疲劳分析流程fatigue样本

摘要：疲劳破坏是构造重要失效形式，疲劳失效研究在构造安全分析中扮演着举足轻重角色。

因而构造疲劳强度和疲劳寿命是其强度和可靠性研究重要内容之一。

机车车辆构造疲劳设计必要服从一定疲劳机理,并在系统构造可靠性安全设计中考虑复合疲劳设计技术应用。

国内机车车辆重要构造部件疲劳寿命评估和分析采用复合疲劳设计技术，国外从疲劳寿命理论计算和疲劳实验两个方面在疲劳研究和应用领域有诸多新发展理论办法和技术手段。

无论国内国外，一批人几十年如一日致力于疲劳研究，对疲劳问题研究贡献颇多。

核心词：疲劳 UIC原则疲劳载荷 IIW原则 S-N曲线机车车辆
一、国内外轨道车辆疲劳研究现状
6月30日15时，备受关注京沪高铁正式开通运营。

作为新中华人民共和国成立以来一次建设里程最长、投资最大、原则最高高速铁路，京沪高铁贯通“三市四省”，串起京沪“经济走廊”。

京沪高铁开通，不但乘客可以享有到便捷与实惠，沿线都市也需面对高铁带来机遇和挑战。

在享有这些待遇同步，专家指出，各省市要想从中分得一杯羹，配套设施建设以及机车车辆安全性绝对不容忽视。

依照机车车辆当代设计办法，对构造在规定做到尽量轻量化同步，也规定具备高度可靠性和足够安全性。

这两者之间经常浮现矛盾，因而，如何精确研究其核心构造部件在运营中使用寿命以及如何进行构造抗疲劳设计是构造强度寿命预测领域研究中前沿课题。

在随机动载作用下构造疲劳设计更是成为当前机车车辆构造疲劳设计研究重点，而如何预测核心构造和部件疲劳寿命又是将来机车车辆构造疲劳设计重要发展方向之一。

机车车辆承受外部载荷大某些是随时间而变化循环随机载荷。

在这种随机动载荷作用下，机车车辆许多构件都产生动态应力，引起疲劳损伤，而损伤累积后构造破坏形式经常是疲劳裂纹萌生和最后构造断裂破坏。

随着国内铁路运营速度不断提高，某些核心构造部件，如转向架构架、牵引拉杆等都浮现了某些断裂事故。

因而，机车车辆构造疲劳设计已经逐渐成为机车车辆新产品开发前期必要过程之一，而通过有效计算办法预测构造疲劳寿命是构造设计重要目的。

1.1国外
早在十九世纪后期德国工程师Wohler系统阐述了疲劳寿命和循环应力关系并提出了S-N曲
线和疲劳极限概念以来，国内外疲劳领域研究已经产生了大量新研究办法和研究成果。

构造疲劳设计中重要有两方面问题：一是用一定材料制成构件疲劳寿命曲线；二是构造件工作应力谱，也就是载荷谱。

载荷谱涉及外部载荷及动态特性对构造影响。

依照疲劳寿命曲线和工作应力谱关系，有3种设计概念：静态设计(仅考虑静强度)；工作应力须低于疲劳寿命曲线疲劳耐久限设计；依照工作强度设计，即运用实际使用条件下载荷谱。

实际载荷由于受到车辆等诸多因素影响而有相称大离散性，它严重地影响了载荷谱最大应力幅值、分布函数及所有循环数。

为了对疲劳寿命进行精确评价，必要懂得设计谱存在概率，并且考虑实际载荷离散性，才可以拟定构造可靠疲劳寿命。

20世纪60年代，世界上第一条高速铁路建成，自那时起，某些国外高速铁路发达国家已经进一步研究机车车辆构造轻量化带来核心构造部件疲劳强度和疲劳寿命预测问题。

其中，涉及日本对车轴和焊接构架疲劳问题研究；法国和德国采用实验台仿真和实际线路相结合技术开发出实验用机车车辆疲劳分析办法；英国和美国对转向架合计损伤疲劳方面研究等等。

