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可靠性相關資料讀書報告1. 基本定義： 可靠性的定義：所謂可靠性是指“產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定的使用條件下，完成規(guī)定功能的能力或性質”?？煽啃缘母怕识攘糠Q為可靠度（GJB451-90 ) ?？煽啃砸灿斜碚魉约盒再|的定量參數(shù)，常用的可靠性參數(shù)有：可靠度、失效分布或壽命分布函數(shù)、概率密度函數(shù)、失效率、平均壽命、或平均故障間隔時間、有效度。 維修性的定義：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進行維修時，保持或恢復到規(guī)定狀態(tài)的能力。維修性的概率度量稱維修度。(GJB451-90. GJB/Z91-97) 廣義可靠性(Generalized Reliability)：是指“產(chǎn)品在其整個壽命期限內(nèi)完成規(guī)定功能的能力”。它包括可靠性(即狹義可靠性)與維修性。由此可見，廣義可靠性對于可能維修的產(chǎn)品和不可能維修的產(chǎn)品有不同的意義。對于可能維修的產(chǎn)品來說，除了要考慮提高其可靠性外，還應考慮提高其維修性；而對于不可能維修的產(chǎn)品來說，由于不存在維修的問題，只需考慮提高其可靠性。 可用性定義：可用性是產(chǎn)品在任一隨機時刻需要和開始執(zhí)行任務時，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度?？捎眯缘母怕识攘糠Q可用度。這里已包括了維修的效用在內(nèi)。對于可能維修的產(chǎn)品，當發(fā)生故障時，只要在允許的時間內(nèi)修復后又能正常工作，則其有效度與單一可靠度相比，是增加了正常工作的概率。2. 可靠性試驗分類按照試驗工作項目分：環(huán)境應力篩選試驗、可靠性增長試驗、可靠性鑒定試驗、可靠性驗收試驗。按壽命試驗分類：壽命試驗、貯存壽命試驗、加速壽命試驗、環(huán)境試驗。3. 可靠性理論的應用結構可靠性基本理論的研究始于二十世紀二十年代?？煽啃灾饕茄芯拷y(tǒng)計不確定性，且用概率來度量。結構可靠性對相關力學學科的發(fā)展和新興學科分支的誕生，起到了很大的推動作用。二十世紀七十年代發(fā)展了概率疲勞理論。二十世紀八十年代發(fā)展了概率斷裂學和隨機結構動力學?，F(xiàn)在結構可靠性在航天、航空、車輛、土建等各個領域得到了成功的應用。4. 可靠性應用于機車車輛中的歷程現(xiàn)代機車車輛結構設計理念中，產(chǎn)品抗疲勞性能是重要標志之一。據(jù)統(tǒng)計，大約有80%90%的零件破壞是由疲勞引起的。新產(chǎn)品開發(fā)中不僅要求結構具有良好的可靠性(Reliability)、耐久性(Durability)，而且還要求結構盡可能輕量化(Lightweight)，以便提高結構承載能力和產(chǎn)品競爭力。隨著市場競爭日趨激烈，產(chǎn)品開發(fā)周期極大的縮短，結構輕量化和耐久性設計也越來越受到重視，結構疲勞可靠性對機車車輛結構運行的安全性來說尤為重要，但與結構輕量化常常出現(xiàn)矛盾。因此，結構疲勞可靠性成為當前現(xiàn)代機車車輛結構設計研究的一個重點與發(fā)展趨勢。機車車輛結構疲勞可靠性主要研究內(nèi)容就是其結構部件的疲勞壽命。目前國內(nèi)外對結構疲勞壽命研究主要趨勢之一就是采用物理失效(PhysicsFailure)方法去設計和預測結構疲勞壽命，即直接或間接控制施加在結構部件上的載荷時間歷程，分析結構部件的疲勞損傷失效，同時確定其有效的壽命。4.1 國外研究狀況及發(fā)展自19世紀上半葉以來，許多國內(nèi)外專家學者都為疲勞研究和發(fā)展做出了開拓性的研究和貢獻?，F(xiàn)代結構疲勞分析也已經(jīng)發(fā)展成為一個包含多學科的研究分支和領域。R.K.Luo，B L Gabbitas(1994)等較早提出利用有限元疲勞設計方法對地鐵車輛轉向架構架的疲勞壽命進行估算。