三星电子塑料联轴器疲劳分析方法

本文来源于三星电子在2015年“土木、环境与材料研究进展国际会议” （The 2015 World Congress on Advances in Civil, Environmental, and Materials Research）上公开发表的论文。文章标题为：“Derivation of Fatigue Properties of Plastics and Life Prediction for Plastic Parts” （推导塑料材料的疲劳属性并预测塑料零件的疲劳寿命）。
以下内容由本站 teesim.com 翻译整理。

首先通过几个简短的问答，来了解这篇论文的大致内容。
1、研究什么问题？
答：对电机输出轴上的塑料联轴器进行疲劳分析，预测使用寿命。
2、使用什么软件？
答：ABAQUS（有限元、应力分析）和FEMFAT（疲劳分析）。
3、主要步骤有哪些？

• 制备标准试件，测试材料的疲劳属性（S-N曲线）。
• 将打孔试件的疲劳试验寿命和仿真软件分析出来的寿命进行对比，标定仿真参数，确保仿真结果可靠。
• 采用前面的材料试验数据和标定的参数，分析电机联轴器产品的疲劳寿命。

疲劳分析简介

材料受到反复的加载和卸载时，将会发生疲劳失效。业界对金属件的疲劳分析已经做了大量的研究，但在塑料疲劳方面的研究还比较缺乏。为了保证塑料件的可靠性，也需要对塑料的疲劳属性进行一些系统的研究。

疲劳寿命的预测，主要有两种方式：“应力-寿命方法”stress-life和“应变-寿命方法”strain-life。应力-寿命方法，采用S-N曲线来预测零件在循环载荷下的高周疲劳寿命（high cycle fatigue，循环次数在万次以上）。材料的S-N曲线，可以通过对无缺口的标准试件在不同应力水平下进行的疲劳试验得到。但是，实际产品由于几何形状不同于标准试件，可能存在局部应力集中以及多轴应力状态。因此，疲劳寿命分析，需要考虑应力梯度的影响。

应力梯度的影响

下图所示的光滑试件（smooth）和带缺口试件（notched），虽然缺口试件的缺口边缘峰值应力大于光滑试件的应力，但两者具有相同的疲劳寿命。这是因为缺口处存在支撑效应（supporting effect）：在材料表面下方区域的支撑下，材料表面可以承受更高的应力。支撑效应，解释了为什么光滑试件的弯曲疲劳极限通常会大于其轴向拉伸疲劳极限。

FEMFAT软件可以根据网格模型和应力分布，计算应力梯度，并考虑缺口的影响。

塑料的疲劳属性

ABS塑料因具有良好的抗冲击韧性而广泛应用，材料物性见下表。

杨氏模量(MPa)	泊松比	拉伸强度(MPa)	断裂伸长率
2160	0.38	44	19%

ASTM D-638 Ⅰ型标准试件，在应力比0.1（stress ratio R=0.1）的交变载荷下，测试的S-N曲线如下。

为了检查ABS材料的支撑效应参数和相对应力梯度之间的关系，又做了三种带缺口试件的疲劳试验。在原先ASTM D-638 Ⅰ型标准试件的中心，分别挖掉直径2mm、4mm和6mm的圆孔。这三种带缺口试件的疲劳测试结果如下。

通过带缺口试件的S-N曲线，拟合支撑效应参数-相对应力梯度曲线，确定该材料在FEMFAT中进行疲劳分析时需要设置的影响因子的数值。

针对以上三种带缺口试件，用ABAQUS进行应力分析，用FEMFAT进行疲劳分析。检查材料疲劳属性和仿真参数设置的准确性。

塑料联轴器产品疲劳试验

如图所示的塑料联轴器，在3kgf.cm扭矩的载荷下，疲劳测试的寿命在2万次到3万次之间。测试了10个样本，平均寿命是24447次。疲劳初始裂纹位于D-cut扁方边缘接触区域。

塑料联轴器产品疲劳仿真

首先，进行静态强度分析，得到下图所示的应力结果。可以看出，扁方边缘接触区域应力比较大。

然后，进行疲劳分析，得到下图所示的疲劳寿命结果。可以看出，与轴的顶点接触区域，寿命小于1万次；与轴的边缘接触区域，寿命在2万次到3万次之间。疲劳仿真分析结果与测试结果基本相符。

英文原版pdf文档：Samsung Plastic Coupler Fatigue Analysis.pdf，已上传至teesim.com网站资源中心，可前往下载。