在这些研究中提出了大量有效疲劳寿命预测研究办法。

1.2、国内
1.2.1国内疲劳研究现状与办法
国内铁路有关科研院所对构造疲劳寿命也展开了大量研究和分析，并且得到了诸多研究寿命预测办法有效成果。

疲劳寿命估算重要分为裂纹形成阶段寿命估算和裂纹扩展阶段寿命估算两某些。

惯用疲劳寿命计算办法涉及名义应力寿命法、局部应变寿命法和裂纹扩展计算法。

Ⅰ. S—N办法
名义应力法,又称S—N办法,强调了长疲劳寿命和耐久性限制,或者是假定疲劳失效不会发生时安全应力。

它以材料或零部件疲劳寿命曲线为基本,运用名义应力或局部应力和寿命之间关系,重要应用在线性弹性应力分析中。

S—N曲线也称作应力循环曲线,是阐明构造疲劳过程重要办法。

这个办法经常被用在变化环境里,涉及那些几乎没有塑性长寿命疲劳问题,以及部件裂纹萌生或裂纹生长等问题。

同步,该法重要应用在循环载荷是弹性环境里,也就是意味着构造限制在寿命轴疲劳循环数量必要
不不大于10000次,这也是为了保证构造没有大塑性发生。

事实上在不大于10000次循环环境,要使用S—N方程必要更加小心。

普通要使用最后强度或者是真实断裂应力进行分析。

应力法以循环应力作为导致疲劳因素,寿命预测重要是应力—循环曲线(S—N曲线)。

它是由常幅加载实验获得,尽管大某些状况中实际工程构造承受多是变幅载荷,但在疲劳寿命估算,依然有一定应用价值。

如果是变幅载荷,需要做出S—N曲线进行修正。

变化应力时间历程普通要进行计数,用累积频次分布形式进行寿命预测计算。

经常使用如下公式表达整条S—N曲线: (σ-A)m N= D 或σ= A(1+C/Nα)
式中:1/m为S—N曲线负斜率;A为材料疲劳极限;D为材料常数;α为S—N曲线负斜率;C为材料常数。

Ⅱ. E—N办法
局部应变法(也称E—N法)以局部应变为基准，局部应变或应变寿命法,普通参照裂纹萌生办法,其关注仅仅是裂纹萌生;构造疲劳寿命，普通是所有寿命(S—N或者名义应变),以及裂纹产生或损伤误差分析之和,关注是直到构造断裂产生循环数。

E—N分析法使用循环应力—应变建模和Neuber弹塑性修正。

可以选取分析参数范畴,涉及平均应力修正模型、置信度参数、制造细节(表面粗糙度)以及材料热解决。

Ⅲ. 裂纹扩展办法
Paris最早提出裂纹前沿应力强度因子范畴ΔK和裂纹扩展速率da/dN之间经验关系是计算疲劳裂纹扩展寿命基本[8]。

基于断裂力学裂纹扩展寿命预测法重要用于较长裂纹损伤容限设计,近来这种办法有被拓展到构造耐久性分析领域趋势。

运用不同技术这几种办法有不同精度。

事实上预测总寿命、裂纹萌生和裂纹扩展3种办法很少在相似问题上同步使用。

这是由于不同设计理念决定了不同分析办法。

运用这3种基本办法可以分析构造点焊、缝焊等各种焊接方式,以及旋转构造、振动疲劳、复合多轴等疲劳寿命预测问题。

1.2.2国内近期疲劳研究领域发展与突破
近年来，随着疲劳理论研究进步和计算机软硬件技术迅猛发展，在发达国家铁路行业，产品
强度设计由本来重要根据静强度指标和无限寿命设计发展到定量寿命设计，大大提高了产品使用可靠性，并且减少了产品生产成本。

当代抗疲劳设计中使用了“一体化耐久管理”(IDM——Integrated Durablity Management)办法，该办法涉及虚拟分析和疲劳实验两个方面，下面将从这两个方面分别论述疲劳研究和应用新发展。

1、理论分析办法发展——虚拟计算
所谓“虚拟”计算就是在产品设计阶段，使用软件建立产品关于承载构件有限元模型，使用软件在虚拟“新产品构件”上施加载荷进行寿命计算并可重复调节设计方案，这种计算所需时间短，费用低，减少了产品开发周期和成本。