整個分析過程分為五部分，其中包括：軌道不平順的定義和測量；車輛建模和輪軌外形描述；獲得鐵路車輛懸掛系統(tǒng)的載荷歷程；車輛系統(tǒng)動力學仿真分析以及構架的應力評估；轉向架構架疲勞壽命評估。整個研究的對象為一輛典型的倫敦地鐵車輛，動力學分析采用VAMPIRE軟件，有限元采用PAFEC軟件包，其疲勞計算結果和實際運行車輛試驗結果對比顯示了良好的一致性。這種基于實際車輛軌道運行的轉向架而進行的疲勞設計方法，在設計階段應用被證明是可能的。Stefan Dietz(1998)等根據(jù)輕量化設計的貨運機車轉向架構架結構，提出了一種承受隨機動載的結構疲勞壽命預測方法。該法主要基于結構在頻域和時域的混合計算預測結構疲勞壽命。這種方法可以有效節(jié)省計算機分析機時。它利用一種并行的計算機軟件仿真環(huán)境，即集成計算機輔助設計(CAD)，有限元法(FEM)和多體系統(tǒng)(MBS )方法對轉向架構架進行疲勞壽命預測。其基本過程是：通過多體仿真計算得到作用在構架上的隨機動載荷(考慮構架的彈性影響)。對于運行在直線軌道上的轉向架，動力學運動方程考慮成線性關系，此時軌道激勵主要是軌道不平順的功率譜；在產(chǎn)生較大動載的斜坡軌道或是曲線軌道運行時，動力學運動方程通過非線性微分方程進行仿真計算，這時的軌道激勵主要是軌道的隨機不平順。根據(jù)多體系統(tǒng)動力學的仿真計算得到載荷時間歷程和有限元法求得構架的應力SIC相乘疊加求得構架的動應力分布，最后在多體系統(tǒng)(MBS )的后處理FATIGUE程序中，運用雨流計數(shù)法和Palmgren-Miner法則進行構架疲勞壽命的預測。Hong Su(2000)提出一種頻域的結構疲勞壽命預測方法，即通過模擬汽車的隨機振動過程，得到結構關鍵部位的加速度和動應力響應及其功率譜密度，并結合有限元分析技術、隨機振動和疲勞累積損傷理論對仿真結果進行后處理，估算出結構的疲勞壽命。結構的頻率響應主要是通過應用MSC.NASTRAN頻響分析模塊進行計算，隨機響應的統(tǒng)計特征通過PSD函數(shù)進行描述，并計算了承受多通道載荷激勵的后軸裝配結構的疲勞損傷和壽命，結論是采用隨機振動分析方法進行結構疲勞壽命估算所需仿真費用相對較低。 Srikantan S.，YerrapaIli S.和Keshtakar H(2000)討論了使用現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行卡車車體結構的耐久性以及疲勞分析的方法。研究重點在于結構可靠性分析和疲勞分析應力/應變強度分析方法的不同，同時研究了現(xiàn)場路面測試的車輛數(shù)據(jù)如何應用在車輛疲勞壽命的仿真中。結構應力由MSC.NASTRAN確定，而結構疲勞壽命預測利用MSC.FATIGUE進行。如果結構壽命達不到疲勞設計標準要求，樣機的結構就需要進行重新優(yōu)化設計并修改。Medepalli和Rao(2000)討論了車輛疲勞設計需要的路面載荷。文獻中主要討論如何在車輛設計早期階段利用計算機仿真技術預測路面載荷狀況。多體系統(tǒng)利用ADAIvf進行計算機仿真，從仿真中獲得結果文件用來分析路面載荷，結果表明柔性體的模型更接近實際測量的路面載荷。H.Riener ，D.Peiskammer，W.Witteveen(2001)比較了兩種不同的有限元疲勞壽命預測方法。對汽車前懸架利用模態(tài)應力法和準靜態(tài)應力法預測懸架結構壽命。在對懸架結構進行多軸準靜態(tài)的疲勞壽命預測中，不僅考慮由于結構變形產(chǎn)生的應力，還考慮了結構柔性的影響，以及輪胎模型和各種路面狀況影響因素，整車的多體動力學仿真軟件采用ADAMS，耐久性分析采用軟件FEMFAT。最后得出了兩點結論：基于結構切向力(CuttingForce)的結構疲勞壽命預測容易導致不真實的結果；基于模態(tài)應力法可以比較準確的預測結構的彈性變形影響。KIM H. S，YIM.H.J.和Kim C.B. (2002)使用DADS對仿真車輛進行剛、柔體混合建模及多體動力學分析，同時增加了結構的耐久性評估。研究對象選擇的是一輛小型客車，動應力分析使用MSC.NASTRAN，對于結構的危險區(qū)域的疲勞壽命采用局部應變法進行預測。