(fā)生疲勞失效。業(yè)界對金屬件的疲勞分析已經(jīng)做了大量的研究，但在塑料疲勞方面的研究還比較缺乏。為了保證塑料件的可靠性，也需要對塑料的疲勞屬性進(jìn)行一些系統(tǒng)的研究。 疲勞壽命的預(yù)測，主要有兩種方式：“應(yīng)力-壽命方法”stress-life和“應(yīng)變-壽命方法”strain-life。應(yīng)力-壽命方法，采用S-N曲線來預(yù)測零件在循環(huán)載荷下的高周疲勞壽命（high cycle fatigue，循環(huán)次數(shù)在萬次以上）。材料的S-N曲線，可以通過對無缺口的標(biāo)準(zhǔn)試件在不同應(yīng)力水平下進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)得到。但是，實(shí)際產(chǎn)品由于幾何形狀不同于標(biāo)準(zhǔn)試件，可能存在局部應(yīng)力集中以及多軸應(yīng)力狀態(tài)。因此，疲勞壽命分析，需要考慮應(yīng)力梯度的影響。 應(yīng)力梯度的影響下圖所示的光滑試件（smooth）和帶缺口試件（notched），雖然缺口試件的缺口邊緣峰值應(yīng)力大于光滑試件的應(yīng)力，但兩者具有相同的疲勞壽命。這是因?yàn)槿笨谔幋嬖谥涡?yīng)（supporting effect）：在材料表面下方區(qū)域的支撐下，材料表面可以承受更高的應(yīng)力。支撐效應(yīng)，解釋了為什么光滑試件的彎曲疲勞極限通常會大于其軸向拉伸疲勞極限。
FEMFAT軟件可以根據(jù)網(wǎng)格模型和應(yīng)力分布，計算應(yīng)力梯度，并考慮缺口的影響。
塑料的疲勞屬性ABS塑料因具有良好的抗沖擊韌性而廣泛應(yīng)用，材料物性見下表。
ASTM D-638 Ⅰ型標(biāo)準(zhǔn)試件，在應(yīng)力比0.1（stress ratio R=0.1）的交變載荷下，測試的S-N曲線如下。
為了檢查ABS材料的支撐效應(yīng)參數(shù)和相對應(yīng)力梯度之間的關(guān)系，又做了三種帶缺口試件的疲勞試驗(yàn)。在原先ASTM D-638 Ⅰ型標(biāo)準(zhǔn)試件的中心，分別挖掉直徑2mm、4mm和6mm的圓孔。這三種帶缺口試件的疲勞測試結(jié)果如下。
通過帶缺口試件的S-N曲線，擬合支撐效應(yīng)參數(shù)-相對應(yīng)力梯度曲線，確定該材料在FEMFAT中進(jìn)行疲勞分析時需要設(shè)置的影響因子的數(shù)值。 針對以上三種帶缺口試件，用ABAQUS進(jìn)行應(yīng)力分析，用FEMFAT進(jìn)行疲勞分析。檢查材料疲勞屬性和仿真參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性。
塑料聯(lián)軸器產(chǎn)品疲勞試驗(yàn)如圖所示的塑料聯(lián)軸器，在3kgf.cm扭矩的載荷下，疲勞測試的壽命在2萬次到3萬次之間。測試了10個樣本，平均壽命是24447次。疲勞初始裂紋位于D-cut扁方邊緣接觸區(qū)域。
塑料聯(lián)軸器產(chǎn)品疲勞仿真首先，進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析，得到下圖所示的應(yīng)力結(jié)果?？梢钥闯?，扁方邊緣接觸區(qū)域應(yīng)力比較大。
然后，進(jìn)行疲勞分析，得到下圖所示的疲勞壽命結(jié)果?？梢钥闯觯c軸的頂點(diǎn)接觸區(qū)域，壽命小于1萬次；與軸的邊緣接觸區(qū)域，壽命在2萬次到3萬次之間。疲勞仿真分析結(jié)果與測試結(jié)果基本相符。
英文原版pdf文檔：Samsung Plastic Coupler Fatigue Analysis.pdf，已上傳至網(wǎng)站資源中心，可前往下載。 |
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