由于疲劳理论发展结共计算机技术进步．虚拟计算作为一种分析手段，也有诸多新并且以便实用办法。

重要涉及3个方面，它们分别是用S—N 办法估算全寿命、用局部应力—应变估算裂纹起始寿命、用Paris公式估算裂纹扩展寿命。

①使用PSD功率谱密度信号计算构件全寿命
老式上人们都是使用时域信号进行寿命或损伤计算，时域信号普通是应力、应变或载荷。

在时域中可以很以便地表达周期性信号，若用来完全地描述一种随机过程，需要非常长信号记录，特别是对于有上个节点有限元模型施加几十个通道载荷状况下，使用时域信号计算模型寿命将非常困难，在这种状况下，疲劳寿命计算可以在频域里完毕。

其重要过程是：一方面对有限元模型进行频响分析，求得载荷与构造上应力传递函数；然后，将传递函数乘以载荷功率谱密度函数得到应力功率谱密度函数}最后使用关于办法由应力功率谱推算构造寿命。

[9]
用应力PSD信号计算构件寿命办法有2种：其一是直接使用PSD信号；其二是先依照PSD 信号计算出应力范畴循环数，再用它估算寿命。

当前，第2种做法使用较为流行。

②预测多轴应力状态下构件起始寿命
多数状况下，工程构件所受载荷是多载荷复杂组合。

这就使得构件上某些点所受3个主应力处在非比例状态．主应力方向往往也随时变化，在这种应力条件下疲劳就称为多轴疲劳。

多轴疲劳研究近来也有了新进展，发展了一种新办法。

该办法不但可以估算多轴应力状况下寿命，还可以以损伤极坐标图形式给出各个临界面上损伤量。

用这一办法来估算始裂寿命分
如下几步：第一步，在承载构件上核心点贴上应变花测得3个应变输出，或者在有限元模型上贴虚拟应变花，求得3个虚拟应变输出；第二步，依照3个应变输出用Mroz—Garud循环塑性模型计算该核心点别的应力应变分量；第三步，依照材料疲劳寿命曲线，用关于多轴疲劳损伤寿命模型计算寿命。

[10]
③预测形状不规则裂纹扩展寿命
近来，有一种计算形状不规则裂纹扩展寿命新办法得到了发展，该办法是线弹性断裂力学理论与有限元办法结合。

其重要内容是一方面对含裂纹构件进行三维有限元网格划分，网格涉及裂纹块和非裂纹块，裂纹块由于包括裂纹需要较细致划分，而非裂纹块可以划分得较粗某些。

裂纹块和非裂纹块组合可以使用多点位移约束法，使得两者位移在其接触面上保持一致，从而使组合后网格保持变形协调。

疲劳裂纹扩展后新网格生成可以只对裂纹块进行，非裂纹块阿格保持不变。

网格划分完毕后，应用四分之一点位移法或者三维J积分法计算裂纹扩展前沿上各个节点应力强度因子，J积分计算办法有回路法和虚拟节点位移法。

裂纹前沿曲线形状可以由某些离散点(节点)来定义，那么，就可以应用Paris公式分别求这些节点上裂纹扩展量(也就是这些节点位移量)Δa，据此可以拟定新裂纹前沿。

该办法可以模仿裂纹扩展过程，跟踪裂纹形状发展变化，大大提高了裂纹扩展寿命预测精度。

2、疲劳实验
使用软件来仿真计算虚拟“新产品”作为抗疲劳设计一种手段，并不能代替疲劳实验，虚拟计算目是为了尽量地减少疲劳实验次数。

新产品疲劳可靠性最后要通过疲劳实验来检查，当前国内对铁道车辆零部件疲劳实验，只可以做程序加载疲劳实验。

如TB1959和TB1960所规定实验原则，用程序载荷谱加载疲劳实验普通只可以对产品进行合格检查或产品性能对比，不可以真正用于研究产品寿命。

在国外，重要采用随机载荷谱加载进行疲劳实验来研究产品寿命这样就彻底消除了程序载荷谱时高低载荷加载顺序和各加载位置载荷相位差对构件寿命影响。

这种加载办法可以较为真实地模仿构件所承受载荷，使所得实验寿命可以真实地反映运用寿命在各个构件之间布置载荷传感器十分困难，而在构件上贴上应变片则很以便，因
此普通不能直接采集到构件随机载荷谱，只可以采集到构件上某些点应变谱。