從疲勞分析中，確定了某一頻域內(nèi)疲勞損傷發(fā)生主要是依賴于路面的狀況(服役的路面狀況或是加速度測試路面的線路狀況)。研究結果同時表明車輛真實的服役環(huán)境可通過一個加速度的測試環(huán)境進行有效的模擬。由于可以使用多體仿真獲得真實服役環(huán)境疲勞分析所需要的應力歷程結果，因此這種方法可以在設計的早期階段實施。Sigmund Kyrrre As(2002)在其博士論文中結合鋁合金汽車懸架，系統(tǒng)闡述了結構的有限元疲勞評估方法，主要是根據(jù)單軸疲勞評估方法預測結構疲勞壽命并和臨界面法的預測結果進行了比較。文中采用FEDEM進行動力學仿真，利用nSoft進行懸架的疲勞壽命預測。利用MATLAB對動載荷數(shù)據(jù)進行處理。結果表明結構有限元模型的準確度極大的影響著結構壽命預測的精度，不同單元網(wǎng)格的劃分會導致壽命預測誤差達到幾倍。Gerber的平均應力修正法要比Goodman和SWT(Smith-Watson-Topper)修正法的壽命預測結果更加趨于保守。 James Andrew(2003)在其博士論文中利用現(xiàn)場測試的多項試驗數(shù)據(jù)，結合多體動力學分析(DADS軟件)、有限元方法(MSC.NASTRAN軟件)、耐久性和可靠性分析(DRAW軟件)和由NASA開發(fā)的疲勞裂紋擴展分析軟件FLAGRO對軍用拖車進行了結構疲勞壽命預測。主應變測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計采用了回歸分析法和主變量分析技術。還利用時頻復現(xiàn)技術，將路面譜PSD轉化為路面的時間激勵數(shù)據(jù)，將此結果和采用實際加速度測試的軌道譜進行對比，表明該方法是有效的。 Mika(2003)在基于名義應力和熱點應力的焊接多軸疲勞壽命評估的博士論文中主要考慮了不同焊接接頭形式的多軸疲勞。焊接結構的損傷參數(shù)主要以主應力范圍、最大剪應力范圍和修改的臨界面模型為主進行壽命分析。 Shinichi CHIBA， Kimihiko AOYAMA和Kenji YANBU(2003)以卡車司機室為例，介紹了通過多體動力學仿真獲得司機室輸入載荷，結合有限元分析進行司機室結構疲勞壽命預測的方法。多體動力學仿真采用ADAMS，有限元軟件使用MSC.NASTRAN，疲勞壽命預測采用FALLANCS軟件等。得出的結論是考慮彈性體模型的多體仿真結果可以使得司機室的輸入載荷具備足夠精度，并且基于多體仿真結果的應力歷程可以使用在點焊和非點焊區(qū)域。Sung I1 SEO，Choon PARK，Ki Hwan KIM (2005)主要對某型鋁合金地鐵車輛的車體的結構疲勞進行動載荷試驗研究，建立了一種地鐵車輛的車體動載荷測試方法。得出的結論是直接利用結構靜強度測試結果研究車體結構疲勞結果是不準確的，應該采用動載荷測試方法。阿久津勝則等(1994)在混合結構車體強度評價試驗中主要對車體在垂直靜載下的疲勞強度試驗做了研究。具體方法是除了在車體上施加標準設計條件下的垂直靜載荷外，同時考慮運行時車體上下振動等因素引起的相當于0.98 m/s2加速度的動態(tài)垂直交變載荷。疲勞強度的評價標準是以疲勞試驗前后所進行的靜載荷試驗測定的應力、車體撓度和用重錘落下法確定的車體垂直彎曲固有振動頻率的變化情況來判定。從上述文獻可以發(fā)現(xiàn)，目前國外對一些復雜結構，尤其車輛結構(包括鐵路和公路)的疲勞研究發(fā)展趨勢主要是利用多體動力學仿真和有限元分析相結合的方法，從時域或頻域的角度研究其疲勞壽命，然后通過試驗手段驗證其方法的有效性以及在車輛結構設計的早期階段利用仿真的手段部分代替疲勞試驗。這也說明利用多體動力學仿真和有限元方法相結合的手段可以有效地預測結構疲勞特性。4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展 國內(nèi)機車車輛結構疲勞研究狀況和國外相比依然有很大的差距，疲勞研究的重點也主要停留在一些關鍵結構零部件，如轉向架構架，車軸等的抗疲勞設計上。一般使用常規(guī)無限壽命設計方法對零部件危險點或危險截面進行疲勞強度校核，以計算獲得的安全系數(shù)是否小于許用安全系數(shù)，作為結構疲勞強度滿足與否的重要判斷依據(jù)。