（光学工程专业论文）5000吨编组c70敞车载荷谱测试及车体疲劳强度评价.pdf

北京交通大学颈l 学位论文 中文摘蛰 中文摘要 按要：目前，我国铁路货车正朝提速、重载方向发展，繁忙于线已经普遍开行5 0 0 0 吨重载列车，大同、秦争岛运煤专线在已开行2 万吨重载列车的基础上即将开行3 万吨重载列车。提速、重载以来，c 8 0 b 等主要货车车体结构先后出现了疲劳裂损， 货车结构的疲劳问题成为了制约我国货车装备技术提升的关键因素之一。 我国货车车体结构设计规范中没有疲劳强度设计方面的内容，更新我国货车 结构的疲劳强度设计规范已成为一项非常紧迫的工作，对提升我国货车车体结构 的设计水平有重大意义。 本论文以c 7 0 型通用敞车车体为研究对象，在5 0 0 0 吨重载列车动应力测试的 基础上，对试验载荷应力时间历程数据进行了处理、雨流法计数，编制了车体测 点应力谱、心盘载荷谱、纵向载荷谱及侧滚载荷谱；运用a n s y s 有限元分析软件 建立了c 7 0 车体的有限元模型，进行了心盘载荷、纵向载荷、侧滚载荷和扭转载 荷四种载荷工况的应力计算，得到了测点的载荷与应力关系，并选取2 0 0 6 年9 月 2 7 日丰台西站一衡水的测试数据，对车体测点分别进行了应力谱的损伤计算和分力 谱的累积损伤计算，通过比较和分析验证了所测载荷谱的有效性：最后根据有限 元计算结果，采用a a r 标准的载荷谱进行了车体的疲劳损伤计算和疲劳寿命估算。 关键词：c 7 0 敞车；a a r 标准；载荷谱；疲劳损伤；疲劳寿命估算 分类号：u 2 7 0 1 1 1 1 北京交通人学颂i 学位论文 a b s ，r l t a c t a b s t r a c t a b s t r a c i ! a tp r e s e n t ，c h i n a sr a i l w a yt r u c k sa r ep r o g r e s s i n gi nh i g hs p e e da n dh e a v yl o a d d i r e c t i o n ，b u s yr o u t e sh a v eb e e nt r a v e l i n gt 5 ，0 0 0h e a v yh a u lt r a i n s ，d a t o n ga n d q i n h u a n g d a os p e c i a lr a i l w a yl i n e sf o rc a r r y i n gc o a l w i l lt r a v e lt 3 0 , 0 0 0h e a v yh a u l t r a i n so nt h eb a s i so ft r a v e l i n gt 2 0 ，0 0 0h e a v yh a u lt r a i n s s i n c ew ec a r r i e do u th i 曲 s p e e da n dh e a v yl o a d t h ec 8 0 ba n do t h e rm a i nv e h i c l ec a r b o d ys t r u c t u r e sa p p e a r e d f a t i g u ec r a c kd a m a g e ，s ot h ef a t i g u ep r o b l e m so fv e h i c l es t r u c t u r e sb e c o m eo i l eo ft h e k e yf a c t o r sf o ru p g r a d i n gv e h i c l ee q u i p m e n tt e c h n o l o g y t h e r ei sn oc o n t e n tc o n c e r n e do nt h ed e s i g no ff a t i g u es t r e n g t hi nt h es p e c i f i c a t i o n s o fv e h i c l ec a r b o d ys t r u c t u r ed e s i g ni no u rc o u n t r y , u p d a t et h ef a t i g u es t r e n g t hd e s i g n s p e c i f i c a t i o no ft h ev e h i c l ec a r b o d ys t r u c t u r eh a sb e c o m eav e r yu r g e n tj o b ，a n di tw i l l h a v eg r e a ts i g n i f i c a n c ef o ru p g r a d i n go u rc o u n t r y sd e s i 曲l e v e