从运用当中构件上采集应变谱若直接用于疲劳实验，虽然实验寿命最为接近实际运用寿命，但实验时间将与构件实际运用时间相称，疲劳实验就失去了其意义。

因此，要对采集应变谱进行某些编辑解决。

合理疲劳编辑应当满足2个方面，其一是通过编辑后信号与原始信号对构件总损伤基本一致；其二是编辑先后信号所产主损伤分布基本一致。

过去，用线性放大载荷信号或者用“等效”常幅载荷信号来加速疲劳实验做法，不符合上面所提第2个方面疲劳实验有单通道和多通道之分，疲劳编辑也有所区别．单通道编辑只编辑响应信号(应变谱)，多通道编辑需要同步编辑响应信号(应变谱)和驱动信号(随机载荷谱)。

二、CW-200转向架疲劳寿命预测实例
图1是转向架焊接构架待评估位置:
图1 CW-200转向架焊接构架待评估位置
2.1有限元模型
图2是CW-200转向架有限元模型
图2 CW-200转向架有限元模型
有限元模型采用平面四节点单元，单元大小20mm。

疲劳实验载荷涉及垂向载荷与横向载荷，垂向载荷作用在空气弹簧座上，横向载荷作用在横向减振器座上。

2.2疲劳实验载荷
依照UIC原则：
——垂直力（每个侧架）(取α=0.2，β=0.1)
静态某些：FZS1=FZS2=FZ
准静态某些（模仿曲线中滚动）：FZQ1=FZQ2=+-αFZ
动态某些（跳动模仿）：FZD1=FZD2=+-βFZ
——横向力（每个转向架）
准静态某些：FYQ=+-0.25*(FZ+0.5*m+*g)
动态某些：FYD=+-0.25*(FZ+0.5*m+*g)
其中，FZ=135KN m+*g=60KN
图13－UIC原则中垂向动载荷模式
图14－UIC原则中横向动载荷模式
由于产生疲劳破坏重要为动态某些力，因此在疲劳评估时忽视静态某些和准静态某些对疲劳寿命影响，因此需加疲劳载荷为：
垂直力（每个侧架）:ΔFZ=2*(0.2*135)=54KN
横向力（每转向架）：ΔFY=2*[0.25*(135+0.5*60)]=82.5KN
在UIC原则中,加载分三个阶段，分别以1倍、1.2倍和1.4倍比例关系逐段强化，每个阶段加载循环次数分别为6e106、2e106和e106次。

图15－UIC原则中三段加载模式
垂向力动态某些与横向力动态某些作用频率与相位均相似，因而视其为一种载荷事件。

2.3有限元计算
按照《UIC515-4》实验室疲劳实验加载规定，一方面将其静载到要有限元模中,然后基于动载与静载比例关系进行应力换算，即得动载应力△σ（任一点△σ值都可由下图读出）。

图3是某些有限元计算成果:
图3－疲劳载荷作用下应力云图
2.4S-N曲线选用
将待评估点所处构造细部与IIW原则钢构造细部疲劳强度值表中提供构造细部对比，选取适当类型FAT级别。

CW-200转向架构架各点疲劳强度级别FAT值列入下表：
表1 待评估位置FAT级别列表
依照各点疲劳强度级别FAT值，即可在IIW原则中（表2）查找相应S-N曲线参数,即m、C 值。

表2 IIW原则中各级别S-N曲线参数（MPa）
然后就可以依照迈纳尔损伤累积理论计算疲劳寿命，这里为疲劳损伤比之和。

疲劳寿命极限；（相应i）
合计损伤率D=
计算成果列表如下：
表3 CW-200焊接构架待评估点疲劳损伤比之和
二、依照这一点接头形式，查出相应S-N曲线，办法：
1. UIC原则-------FAT值-----（判断△σ和常幅疲劳极限、截止极限大小关系）-----m、c值----(由公式)----------疲劳寿命极限值N;
2. 同步△σ（疲劳载荷引起应力范畴）相应一种循环次数n；
3. 最后求得损伤比
4. 将疲劳载荷逐渐加强到1.2倍和1.4倍，重复以上过程，又会得到两个损伤比；
5. 将三个损伤比相加，得到合计损伤比，并判断与否不大于1（合格）
一、对于其他每一点重复以上过程，完毕对每一评估点合格与否检查
当前，提速/重载在迎合社会需求同步，随之也浮现了某些值得关注问题，其中，机车车辆许多构件，特别是焊接转向架，服役不久频繁发生疲劳断裂，并导致了重大经济损失。