下面結合相關文獻對國內(nèi)疲勞的研究狀況進行簡單的論述： 北京交通大學繆龍秀、孫守光、呂澎民等對提速客車轉向架焊接構架應力譜的測試方法，疲勞危險部位的確定及應力譜編制方法等進行了系統(tǒng)研究。呂澎民等根據(jù)概率統(tǒng)計理論以及疲勞損傷原理，建立了結構在隨機載荷譜的作用下可靠性疲勞壽命的計算方法，利用實際測量的程序載荷譜和焊接接頭疲勞試驗數(shù)據(jù)，對構架進行了實例計算，并將恒幅載荷下的計算結果對焊接轉向架結構可靠性疲勞壽命的預估方法進行了深入的研究。劉志明在其博士論文中對隨機載荷下焊接構架疲勞壽命及可靠性展開了較為系統(tǒng)的研究。 鐵道部科學研究院王成國等在計算機虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，以CAD， FEM和MBS為基礎，對新型的高速客車轉向架構架進行詳細的動應力分析，并根據(jù)這些動應力，應用MSC.FATIGUE分析預測構架的疲勞壽命。青島四方車輛研究所劉德剛、侯衛(wèi)星等以轉8A轉向架側架為例，介紹了有限元技術應用于構件疲勞壽命分析的過程，按照準靜態(tài)分析法將有限元分析得到的靜態(tài)應力與實際測量的載荷時間歷程相結合得到模型上各點的應力時間歷程，結合ZG230-450材料的S-N關系曲線進行側架結構整體的疲勞壽命計算，有限元軟件采用I-DEAS軟件，疲勞分析軟件是FE-Fatigue。 原上海鐵道大學虞麗娟、沈鋼、于慧等根據(jù)機車實際運行環(huán)境，用計算機仿真方法計算機車結構部件的動態(tài)響應，從而預測其疲勞壽命的方法，其中對SS-8B機車的牽引桿的疲勞壽命進行了估算。原蘭州鐵道學院趙文禮、趙邦華等對車軸疲勞壽命的分析也做了較為系統(tǒng)的疲勞研究。 西南交通大學趙永翔提出了疲勞“有效短裂紋準則”與“逆序局部觀測法”等成果。米彩盈提出BO-BO軸式機車轉向架焊接輕型化評定準則，根據(jù)構架整體結構有限元法，用邊界元分析構架側梁下蓋板橫向對接焊縫的應力分布，分析構架蓋板產(chǎn)生疲勞裂紋原因。陽光武、曾仲謀等在各自論文中結合頻域和時域對機車車輛關鍵零部件的疲勞壽命進行了相關研究。梁紅琴等對貨車車軸在時域進行了隨機載荷作用下貨車車軸的疲勞應力計算。 從這些鐵路相關文獻可以發(fā)現(xiàn)，機車車輛結構的疲勞研究主要集中在關鍵結構零部件的疲勞研究上，如結合構架動應力實測數(shù)據(jù)對其進行頻譜分析，最后計算構架疲勞。 國內(nèi)其他領域，如王海霞綜述了多體系統(tǒng)動態(tài)模型的發(fā)展歷史及動應力求解的過程，并以客車骨架為例給出了計算動應力的步驟。姚一龍、李遏和薛濤明等計算了汽車結構在不同類型路譜激勵下的位移、加速度動應力響應。董保童等對隨機振動載荷作用下的飛機結構疲勞壽命估算進行了研究。張鑫等通過對疲勞壽命影響因素的分析，采用改進的BP網(wǎng)絡對疲勞壽命的計算進行仿真。田宏辰等建立神經(jīng)網(wǎng)絡響應面法模擬疲勞裂紋擴展壽命的極限狀態(tài)方程，然后使用遺傳算法(CA)計算可靠性指標。孫凌玉利用計算及仿真技術預測汽車車身零件的疲勞壽命。王雷和蔣培分別探討了多軸隨機應力作用下的疲勞壽命評估方法。劉萬峰，葉俊彥通過對某型車架的動態(tài)應變信號的統(tǒng)計分析，根據(jù)結構的關鍵測點動應力大于3。值的概率給出一種結構動強度評價的簡單方法。疲勞裂紋擴展隨機模型及相關理論在一些文獻中也得到較為詳細的闡述。西南交通大學繆炳榮的博士論文中首次對隨機動載作用下的機車車體結構利用多體動力學仿真和有限元分析相結合的方法進行較為系統(tǒng)的結構疲勞仿真研究。建立了整車的多體系統(tǒng)動力學仿真、有限元分析和疲勞壽命預測的物理模型和數(shù)學模型。論文提出一種從軌道空間譜到時域軌道激勵的簡單時頻轉換方法。利用子結構和模態(tài)分析技術以及多體動力學仿真與有限元分析接口程序FEMBS，研究機車車體結構柔性影響。利用WAFO技術結合FE-Fatigue進行車體結構壽命預測。即根據(jù)隨機過程的雨流矩陣分布和馬爾可夫鏈隨機過程理論，對車體結構動應力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，并進行疲勞壽命預測。5. 