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可靠性相關(guān)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(zhì)”?？煽啃缘母怕识攘糠Q為可靠度（GJB451-90 ) 。可靠性也有表征它自己性質(zhì)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(jìn)行維修時，保持或恢復(fù)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(yīng)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(jī)時刻需要和開始執(zhí)行任務(wù)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(dāng)發(fā)生故障時，只要在允許的時間內(nèi)修復(fù)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(yīng)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(yīng)用結(jié)構(gòu)可靠性基本理論的研究始于二十世紀(jì)二十年代。可靠性主要是研究統(tǒng)計不確定性，且用概率來度量。結(jié)構(gòu)可靠性對相關(guān)力學(xué)學(xué)科的發(fā)展和新興學(xué)科分支的誕生，起到了很大的推動作用。二十世紀(jì)七十年代發(fā)展了概率疲勞理論。二十世紀(jì)八十年代發(fā)展了概率斷裂學(xué)和隨機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)?，F(xiàn)在結(jié)構(gòu)可靠性在航天、航空、車輛、土建等各個領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。4. 可靠性應(yīng)用于機(jī)車車輛中的歷程現(xiàn)代機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計理念中，產(chǎn)品抗疲勞性能是重要標(biāo)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(jié)構(gòu)具有良好的可靠性(Reliability)、耐久性(Durability)，而且還要求結(jié)構(gòu)盡可能輕量化(Lightweight)，以便提高結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)輕量化和耐久性設(shè)計也越來越受到重視，結(jié)構(gòu)疲勞可靠性對機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)運行的安全性來說尤為重要，但與結(jié)構(gòu)輕量化常常出現(xiàn)矛盾。因此，結(jié)構(gòu)疲勞可靠性成為當(dāng)前現(xiàn)代機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計研究的一個重點與發(fā)展趨勢。機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)疲勞可靠性主要研究內(nèi)容就是其結(jié)構(gòu)部件的疲勞壽命。目前國內(nèi)外對結(jié)構(gòu)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(shè)計和預(yù)測結(jié)構(gòu)疲勞壽命，即直接或間接控制施加在結(jié)構(gòu)部件上的載荷時間歷程，分析結(jié)構(gòu)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(jì)上半葉以來，許多國內(nèi)外專家學(xué)者都為疲勞研究和發(fā)展做出了開拓性的研究和貢獻(xiàn)?，F(xiàn)代結(jié)構(gòu)疲勞分析也已經(jīng)發(fā)展成為一個包含多學(xué)科的研究分支和領(lǐng)域。R.K.Luo，B L Gabbitas(1994)等較早提出利用有限元疲勞設(shè)計方法對地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞壽命進(jìn)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(xué)仿真分析以及構(gòu)架的應(yīng)力評估；轉(zhuǎn)向架構(gòu)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(xué)分析采用VAMPIRE軟件，有限元采用PAFEC軟件包，其疲勞計算結(jié)果和實際運行車輛試驗結(jié)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(zhuǎn)向架而進(jìn)行的疲勞設(shè)計方法，在設(shè)計階段應(yīng)用被證明是可能的。Stefan Dietz(1998)等根據(jù)輕量化設(shè)計的貨運機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)，提出了一種承受隨機(jī)動載的結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測方法。該法主要基于結(jié)構(gòu)在頻域和時域的混合計算預(yù)測結(jié)構(gòu)疲勞壽命。這種方法可以有效節(jié)省計算機(jī)分析機(jī)時。它利用一種并行的計算機(jī)軟件仿真環(huán)境，即集成計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)，有限元法(FEM)和多體系統(tǒng)(MBS )方法對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測。其基本過程是：通過多體仿真計算得到作用在構(gòu)架上的隨機(jī)動載荷(考慮構(gòu)架的彈性影響)。對于運行在直線軌道上的轉(zhuǎn)向架，動力學(xué)運動方程考慮成線性關(guān)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(xué)運動方程通過非線性微分方程進(jìn)行仿真計算，這時的軌道激勵主要是軌道的隨機(jī)不平順。根據(jù)多體系統(tǒng)動力學(xué)的仿真計算得到載荷時間歷程和有限元法求得構(gòu)架的應(yīng)力SIC相乘疊加求得構(gòu)架的動應(yīng)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(jìn)行構(gòu)架疲勞壽命的預(yù)測。Hong Su(2000)提出一種頻域的結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測方法，即通過模擬汽車的隨機(jī)振動過程，得到結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的加速度和動應(yīng)力響應(yīng)及其功率譜密度，并結(jié)合有限元分析技術(shù)、隨機(jī)振動和疲勞累積損傷理論對仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，估算出結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)主要是通過應(yīng)用MSC.NASTRAN頻響分析模塊進(jìn)行計算，隨機(jī)響應(yīng)的統(tǒng)計特征通過PSD函數(shù)進(jìn)行描述，并計算了承受多通道載荷激勵的后軸裝配結(jié)構(gòu)的疲勞損傷和壽命，結(jié)論是采用隨機(jī)振動分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(jìn)行卡車車體結(jié)構(gòu)的耐久性以及疲勞分析的方法。研究重點在于結(jié)構(gòu)可靠性分析和疲勞分析應(yīng)力/應(yīng)變強(qiáng)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(yīng)用在車輛疲勞壽命的仿真中。結(jié)構(gòu)應(yīng)力由MSC.NASTRAN確定，而結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測利用MSC.FATIGUE進(jìn)行。如果結(jié)構(gòu)壽命達(dá)不到疲勞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，樣機(jī)的結(jié)構(gòu)就需要進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計并修改。Medepalli和Rao(2000)討論了車輛疲勞設(shè)計需要的路面載荷。