lo fv e h i c l ec a r b o d y s t r u c t u r e s t h i sp a p e rt a k et h ec 7 0 一g e n e r a lg o n d o l ac a rb o d ya st h es t u d yo b j e c t , p r o c e s s e dt h e l o a d s t r e s s - t i m eh i s t o r yd a t aa n dc a r r i e do u tt h er a i n f l o wc o u n t i n go nt h eb a s i so ft h e d y n a m i cs t r e s st e s to ft h et 5 ，0 0 0h e a v yh a u lt r a i n s ，t h e nc o m p i l e dt h es t r e s ss p e c t r u m o fm e a s u r i n gp o i n to fc a r b o d y , l o a ds p e c t r u mo fc e n t e rp l a t e ，l o n g i t u d i n a ll o a ds p e c t r u m a n dr o l ll o a ds p e c t r u m o nt h eb a s i so fa n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f l 2 w a r e af i n i t e e l e m e n tm o d e lo f c 7 0c a r b o d yw a ss e tu p t h e n , o nt h ec o n d i t i o no f c e n t e rp l a t e sl o a d ， l o n g i t u d i n a ll o a d ，r o l ll o a da n dt o r s i o nl o a d , t h ec a r b o d yw a sc a l c u l a t e da n dg o tt h e c o n n e c t i o nb e t w e e nt h el o a da n ds t r e s so f t h em e a s u r i n gp o i n t s n e x t ，c h o s et h et e s td a t a o f f e a g t a lw e s ts t a t i o nt oh e n g s h u ia ts e p 2 7 t l l ，2 0 0 6 ，r e s p e c t i v e l yc a l c u l a t e dd a m a g e u s i n gs t r e s ss p e c t r u ma n dc u m u l a t i v ed a m a g eu s i n ge v e r yl o a ds p e c t r u m t ot h e m e a s u r i n gp o i n t ，a n dv e r i f i e dt h ev a l i d i t yo ft h el o a ds p e c t r u mt h r o u g hc o m p a r ea n d a n a l y s i s a tl a s l c a r r i e do u tt h ef a t i g u ed a m a g ec a l c u l a t i o na n df a t i g u el i f ep r e d i c t i o no f t h ec a r b o d yu s i n gt h el o a ds p e c t r u mo f a a rs t a n d a r d s k e y w o r d s ：c 7 0g o n d o l ac a r ：a a rs t a n d a r d s ；l o a ds p e c t r u m ；f a t i g u ed a m a g e ； f a t i g u el i f ep r e d i c t i o n c l a s s n o ：u 2 7 0 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全都或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 关p 小艳 导师签名： 签字日期：砷年2 月j 7 日签字日期：2 口甲年脸月9 日 北京交通人学坎i 学位论义独创竹声哪 独创性声明 本人声明所节交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究_ r ：作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰弓过的研究成果，也 不包含为获得匕京交通人学或其他教育机构的学位或证哆而使_ j 过的材料。