結構疲勞設計思想 結構疲勞主要以結構零部件、焊接接頭及整個結構系統(tǒng)為研究對象，研究結構疲勞性能、抗疲勞設計、壽命估算和疲勞試驗方法，還包括研究結構形狀尺寸和工藝因素的影響以及提高結構疲勞強度的方法。結構疲勞壽命分析過程基本包含四部分內(nèi)容： 1）材料疲勞行為的準確描述； 2）確定合適的載荷歷程； 3）建立合適的疲勞評估模型；4）識別模型中的危險區(qū)域以及預測結構疲勞壽命。經(jīng)常承受復雜應力時間歷程的結構部件，其失效普遍形式主要是疲勞(Fatigue)和斷裂(Fracture)等破壞形式，而總的結構疲勞壽命包括裂紋萌生和裂紋擴展兩個階段。5.1 名義應力法名義應力法，也稱S-N曲線法或應力壽命法(Stress-life Method )，是最早形成的抗疲勞設計方法。主要以材料或零件的S-N曲線為基礎，對照試件或結構疲勞危險部位的應力集中系數(shù)和名義應力，按照疲勞累積損傷理論，校核疲勞強度或計算疲勞壽命。5.2 S-N曲線定義結構失效可以定義為完整失效或是裂紋萌生到一定長度。疲勞失效前所經(jīng)歷的應力或應變循環(huán)數(shù)，稱為疲勞壽命，一般用N表示。對于試樣而言，其疲勞壽命取決于材料的力學性能和施加的應力水平。當材料的強度極限愈高，外加的應力水平愈低，試樣的疲勞壽命就愈長；反之，疲勞壽命愈短。應力水平和標準試樣疲勞壽命之間的關系曲線稱為材料S-N曲線。5.3 平均應力及其修正 大量研究文獻表明，應力時間歷程中的平均應力很大程度上影響著結構疲勞壽命評估的準確性，且拉伸平均應力縮短了疲勞壽命，而壓縮平均應力可以增加疲勞壽命，也就是說拉伸平均應力比壓縮平均應力更容易導致結構出現(xiàn)疲勞。且當應力幅值給定時，循環(huán)載荷中的拉伸部分增大，對于結構疲勞裂紋的萌生和擴展會產(chǎn)生負面效果，使得結構疲勞壽命降低。平均應力產(chǎn)生的影響可以在不同平均應力下通過試件的試驗進行量化對比。但是這要求大量的疲勞試驗，以及采集不同的載荷組合，試驗費用十分昂貴。因此簡單的方法就被提出來，即通過一個等效的零平均應力的應力幅值去修正實際應力幅值。在nSoft的應力壽命模塊(SLF，Stress-LifeFatigue)中，可以利用Goodman和Gerber應力修正。5.4 焊接疲勞焊接結構疲勞預測的基本方法主要包括四種：名義應力C Norminal Stress)法；結構應力(Structure Stress)法；有效切口應力( Effective Notch Stress)法；線彈性斷裂力學(Linear Elastic Fracture Mechanics，簡稱LEFM)法。5.5 疲勞累積損傷理論 不同研究者根據(jù)損傷累積方式的不同假設，提出不同的疲勞累積損傷理論，具有代表性的疲勞累積損傷理論主要分為. 1）線性疲勞累積損傷理論。假定材料在各個應力水平下的疲勞損傷是獨立進行的，總損傷可以線性疊加。其中最有代表性的是Palmgren-miner法則，以及將其修正的Miner法則和相對Miner法則。 2）雙線性疲勞累積損傷理論。認為材料在疲勞初期和后期分別按照兩種不同的線性規(guī)律積累，代表性的是Manson雙線性損傷累積疊加法則。 3）非線性累積損傷理論。這些理論假定載荷歷程和損傷之間存在相互干涉作用，即各個載荷所造成的疲勞損傷與其以前的再和歷史有關，其中最有代表性的是損傷曲線法和Corten-Dolan理論。 4）其他累積損傷理論。這些理論多從試驗，觀測和分析數(shù)據(jù)歸納出來的經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式，如bevy理論，Kozin理論。疲勞累積損傷理論是疲勞分析的理論基礎，也是估算變應力幅值下的安全疲勞壽命的關鍵理論。在疲勞過程中初期材料內(nèi)的細微結構變化和后期裂紋形成和擴展中，當材料承受高于疲勞極限的應力，每個循環(huán)都會使材料產(chǎn)生一定的損傷。5.5.1 Miner修正常用的疲勞累積損傷理論中一些方法都在努力解釋變幅循環(huán)作用下由小循環(huán)導致的結構損傷。目前非線性損傷模型(Non-Linear Damage Models)和小裂紋模型(Small Crack Models)都己經(jīng)被專家學者們提出來。