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)擴展，zui終導致疲勞斷裂經(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、功能改變等預兆等特點，導致了人們生命財產(chǎn)巨大損失。但是其可以預防，如果在汽車設(shè)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，加以預防的。
3.汽車疲勞壽命分析
出于經(jīng)濟性和可靠性的考慮，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測，例如對某些復雜零部件和焊接構(gòu)件的預測，能夠獲得合理的預測結(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估算的裂紋擴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)。當前工程中預估疲勞裂紋擴展壽命理論的基礎(chǔ)源自于Paris在1959首先提出的一種用斷裂力學參數(shù)處理裂紋擴展的方法—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，進一步促進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測
近年來，汽車市場的激烈競爭，進一步促進了疲勞壽命預估在汽車產(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)計方案預測的疲勞壽命，進而對比優(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，而且疲勞壽命預測更能反應(yīng)車輛復雜的實際使用環(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，進行疲勞壽命預測，進而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，提高汽車企業(yè)自主開發(fā)能力。