与我一同j ：作的 同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：拇小艳签字日期：知甲年，二月 ，乒日 致谢 本论文的工作是在我的导师谢基龙教授的悉心指导下完成的。导师广博的学 识、严谨的治学态度、启发式的指导方式以及科学的工作方法，都让学生受益匪 浅，铭记终生。在论文的选题、研究方法、研究内容以及研究深度上都给予学生 严格的要求和细心的帮助。导师在学术研究工作中给予的鼓励和帮助，使学生能 够以踏实和严谨的科研态度从事今后的研究工作；在学习和生活上也给予了我很 大的关心和帮助，这都让学生终生难忘。在此论文完成之际，谨向导师谢基龙教 授表示最诚挚的谢意和祝愿。 缪龙秀教授、孙守光教授、李强教授、刘志明教授以及王文静老师、金新灿 老师对本论文的完成给予了关注和指导，在此衷心感谢各位老师。同时，在实验 室工作及论文撰写期间，王丹丹、白立国、方军和其他实验室同学也给予了热心 帮助和大力支持，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 n 郑小艳 二o o 七年十二月 北京变通大学硬j j 学位论文 绪论 1 绪论 1 1 疲劳研究的回顾与发展现状 在工程实际中，外载荷很少是静态的。重复作用的载荷，它所造成的应力水 平，虽然远远低于强度极限和屈服极限，却会引起意料不到的和突然的破坏。某 个结构可能完好地工作了许多年，后来出现了裂纹，又经过一定数量的变载荷次 数后，就会导致瞬自j 的断裂【】。这种断裂通常没有宏观塑性变形的痕迹。这样的 破坏称为疲劳破坏。 回顾疲劳研究的历史，其发展的每一关键阶段几乎都与机械装备的断裂事故 及其分析有关【2 1 。第一个有详尽文字记载的金属疲劳的研究工作是在1 8 4 2 年法国凡 尔赛附近的铁路发生事故以后进行的。1 8 4 2 年5 月l o 日，法国国王在巴黎郊外的凡 尔赛宫举行盛大庆典，庆典后人们涌向车站乘火车回城，火车行驶途中因机车车 轴出现疲劳断裂，致使列车倾覆燃烧，造成数十人丧生。通过对这一事故的分析 和随后的研究，h o o d ( 虎特) 提出了疲劳的“晶化理论”，认为金属强度在重复应 力作用下的降低是振动引起的“结晶化”所致。 1 8 5 2 1 8 7 0 年期间，德国工程师w o h l e r ( 沃特) 针对当时火车轴在重复应力作 用下多次发生台肩处断裂的事故，对疲劳破坏进行了系统的研究。他发现，由钢 制作的车轴在循环载荷作用下，其强度大大低于它们的静载强度。他于1 8 7 1 年发 表的论文中，系统论述了疲劳寿命与循环应力的关系，提出了s n 曲线和疲劳极限 的概念，确定了应力幅是疲劳破坏的决定因素，奠定了金属疲劳的基础。 二十世纪五十年代初发生的世界上第一批喷气客机彗星号的连续失事，掀起 了疲劳研究的热潮，使疲劳研究在工程设计和微观机制两个方面都有了巨大的发 展。为找到事故的直接原因，英国皇家航空研究院( r a e ) 的工程师们把一架彗 星号飞机退役，模拟高空飞行中座舱内外的压差，往座舱里反复增压注水和卸压放 水，经过大约3 0 0 0 次这种操作，一条裂纹于方形窗柜角附近的铆钉处萌生，并向 前扩展穿透了机身的金属蒙皮。r a e 的对事故的分析证实首批三架彗星号飞机的 失事是座舱的疲劳破坏引起的，是结构设计中没有考虑疲劳的结果。 彗星号失事造成的损伤是沉重的，它对疲劳研究的推动和所带来的经济效应 也是巨大的。这次事故使设计师们把飞机的疲劳强度设计放到了一个重要的位置 上，这次事故引起人们对低周疲劳的重视。1 9 4 5 年，美国人m a m i n e r ( 迈因纳) 在对疲劳累积损伤问题进行大量试验研究的基础上，将a p a l m g r e n ( 帕尔姆格伦) 1 9 2 4 年提出的线性累积损伤理论公式化，形成 了p a l m g r e n m i n e r 线性累积损伤法 北京交姐人学颤i 学位论文 则，此法则至今仍在广泛应用。1 9 5 2 年，美国航空和航天管理局刘易斯研究所的 s s m a n s o n ( 曼森) 和l e c o f f i n ( 柯芬) 在大量试验的基础上提出了表达塑性应 交和疲劳寿命问关系的m a n s o n - c o f f i n 方程，奠定了低周疲劳的基础。另一方面， 关于疲劳现象的物理本质的更精细研究也从此开始。1 9 5 7 年i r w i n 提出线弹性断裂 力学理论和方法以后，人们曾多次尝试采用应力强度因子来描述疲劳裂纹的扩展。 