由于傳統(tǒng)的S-N和E-N法主要是針對主應力或主應變。當載荷方向發(fā)生改變或應力/應變狀態(tài)不同于單軸條件時，這種方法就不能有效預測結構疲勞壽命，而多軸疲勞研究可以有效的解決這個問題。研究多軸疲勞經(jīng)常采用臨界平面法，即首先通過分析多軸疲勞應力應變確定臨界平面，然后在臨界平面上建立多軸疲勞損傷參變量。根據(jù)確定臨界平面的依據(jù)不同，也就形成了不同的研究方法，如以最大剪應變、最大主應變或兩者某一線性組合為最大平面作為臨界平面的方法等，或者是根據(jù)確定臨界平面上損傷參量形式不同，形成如等效應變法，能量密度法等。5.5.2 雨流計數(shù)法 常規(guī)結構的應力歷程屬于變幅循環(huán)，任何兩個相鄰的峰值(或谷值)之間是不可能完全相同的，也就不可能僅用相鄰的峰值和谷值表示。因此需要使用一種合適的循環(huán)計數(shù)法進行疲勞循環(huán)計數(shù)，將變化的載荷時間歷程轉化為一系列具有完整循環(huán)載荷的歷程。循環(huán)計數(shù)主要目的就是縮短和簡化循環(huán)載荷時間歷程，便于結構疲勞分析與應力測試結果的處理。疲勞壽命估算和疲勞試驗結果的可靠性很大程度上取決于載荷譜，而載荷譜的編制又與計數(shù)法有很大的關系。 從統(tǒng)計的角度分類，計數(shù)法分為單參數(shù)和雙參數(shù)法。前者包括只考慮載荷循環(huán)中的一個變量，如應力范圍，方法有水平交叉法、范圍計數(shù)法等，主要用來消除載荷歷程中的高頻低振幅信號或配合損傷累積理論計算，但是忽略了載荷順序效應。且由于這種方法只考慮某單一參數(shù)，不足以完整描述載荷循環(huán)的特征。雙參數(shù)法主要包括雨流計數(shù)法(Rainflow CountingMethod )，極小一極大計數(shù)法(Min-Max Counting Method)等。目前在國內(nèi)外結構疲勞研究中廣泛使用的是雨流計數(shù)法，簡稱雨流法。雨流法是由Matsuishi和Endo (1968)在其論文中考慮材料應力應變行為時提出的一種計數(shù)方法。優(yōu)點是部分考慮了載荷的次序效應，且認為塑性的存在是疲勞損傷的必要條件，將循環(huán)計數(shù)表示為應力應變的遲滯回線，即一個個封閉的遲滯環(huán)。5.6 結構疲勞壽命估算方法傳統(tǒng)疲勞設計方法中，評估結構疲勞壽命多數(shù)為循環(huán)載荷法，即根據(jù)線彈性結構準靜態(tài)情況下的有限元分析結果，結合材料S-N曲線進行結構疲勞分析。具體說計算多種組合載荷作用下的結構應力，找出結構危險位置應力/應變分布狀況等，再根據(jù)材料Goodman曲線判定各部位的疲勞壽命是否滿足要求。該方法簡單，可以參考相關疲勞設計標準和手冊。缺點是采用各向動載荷系數(shù)的準確性，可能極大的影響分析結果的準確度；且傳統(tǒng)方法只能確定結構的疲勞壽命是否滿足基本疲勞設計要求，不能具體預測結構疲勞壽命時間或運行公里數(shù)等。5.6.1 結構壽命評估的應力分析 結構疲勞壽命的估算可以分為裂紋形成階段壽命估算和裂紋擴展階段壽命估算兩部分。要獲得準確的結構疲勞壽命首先需要準確的載荷歷程，即對結構進行應力/應變的分析計算，了解隨機動應力作用下結構危險部位的疲勞損傷狀況，它可以分別在時域和頻域進行。當然與線路試驗獲得結構動載荷時間歷程的方法相比，實際測量的動載荷時間歷程要比利用常規(guī)載荷譜編制的載荷歷程方法獲得的動載時間歷程準確得多。但是實際測量結構隨機動載的前提是必須要有物理樣機lzl，因此利用多體系統(tǒng)動力學仿真分析可以獲得結構載荷時間歷程成為當前一種有效方法。下面對結構有限元疲勞評估中的應力分析方法先進行簡單介紹。使用下面的任何一種方法，可以得到動態(tài)載荷作用下結構部件得應力應變分析結果：1）標準的時域法，包括準靜態(tài)應力分析法；2）復雜的時域法，包括瞬態(tài)動力學分析法；3）一般的頻域法，包括諧響應(應力)分析法；4）復雜的頻域法，包括隨機振動應力分析法，主要采用譜分析方法。5.6.2 結構疲勞壽命預測 結構疲勞壽命預測也可以利用下面的兩種方法進行。 1）利用標準的時域方法進行結構壽命計算。