客观上，由于提速/重载，机车车辆动负荷加剧，然而，这但是是问题外因，而内因则是咱们对
这些机车车辆装备没有注入与提速/重载相匹配且有相称储备抗疲劳能力。

许多疲劳断裂案例分析表白：在设计阶段，咱们仍停留在老式静强度设计层次上，对焊接转向架特别缺少抗疲劳设计理念，缺少相应技术，缺少必要基本数据。

因而，许多疲劳断裂隐患始于设计阶段。

事实上，自从人们认定“防止疲劳断裂”是一种公认难题以来，一种普遍被接受现实是：由于疲劳断裂问题难于从理论上建模，因而，“防止疲劳断裂”办法与否有效，只能通过各种形式疲劳实验来回答，毫无疑问，这种观点是对的。

然而，此外一种事实是，当产品只在“图纸”上时，涉及疲劳实验在内任何实验均无载体，因而，设计阶段抗疲劳办法与否有效，对简朴问题可以查阅设计手册予以校验，对机车车辆中典型焊接构造抗疲劳办法与否有效则很难判断，显然这不是咱们所但愿，而“事后验证”不但有也许导致较大投入风险，且由于疲劳断裂现象时延特性，它尚有也许导致在设计阶段埋下重大事故隐患。

为此本手册提出了虚拟疲劳实验技术对策，以试图尽最大也许地化解上述矛盾，从而使机车车辆焊接构造抗疲劳设计在产品图纸上就能卓有成效地展开。

结论
本文对国内疲劳寿命预测基本办法进行了初步讨论,但愿在此后疲劳寿命预测研究中能运用有效寿命预测和分析技术解决更多高速铁路机车车辆国产化技术难题。

并从理论分析和疲劳实验两个方面简朴地简介了近年来国外疲劳研究和应用领域发展概况。

可以发现，当前，咱们研究手段和办法与西方发达国家相比有着较大差距。

无论是拟定已有产品使用寿命，还是进行新产品研制开发，咱们既有手段办法都不能满足需要。

因此，咱们要尽快引进国外这些先进技术手段，以提高寿命估算精确性，保障客货运送安全同步，提高铁道车辆产品设计水平，以迎接国际市场挑战。

参照文献：
[1] 缪炳荣,阳光武等，机车车辆构造疲劳寿命预测办法研究.西南交通大学,.
[2]赵少汴,王忠保.疲劳设计[M].北京:机械工业出版社,1992.
[3]曾仲谋，电力机车车体核心部位疲劳寿命预测[D].成都:西南交通大学,.
[4]王成国,孟光伟,原亮明,刘敬辉.新型高速客车技术构架疲劳寿命数值仿真分析[J].中华人民共和国铁道科学,,(3).
[5]吕澎民,赵邦华.货车铸钢侧架随机载荷谱下疲劳寿命预估研究[J].铁道学报.1994,(3).
[6]刘德刚,李强.提速客车转向架重要部件寿命预测办法探讨[J].铁道机车车辆,增刊.
[7]虞丽娟,李元君,沈钢.机车构件疲劳寿命仿真分析[J].铁道学报,1998,(6).
[8]Peter J.Heyes,林晓斌.基于有限元疲劳设计分析系MSC/FATIGUE[J].中华人民共和国机械工程,1998,(9).
[9] Andrew Halfpenny．基于功率谱密度信号疲劳寿命估[J]．中华人民共和国机械工程，1996．9(9).
[10] Wang CH，Brown MW．Life Prediction Technique for Varialabe Amplitude Multiaxil Fatigue-part [J]. ASME joural of Engineering Matidian Technology．1996.。