1 9 6 3 年，美国人e c p a r i s ( 帕里思) 在断裂力学的基础上，提出了表达裂纹扩展规 律的著名关系式呻a r i s 公式，给疲劳研究提供了一个估算裂纹扩展寿命的新方 法，在此基础上发展了损伤容限设计，从而使断裂力学和疲劳这两门学科逐渐结 合起来。1 9 7 1 年，r m w e t z e l ( 威兹) 在m a n s o n c o f f i n 方程的基础上，提出了根 据应力应变分析估算疲劳寿命的一整套方法一局部应力应变分析法。 如今，在微观机理方面，对疲劳裂纹的萌生与扩展机制已经有了比较清楚的 了解。人们已经有了一些基本的理论手段和方法来较好地说明、评价和预测工程 材料、部件和结构的疲劳寿命以及控制疲劳寿命的众多影响因素。在疲劳试验方 面，己经广泛使用概率统计方法来进行试验设计及数据处理。在抗疲劳设计方面， 已经提出了四种疲劳设计方法，即：无限寿命设计、有限寿命设计( 包括名义应 力疲劳设计法和局部应力应变法) 、损伤容限设计、疲劳可靠性设计【3 4 。 1 2 选题背景 铁路作为囡民经济大动脉和大众化交通工具，在国民经济发展中占据着重要 地位。中国铁路实施跨越式发展战略以来，特别是在经历了第五次大面积提速后， 我国铁路货运能力有了较大提高。尽管这样，铁路运力不足对国民经济的”瓶颈” 制约状况在我们国家仍然明显。全国铁路京沪、京广、京哈、京九、陇海和浙赣 等六大主要干线，占全国铁路1 3 6 的营业里程，却承担了全国3 7 的货物周转量， 运能处于饱和状态。统计数字表明，铁路货运每天的请求装车数约在3 0 万辆车以 上，但铁路日均实际装车数目前只能维持在l o 万辆车左右。 铁路货车密度、载重、速度是提高铁路运输能力的三大要素。就我国目前的 实际而言，密度上，所有铁路干线运输密度已基本达到极限；速度上，货车的时 速约在8 0 公里；载重上，铁路货车单车载重量为7 0 吨级。在中国铁路跨越式发 展中，结合我国的国情和铁路实际，货车产品的提速和重载现代化，必然要并行 开发，注定要同步发展。 按照铁道部跨越式发展思路，铁路货运单列运载重量要达到5 0 0 0 吨，如果使 用原来的6 0 吨敞车，列车编组长度将超出站线8 5 0 米的标准长度，车站必须改造， 2 北京交通人学r 映卜学位论史 绪论 将站线长度增加到1 0 5 0 米，而延长车站的有效长度，投资大，周期长。因而，研 制7 0 吨级敞车是提高货运能力的一个经济、有效的现实途径。 轴重2 3 吨、载重7 0 吨级、时速1 2 0 公罩、单列运载重量5 0 0 0 吨，四个数字 标志着中国铁路货车装备的独特魅力：提速、重载。 7 0 吨级新型货车的诞生，意义深远。单车载重比c 6 4 敞车增加1 0 吨，载重量 提高了1 6 7 。按每天l o 万辆车计算，可增加运能1 0 0 万吨，年增加运能3 6 亿 吨。其次，在既有站线长度8 5 0 米条件下开行5 0 0 0 吨重载列车，适应我国既有铁 路条件和编组场作业条件，既可实现单列运载重量达到5 0 0 0 吨的要求，又为国家 节省了大量的线桥、站线建设改造资金。 货车的提速和重载化已经是铁路运输的既定发展方向。要实现这一根本转变， 无疑将对机车车辆的结构强度提出新的要求。铁路货车速度提高后，构件的疲劳 失效成为突出的问题。如转8 a 型转向架主要承载件侧架、摇枕发生了多起严重疲 劳裂纹的事件。另外货车中梁裂纹也校严重。究其原因，主要是由于速度提高后 构件的动载荷的急剧增加而引起的疲劳失效问题。而且c 7 0 敞车与c 6 4 敞车相比， 车体内长由1 2 4 9 m 增至1 3 m ，扩大了货物装载范围，然而车体要求轻量化，c 7 0 敞车的自重要小于等于2 3 8 吨，这样车体的结构强度有可能不足。其次，以往铁 路货运单列运载重量一般为3 0 0 0 吨，现在达到5 0 0 0 吨，这样车体承受的载荷尤 其是纵向载荷就更加恶劣。从我国货车装备技术近十余年来的发展情况看，货车 结构的疲劳可靠性问题是制约货车装备技术提升的关键因素。如果货车结构在显 著低于设计寿命时过早地发生疲劳裂损，将使货车的维修费用居高不下，并严重 危及行车安全。我国货车现行结构强度设计规范和试验标准尚不完善，特别是缺 少符合我国实际运用条件的疲劳强度设计规范和试验标准。因此更新我国货车结 构的强度设计规范和试验标准，已成为一项非常紧迫的工作。 1 3 分析方法概述及主要研究内容 大量工程结构和机械结构的疲劳失效通常属于高周疲劳，即结构受到的循环应 力远低于材料的屈服极限，结构在疲劳破坏前能承受1 0 5 次以上的循环载荷作用。 高周疲劳的寿命主要由裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命组成并主要受应力幅控制。 对于高周疲劳问题，通常采用名义应力法进行疲劳寿命的估算，而低周疲劳的问 题则更适合采用局部应力一应变法估算疲劳寿命。 