其主要過程是：首先計算結構響應的應力/應變時間歷程，然后進行結構應力/應變時間歷程的循環(huán)計數(shù)，最后根據(jù)疲勞累積損傷理論計算結構疲勞壽命。結構壽命評估的應力分析可以采用準靜態(tài)應力法或瞬態(tài)應力分析法。 2）基于頻域的統(tǒng)計參數(shù)進行結構壽命計算。其主要過程包括：首先對結構有限元模型進行頻響分析，求得載荷與結構上應力的傳遞函數(shù)；然后，將傳遞函數(shù)乘以載荷的功率譜密度函數(shù)得到應力功率譜密度函數(shù)；評估指定應力范圍的循環(huán)數(shù)；最后使用相關方法由應力功率譜推算結構壽命。結構壽命評估的應力分析可以采用諧響應分析法和隨機振動應力分析法。6. 車體結構可靠性疲勞壽命評估根據(jù)車體結構動應力實測結果和采用多體動力學與有限元法仿真獲得的車體結構應力/應變歷程都可以計算車體結構的損傷及其疲勞壽命，主要步驟包括：車體結構應力歷程的循環(huán)計數(shù)；每個載荷循環(huán)的損傷累積；疲勞損傷準則的選擇等。論文提出預測車體結構疲勞壽命方法的基本計算流程如下：l 建立準確的車體結構有限元模型，合理選擇單元的類型及其網(wǎng)格劃分尺寸，保證結構準靜態(tài)應力計算的效率和精度。l 通過機車多體動力學仿真或動應力測試數(shù)據(jù)采集方法構建輸入動載荷歷程。l 執(zhí)行有限元分析，并對危險點位置先通過粗網(wǎng)格進行有效識別，然后使用精細網(wǎng)格對指定危險點區(qū)域進行詳細網(wǎng)格劃分和應力分析。l 獲得危險點位置的應力/應變歷程。l 分析載荷歷程，主要考慮：Von Mises應力(如果危險點處產(chǎn)生屈服和塑性變形，就要進行彈塑性修正)；主應力(Principal Stress)；剪切應力(Shear Stress)；二軸率(Biaxial Ratio，二軸率是最小應力和最大應力的比值)；應變張量的遷延性(Mobility of The StrainTensor)等。l 根據(jù)研究問題復雜程度，選擇合適的疲勞評估方法方法，評估方法基本分為：單軸疲勞評估(Uniaxial Fatigue Assessment )，成比率多軸疲勞評估(Proportional Multiaxial Fatigue Assessment)和非比率多軸疲勞評估(Non-Propportional Multiaxial Fatigue Assessment)，論文采用單軸疲勞評估。l 對車體結構應力/應變歷程，選擇雨流計數(shù)法對載荷循環(huán)。l 對每個提取循環(huán)使用合適的疲勞損傷模型進行失效的循環(huán)數(shù)求解。l 使用累積損傷方法計算疲勞壽命。會使用到MATLAB工具箱WAFO和疲勞分析軟件n5oft的FE-FATIGUE軟件包進行車體結構疲勞壽命預測，它包含基于單軸應力和應變的疲勞評估方法。FE-FATIGUE有兩種基本輸入類型，即應變儀(StrainGauge)歷程結果文件和有限元分析獲得節(jié)點應力或應變結果文件。應力應變分析，簡稱SSA ( Stress-Strain Analysis)可以對幾種類型的結果文件進行操作以及發(fā)現(xiàn)其主要特性，如主應變、剪切應變等的計算。應力壽命和應變壽命模塊可以分別稱為應力壽命疲勞SLF(Stress-Life Fatigue)和危險位置疲勞CLF ( Critical Location Fatigue )。這些可以采用應力或應變的載荷通道作為輸入。因此SSA必須要提前確定載荷方向。但是應力/應變分析并不適合復雜的載荷環(huán)境，即多軸的疲勞損傷模型。在nSoft中需要使用MLF ( Multiaxial )模塊根據(jù)應變花，使用一到幾個多軸損傷模型預鍘復雜載荷作用下的疲勞壽命。論文對車體結構在FE-FATIGUE中基于應力的安全因子分析，獲得車體結構的安全因子和結構損傷分布。7. 