对于已有的工程结构和定型产品，进行寿命计算时主要从以下三个问题展开研 究： ( 1 ) 结构上危险点应力的概率分布 北京交通人学顾l 学位论文 绪论 为了得到结构上危险点工作应力的概率分白，首先必须实测结构上危险点的应 力时日j 历程，然后进行应力循环计数。计数法大体可分为两类：单参数法和双参 数法。单参数计数法只记录应力( 载荷) 循环中的一个参量，如均值或幅位，不能 给出循环的全部信息，有较大的缺陷。双参数计数法可以同时记录载荷循环中的 两个参数，进行统计处理时，将均值向一个或几个等级上简化，作为静力成分， 而将应力幅值作为动力成分叠加于相应等级的均值上，即所谓的波动中心法。 由于实测应力的周期与结构的使用期相比要短得多，因此实测应力的特征难以 包括该结构整个使用期日j 的所有应力特征。因此。以实测应力的概率分布为基础， 推断结构在整个使用期间结构应力的最大值也是进行工程结构疲劳寿命预测的一 个重要研究内容。 ( 2 ) 材料及实际构件的疲劳性能 疲劳强度是建立在试验基础上的一门科学。要研究某一构件的疲劳强度，最好 是对该零件进行疲劳试验，这样才能j 下确地评价其真实的疲劳特性。但是，由于 直接进行构件的疲劳试验费用太高且不方便，所以，多用结构简单、造价低廉的 标准试样进行疲劳试验，为零件的设计及疲劳寿命估算、可靠性分析提供依据。 文献上给出的材料的疲劳性能数据，多是用标准试样得到的。 本文将采用美国a a r 机务标准m 一1 0 0 1 9 7 “货车设计制造规范”第7 章“货车 的疲劳设计”中的母材及焊接接头的s n 曲线数据，对c 7 0 车体结构进行疲劳寿 命的计算。 ( 3 ) 结构疲劳寿命的分析 在得到构件应力和材料疲劳性能数据后，工程上一般根据名义应力法或局部应 力一应变法求得各应力循环的疲劳损伤，最后用m i n e r 累积损伤法则求得疲劳寿命。 本文将采用名义应力法，分别计算在各种载荷工况下车体各部位的损伤，然后根 据m i n e r 累积损伤法则得到累积损伤，最后求出车体的疲劳寿命。 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 5 0 0 0 吨重载列车动应力测试 通过线路实测试验采集了c 7 0 车体在北京丰台西站- 衡水区段的车钩力、车体 测点应力、摇枕测点应力及旁承力的载荷应力- 时间历程数据。 ( 2 ) 编制载荷谱和应力谱 利用已编制的软件对实验数据进行预处理，雨流法计数等，编制二维载荷谱 和应力谱，并参照美国a a r 标准对载荷谱和应力谱进行进一步地处理。 ( 3 ) 车体有限元计算 利用a n s y s 软件建立车体的有限元模型，分别进行心盘载荷、纵向载荷、侧 滚载荷及扭转载荷四种载荷工况的计算，得到各种工况下的大应力值及其发生部 4 北京变通人学颈i ：学位论文 绪论 位。 ( 4 ) 载荷谱验证 通过测试结果选取几个大应力部位测点，先利用有限元应力计算结果与编制 的各载荷谱来计算这些测点的损伤，进而得到累积损伤，然后通过车体测点应力 谱计算测点的损伤，最后通过比较和分析验证所编制的载荷谱的有效性。 ( 5 ) 车体疲劳寿命估算 参照美国a a r 标准中疲劳寿命的计算方法，根据有限元计算结果，采用a a r 标准中9 0 7 吨漏斗车的重车载荷谱，对c 7 0 车体进行了疲劳损伤计算和疲劳寿命 估算。 5 北京交通人学帧l 学位论文疲劳裁付讲硬玻劳寿命许估方法 2 疲劳载荷谱及疲劳寿命评估方法 2 1 疲劳载荷谱 承受随机载荷的机械零件，在进行疲劳强度计算和寿命估算之前，必须先确 定其载荷。直接记录的工作中的载荷一时日j 历程，称为工作谱或使用谱。工作谱是 零件的真实载荷一时间历程，但由于载荷的不确定性，这种谱无法加以利用。以概 率统计的方法研究载荷的特性，对载荷的统计特性( 载荷水平与循环次数的关系) 用图形、表格、矩阵等形式来表示，统称为载荷谱f 3 】。 由于产生疲劳损伤的主要因素是“循环次数”和“应力幅值”，因此在编谱时 蓖先必须遵循某一等效原则，将随机的应力时间历程简化为一系列不同幅值的全 循环或半循环，这简化过程便是计数法。循环计数法是把连续的载荷时间历程 离散成一系列的峰值和谷值，把全部载荷分成一定的级数，然后统计峰值和谷值 发生的频次。 2 1 1 雨流计数法 对随机应力时间历程进行分析归类、找出其变化规律的方法称为计数法。疲 劳寿命估算的可靠性在很大程度上取决于应力谱，而应力谱的编制又与所采用的 计数方法息息相关，即使是同一应力时间历程，在采用不同的计数法时编制的应 力谱也会差别很大。随着疲劳问题的重要性被广泛注意和疲劳损伤机理、疲劳分 析方法的深入发展，十余种计数法相继出现并被应用。 从统计观点上看，计数法大体可分为两类：单参数法和双参数法。单参数计 数法只记录应力( 载荷) 循环中的一个参量。如均值或幅值，不能给出循环的全部信 息，有较大的缺陷。双参数计数法可以同时记录载荷循环中的两个参数。由于载 荷循环中只有两个独立参量，因此双参数计数法可以记录载荷循环的全部信息， 是比较好的计数法。其中双参数雨流计数法由于符合材料的应力应变迟滞回线而 应用最广泛，本文便采用此种计数法。 双参数雨流计数法是m a t s u i s k i 和e n d o 等人考虑了材料应力应变塑性行为而 提出的一种计数法，该法认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件，并且其塑性性 质表现为应力应变迟滞回线。一般情况下，虽然名义应力处于弹性范围，但从局 部、微观的角度看，塑性变形仍然存在。 6 北京交通人学坝i 学位论文疲劳裁掂瓣及疲劳寿命讦估方法 图2 一l ( a ) 为某一测点的应变时日j 历程，其对应的应力应变曲线如图2 1 ( b ) 所 示。由图可见，两个小循环2 3 2 、5 - 6 5 和一个大循环l - 4 7 分别构成了两个小的 和一个大的迟滞回线。如果疲劳损伤以此为标志，并且假设，截断一个小变程的 迟滞回线，不影响一个大变程所引起的损伤，因此可以逐次将构成较小迟滞回线 的较小循环从整个应变一时| 目j 历程中提取出来，重新加以组合。这样，图2 一l ( a ) 应变 时间历程将简化为图2 2 所示的等效应变时日j 历程，而且认为两者对材料引起的 疲劳损伤是等效的【5 j 。 ( a ) 应变一时间历程 ( a ) s t r a i n - t i m eh i s t o r y 7 ( b ) 应力一应变迟滞回线 ( b ) s t r e s s s t r a i nh y s t e r e s i sl o o p 图2 1 雨流计数法的力学依据 f i g 2 - 1m e c h a n i c sb a s i so f r a i n f l o wc o u n t i n gm e t h o d 应变4 6 22 ，念 f 沥烈 谬5 5 。一 时 3 l7 图2 - 2 简化的等效应变一时间历程 f i g 2 - 2s i m p l i n e ae q u i v a l e n ts w a i n - t i m eh i s t o r y 雨流计数法就是基于上述原理进行循环计数的。雨流计数法的规则是： ( 1 ) 雨流依次从每一峰谷值的内侧开始，顺着斜坡往下流，在下一个峰值处落下， 直到对面有一个臂开始峰值更大的峰值时为止； ( 2 ) 当雨流遇到来自上层斜面落下的雨流时就截止： ( 3 ) 按上述规定取出所有的全循环，并记下各自幅度，直到剩下的载荷时间历程 7 北京交通人掌颂 - 学位论文 彼劳戴俑i 特及疲劳寿命评估方j 杰 为发散收敛型： ( 4 ) 将剩下的发散收敛型历程从最大峰值或最小谷值处截断，改为等效的收敛发 散型，再进行第二阶段的计数，总数应等于两阶段计数之和。 如图2 3 所示，取时问为纵坐标，垂直向下，载荷- 时间历程形如一宝塔屋顶。 设想雨滴以蜂、谷为起点，向下流动。用上述规则进行计数，可得到2 3 2 、5 6 5 、 8 - 9 8 三个全循环和1 2 2 - 4 、4 - 5 5 一7 、7 - 8 8 1 0 = 个半循环。 l 嗲，j 芸 笋- ： - i9 曛 ；： ：l ： j o f ，r 图2 3 雨流法计数简图 f i g 2 3g r a p ho f r a i n f l o wc o u n t i n gm e t h o d 2 1 2a a r 货车载荷谱6 】 a a r 载荷谱简单地说就是精心制做的频数分布图，用类似的坐标将其引入改 进g o o d m a n 图的形式，即是最大载荷对最小载荷的图形。如表2 一l 所示为a a r 标准中9 0 7 吨漏斗车重车车钩载荷的线路环境事件百分率谱。对每一最大一最小载 荷组合，引入环境载荷中出现这种组合的循环数，表示为统计的百分数。这些百 分率的统计分布由实际运行试验记录得出。 为了提供压缩的格式，载荷谱被折叠。这些载荷谱的折叠是把统计计数从谱 的右下对角部分移到左上对角部分相应位置。采取这一步骤是由于考虑到由负值 开始到证值的循环与由j 下值开始到负值的循环( 相等的最大一最小值) 造成的损坏 无差别。虽然这对于非常高的应力值可能不真实，但这种假设可作长寿命预计分 析。 g 疲劳栽曲辩及破劳寿命评估方法 表2 一l9 0 7 吨漏斗乍重币下钩载荷谱 t a b 2 一il o a ds p e c t r u m o f h e a v y h a u lo a f c o u p l i n g o f 9 0 7 t h o p p e r c a t 牡 蛞 一一- = # 0 = t t ；2 ；t ；t i 臻掰i 勰l ；：嚣；嚣i 熬臻；i i 芩萎 l i l l l t l t l t i l s l f f t t ! i l t l l l l , l l l l t i ，蚕蚤爨 _ =二 i 0 i 一 一”“2 ” 霸萼露蓬 ； 蒌籀m m 一一鞲嘉祭”器摹萋| 器 j i ； ： i ： i |；l j | ： ： i 整 l l 蚓 j * ll | o 幕 二 礁， i l i 墨妻专。