轉向架構架可靠性疲勞壽命評估構架疲勞壽命具體分析流程如下：l 根據(jù)構架的靜強度分析結果、焊縫容易失效的部位和疲勞失效的歷史數(shù)據(jù)等選定構架的疲勞評估點的位置；l 在載荷譜的基礎上轉化得到評估點的應力譜或者動應力實測數(shù)據(jù)，通過WAFO雨流技術獲得該點的應力幅值譜；l 根據(jù)評估點所在焊接接頭類型細節(jié)，在IIW標準或者BS7608標準中選擇對應的S-N曲線及相關參數(shù)數(shù)據(jù)；l 基于Miner線性累積損傷理論，計算評估點的累計損傷；l 按照動應力譜所對應的構架運行里程數(shù)，求出構架的設計壽命(里程)。7.1 疲勞裂紋擴展分析 上述工作完成后還要進行疲勞裂紋擴展分析。疲勞壽命預測的斷裂力學方法是基于裂紋擴展的分析。應力一壽命方法考慮的樣本是沒有任何缺欠的，但是斷裂力學方法假設樣本有初始裂紋存在。7.1.1 焊接缺欠的疲勞失效標準評定方法實際焊接結構不可能“完美無缺”，總會“有所欠缺”。按照“合于使用”(fitness-for-purpose)原則來評價含缺欠的焊接產(chǎn)品結構的合用性，已經(jīng)制定了數(shù)種標準，并且經(jīng)過實踐證明是可行的。這些標準的主要依據(jù)是斷裂力學基于BS7910：金屬結構裂紋驗收評定方法指南標準和我國的GB/T19624-2004：在用含缺欠壓力容器安全評定標準。7.1.2 構架耐久性裂紋擴展壽命計算構架可靠性裂紋擴展壽命的計算，可以為構架在實際運營過程中制定合理的檢修周期提供建議，構架的有限元模型采用ANSYS軟件中板殼單元來進行。7.2 構架模態(tài)對疲勞壽命的影響分析 在模態(tài)參數(shù)對鐵道客車結構疲勞強度影響方面，隨著振動模態(tài)理論及其相關學科的發(fā)展，人們早已改變了僅僅依靠靜強度理論進行結構設計的觀念。研究表明，車輛承載結構的靜強度設計并不滿足良好的振動特性，因此需要對車輛結構進行動態(tài)設計和對動態(tài)性能進行評定。應用模態(tài)分析的方法研究由于振動引起的疲勞強度問題是目前廣泛采用的研究手段。構架結構在運行中大量遇到的是動應力問題，增加靜強度并不能解決這類問題，必須應用動力分析方法綜合判斷承載結構在實際振動條件下的強度問題。有必要利用振動和疲勞理論研究構架結構強度、剛度特別是固有頻率和振型與結構疲勞特性之間的作用機理?？梢岳媚B(tài)疊加法思想研究構架模態(tài)對其疲勞壽命的影響，為控制構架的模態(tài)，避免有害模態(tài)的出現(xiàn)提供參考。7.3 構架可靠性參數(shù)靈敏度分析 通過建立構架的參數(shù)化有限元模型，選取構架的材料屬性、幾何參數(shù)和載荷等作為隨機變量，通過統(tǒng)計分析得到其分布參數(shù)；以構架一母材和焊縫部位疲勞薄弱環(huán)節(jié)的最大主應力與其許用疲勞強度建立失效狀態(tài)函數(shù)；利用蒙特卡羅數(shù)值模擬方法，計算轉向架構架的可靠性參數(shù)靈敏度。依據(jù)分析結果，可以對影響構架可靠性靈敏度比較大的隨機變量進行控制和優(yōu)化，為設計高可靠性的轉向架構架提供參考。7.4 構架加速壽命試驗方法分析加速壽命試驗是轉向架可靠性試驗的重要部分，通過加速壽命試驗既可以定量的預測鐵道車輛關鍵部件的壽命，又可以定性的發(fā)現(xiàn)失效部位以便于設計改進。考慮到鐵道車輛關鍵部件為大型焊接部件如轉向架構架等，常規(guī)可靠性試驗需要樣本數(shù)量多，成本高，部件壽命較長，試驗時間較長，因此采用加速壽命試驗可以降低成木和縮短試驗時間。利用加速壽命的思想，對構架和構架對應焊接接頭進行了疲勞試驗，并可以通過焊接接頭的疲勞失效模型估計構架的疲勞試驗加速系數(shù)及疲勞壽命。經(jīng)過以上步驟，可以對轉向架的可靠性進行一個很系統(tǒng)的評估。針對我國鐵道客車轉向架構架均采用鋼焊接結構，滿足由于運行速度的提高、載荷的增大、頻率范圍的擴大以及復雜的焊接接頭形式使得轉向架構架的承載變得十分惡劣情況下的要求。參考文獻1 Luo，R.K，Gabbitas，B.L，Brickle.B.V Fatigue design in railvvay vehicle bogies based on dynamic simulation，vehicle，Vehicle System Dynamics.1996，25：449-459.2 DIETZ S，KNOTHE K，KORTUM W. 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