曷 j： ， l l t l 盎基蒙器量誊 l ： ； l l 室罨羞曼翼蓦 ：二?； 纛稻越运冀痞 il ? r b 删刊恃内 ： 二 l ll 萄翻磕碟露粗 懈憾螂盈魈盛 l l i； =： i l | i：j 静 隶 li 衄 l j i e* 靛 l；iil 犁 g li ； ； lil -： i llll 霍： j ll 癣 lll i il； ；l cf i 饼 ；i ll ili ， ； i lii ll ；i ；o ；i 二= i l i i ： ii： 二 ；o ； i i l l； i l z i ll t 日 i ij i i ：j 二 i 0 l l l ? tililli；ii；ii ll i l l ii l il l i l： ： a ilai l| l lli i l ； ll ll ； llib g i自i i ； l lll，!el ，口 。# ，2 ，# ! ，l # ll 最大载荷，千磅 9 窿巾棹辐鼍圈刚溢 l l i l ： ， ， ， 口 口 2 # l ， l l l ： l i t t t t ； ； t ； j t ： # i l l ： e ： ， _ - 嘲件* 幽 蛞幕匿曼= i 鬣 北京交通人学顾i 学位论文 疲劳载舫讲发破若寿命评估方法 2 2 疲劳寿命评估方法 疲劳寿命指构件的疲劳裂纹萌生寿命与裂纹扩展寿命之和。裂纹萌生寿命为 构件在使用中由于局部区域疲劳损伤累积而萌生裂纹时的寿命；裂纹扩展寿命为 构件在裂纹萌生后继续使用而导致裂纹扩展达到疲劳失效或规定的报废限度时的 寿命。疲劳评估方法主要有名义应力法、局部应力应变法和断裂力学方法。由于 大量的构件失效属于高周疲劳，本文采用名义应力法，估算的疲劳寿命包括构件 裂纹萌生和裂纹扩展的寿命。 累积损伤计算 疲劳寿命 图2 - 4 疲劳寿命估算的步骤图 f i g 2 - 4p f o c sc h a r to f f a t i g u el i f ep r e d i c t i o n 疲劳寿命估算的步骤如图2 4 所示，本文采用a n s y s 软件建立车体的有限元模 型，首先分别进行车体在心盘载荷、纵向拉伸载荷和纵向压缩载荷、扭转载荷、 侧滚载荷工况下的有限元应力分析，其次按线性关系由重车心盘载荷谱、纵向车 钩载荷谱、扭转载荷谱和旁承载荷谱分别换算出车体各处在这些载荷谱作用下的 应力谱，然后选用与车体结构细节相当的疲劳性能数据，最后采用疲劳损伤理论 估算车体疲劳寿命。 2 2 1s - n 曲线【刀 疲劳失效以前所经历的应力或应变循环数称为疲劳寿命，一般甩n 表示。试样 l o 北京交通人学颤i 学位论文疲劳载摘讲殷城劳姑命计估方法 的疲劳寿命取决于材料的力学性能和施加的应力水平。一般来说，材料的强度极 限越高，外加的应力水平越低，试样的疲劳寿命就越长：反之，疲劳寿命就越短。 表示这种外加应力水平和标准试样疲劳寿命之j 日j 关系的曲线，称为材料的s n 曲 线。 s n 曲线的最常用形式是幂函数式，其表达式是： n = c ( 2 1 ) 式中m 和c 均为材料常数。将上式两边取对数得： 用igs+lgn=d(2-2) 由上式可见，s n 曲线的左段在双对数坐标上为直线，1 m 为s - n 曲线的负斜率。 在s - n 曲线中考虑疲劳极限s ，写成： ( s 一) ”n = d ( 2 3 ) 式中，1 ，m _ s n 曲线的负斜率： o ，材料的疲劳极限； p 材料常数。 2 2 2m i n o f 线性累积损伤理论 损伤是对构件危险部位微裂纹生长的度量。当材料承受高于疲劳极限的应力 时，每一循环都使材料产生一定量的损伤，这种损伤是能累积的，当损伤累积到 临界值时，零件就会发生破坏。疲劳破坏便是一个累积损伤的过程，累积损伤理 论就是经过疲劳寿命试验对疲劳破坏过程的仔细观测、分析和研究的而提出的累 积损伤规律，它揭示每一次载荷造成的损伤之问的相互关系和疲劳损伤是按照什 么样的规律进行累积的。目前累积损伤理论理论有多种，应用最广泛的是线性累 积损伤理论，特别是迈因纳理论。 假设损伤是线性累积的，则在给定的应力水平下，每一循环产生等量的损伤。 在这个假设的基础上，1 9 4 5 年迈因纳根据材料吸收净功的原理，提出了疲劳线性 累积损伤的数学表达式i 瑚1 ： 珥， 己言_1(2-4) i = 1 v f 迈因纳指出：在疲劳试验中，试件在给定的应力水平反复作用下，损伤可以 认为与应力循环次数成线性累积的关系，当损伤累积到某一临界值时，就产生破 北京交通人学硕 学位论文 玻劳载衍爵及疲劳寿命计估方法 坏，这就是迈因纳准则。 线性累积损伤定律的限确运用，取决于几个局限性很强的假设： ( 1 ) 在每个载荷块内，载荷必须是对称循环，即平均应力为零； 2 ) 在任一给定的应力水平下，累积损伤的速度于以前的载荷历程无关，亦即对 于每一应力水平，不论在寿命的前期或后期，每次循环的损伤应该是相同的； ( 3 ) 无论是由高到低或由低到高，加载顺序的变化不应该影响寿命。 当这些假设得到很好的满足时，线性累积损伤的计算可以得到满意的结果。 但很多累积损伤试验的结果往往不符合按线性累积损伤定律估算的结果。虽然如 此，由于线性累积损伤定律简单，故仍在工程上得到了广泛的应用。 2 2 3a a r 疲劳寿命计算方法【6 】 根据线性累积损伤假设，每次当部件承受的应力大于零件在所加应力比时疲 劳极限的量级，则引起己知量的损伤。因此，“损伤增值”之和等于1 ，便认为出 现疲劳损坏。如果7 表示某种损伤应力级时的循环数，n 表示在该应力级时将导 致损坏的循环数，则在下式情况时出现损坏。 v 笪：1 _ n i ( 2 5 ) 如果n t 表示部件在载荷谱下出现损坏的总循环数，则用o f 能简便地表示每一 应力级占总循环的分数。因此，川= t x n t ，式( 2 5 ) 可表示为： r熹=l(2-6) 载荷谱下疲劳寿命的关系现在可以表示为： 坼= i - ( 2 7 ) 。 pq n c 式中，n t 是谱循环总数，并不正好是出现损伤应力级时的循环数。实际计算时， 只是出现损伤的应力级高于疲劳极限的循环才包括在式( 2 - 7 ) 的总和中。低于疲劳 极限的循环不包括在内，因为假定这些循环不会造成损伤。 试验数据表明，经典s - n 曲线在复对数坐标纸上是在十万次循环和相当于所 研究的材料的疲劳极限的循环数( 对于钢材为2 ，0 e 6 次循环) 之问的一条直线。如 果知道此曲线的斜率，就可以预测承受超过疲劳极限的应力s i 的部件寿命n i ( 疲 1 2 北京交通人学颂i 学位论文玻劳栽撕讲及镀劳寿命评估方法 劳损坏的循环数) 。曲线的斜率记为k ，理想的s - n 曲线如图2 5 所示： 由s - n 曲线可得如下方程： 堕缫；k ( 2 8 ) l o g n t l o g n i 、。 刖。喏= l o g 也s - ( 2 - 9 ) 等：f 孚i ( 2 1 0 ) mi 疋j ” 耻裔 1 ) 即奇 2 ) l o gs m x s i s e n i 图2 - 5 理想的s - n 曲线图 f i 9 2 5p e r f e c ts - ng r a p h 北京变通人学顿i 学位论文 救萤投向醋驶矬劳寿命许估方泣 因疲劳极限s 。随不同的r 值变化，s 。方程可由改进的g o o d m a n 图得出。如图 2 - 6 所示，横坐标为最小应力值，纵坐标为最大应力值( 即疲劳极限) ，横坐标原 点( 即最小应力为零) 处的纵坐标b 是r = 0 时的疲劳极限，m 是g o o d m a n 曲线的 斜率。自原点向左、右4 5 0 方向的射线分别表示r l 和r = i 时的疲劳极限。材料 或零部件在任一应力比时的疲劳极限，在r 1 和r = i 之间的对应射线上【9 】。可得 如下方程： s 。= m s 晌+ b ( 2 - 1 3 ) s m ：型( 2 - 1 4 ) m 按照定义，嗡i ，s 。，但是在疲劳极限时，s 。= s c ，因此； r ：s , - b m 疋 或= f b 磊 卜 夕 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 屈服强度 s m a x 图2 - 6 理想的改进g o o d m a n 酗 f i g 2 - 6p e r f e c tp r o g r e s s e dg o o d m a ng r a p h 综上所述，由式( 2 7 ) 、( 2 一1 2 ) 及( 2 1 6 ) 可以预测适用疲劳特性的各部件达到损 坏的循环数。 最后，计算部件的寿命： 寿命-鲁(2-17) 式中，- h 是达到损坏的总循环数，b 是每英里谱总循环数。 a a r 中列出了作用于车体结构的各分力谱。两个或两个以上的分力谱可按顺 1 4 北京交迁人学缺i 学位论文 疲劳鹱衍满搜城劳寿命评f i l i 方法 序或者同时起着作用，造成临界部位疲劳损坏。在一些情况下，这种组合谱情况 的精确处理是不可能做到的，因为通常不能肯定分力时问相位关系和局部应力方 向影响等。因此只能按照顺序作用的情况处理，即： 1 疲劳寿命= t 三f 一 ( 2 1 8 ) 寿命1 。寿命2 。 式中，寿命l 、寿命2 等为不同分力谱作用下的寿命。 2 2 4 本文疲劳寿命计算方法 以上是a a r 标准计算疲劳损伤及寿命的方法，由于所使用的a a r 载荷谱的 形式是各组最大载荷、最小载荷以及这种组合的循环百分数，本文根据实际情况， 结合有限元计算结果，具体说明车体结构的疲劳寿命计算方法如下： 由于参照的a a r 标准9 0 7 t 漏斗车的车体载