文獻(xiàn)中主要討論如何在車輛設(shè)計早期階段利用計算機(jī)仿真技術(shù)預(yù)測路面載荷狀況。多體系統(tǒng)利用ADAIvf進(jìn)行計算機(jī)仿真，從仿真中獲得結(jié)果文件用來分析路面載荷，結(jié)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(yù)測方法。對汽車前懸架利用模態(tài)應(yīng)力法和準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力法預(yù)測懸架結(jié)構(gòu)壽命。在對懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行多軸準(zhǔn)靜態(tài)的疲勞壽命預(yù)測中，不僅考慮由于結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的應(yīng)力，還考慮了結(jié)構(gòu)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(xué)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(jié)論：基于結(jié)構(gòu)切向力(CuttingForce)的結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測容易導(dǎo)致不真實的結(jié)果；基于模態(tài)應(yīng)力法可以比較準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)構(gòu)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(jìn)行剛、柔體混合建模及多體動力學(xué)分析，同時增加了結(jié)構(gòu)的耐久性評估。研究對象選擇的是一輛小型客車，動應(yīng)力分析使用MSC.NASTRAN，對于結(jié)構(gòu)的危險區(qū)域的疲勞壽命采用局部應(yīng)變法進(jìn)行預(yù)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(jié)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(jìn)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(yīng)力歷程結(jié)果，因此這種方法可以在設(shè)計的早期階段實施。Sigmund Kyrrre As(2002)在其博士論文中結(jié)合鋁合金汽車懸架，系統(tǒng)闡述了結(jié)構(gòu)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(yù)測結(jié)構(gòu)疲勞壽命并和臨界面法的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了比較。文中采用FEDEM進(jìn)行動力學(xué)仿真，利用nSoft進(jìn)行懸架的疲勞壽命預(yù)測。利用MATLAB對動載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)有限元模型的準(zhǔn)確度極大的影響著結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測的精度，不同單元網(wǎng)格的劃分會導(dǎo)致壽命預(yù)測誤差達(dá)到幾倍。Gerber的平均應(yīng)力修正法要比Goodman和SWT(Smith-Watson-Topper)修正法的壽命預(yù)測結(jié)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(jié)合多體動力學(xué)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(kuò)展分析軟件FLAGRO對軍用拖車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測。主應(yīng)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(shù)。還利用時頻復(fù)現(xiàn)技術(shù)，將路面譜PSD轉(zhuǎn)化為路面的時間激勵數(shù)據(jù)，將此結(jié)果和采用實際加速度測試的軌道譜進(jìn)行對比，表明該方法是有效的。 Mika(2003)在基于名義應(yīng)力和熱點應(yīng)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(jié)構(gòu)的損傷參數(shù)主要以主應(yīng)力范圍、最大剪應(yīng)力范圍和修改的臨界面模型為主進(jìn)行壽命分析。 Shinichi CHIBA， Kimihiko AOYAMA和Kenji YANBU(2003)以卡車司機(jī)室為例，介紹了通過多體動力學(xué)仿真獲得司機(jī)室輸入載荷，結(jié)合有限元分析進(jìn)行司機(jī)室結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測的方法。多體動力學(xué)仿真采用ADAMS，有限元軟件使用MSC.NASTRAN，疲勞壽命預(yù)測采用FALLANCS軟件等。得出的結(jié)論是考慮彈性體模型的多體仿真結(jié)果可以使得司機(jī)室的輸入載荷具備足夠精度，并且基于多體仿真結(jié)果的應(yīng)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(jié)構(gòu)疲勞進(jìn)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(jié)論是直接利用結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度測試結(jié)果研究車體結(jié)構(gòu)疲勞結(jié)果是不準(zhǔn)確的，應(yīng)該采用動載荷測試方法。阿久津勝則等(1994)在混合結(jié)構(gòu)車體強(qiáng)度評價試驗中主要對車體在垂直靜載下的疲勞強(qiáng)度試驗做了研究。具體方法是除了在車體上施加標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(dāng)于0.98 m/s2加速度的動態(tài)垂直交變載荷。疲勞強(qiáng)度的評價標(biāo)準(zhǔn)是以疲勞試驗前后所進(jìn)行的靜載荷試驗測定的應(yīng)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(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，目前國外對一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，尤其車輛結(jié)構(gòu)(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(xué)仿真和有限元分析相結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)仿真和有限元方法相結(jié)合的手段可以有效地預(yù)測結(jié)構(gòu)疲勞特性。4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展 國內(nèi)機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)零部件，如轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，車軸等的抗疲勞設(shè)計上。一般使用常規(guī)無限壽命設(shè)計方法對零部件危險點或危險截面進(jìn)行疲勞強(qiáng)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(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度滿足與否的重要判斷依據(jù)。下面結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)對國內(nèi)疲勞的研究狀況進(jìn)行簡單的論述： 北京交通大學(xué)繆龍秀、孫守光、呂澎民等對提速客車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架應(yīng)力譜的測試方法，疲勞危險部位的確定及應(yīng)力譜編制方法等進(jìn)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(jié)構(gòu)在隨機(jī)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(gòu)架進(jìn)行了實例計算，并將恒幅載荷下的計算結(jié)果對焊接轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)可靠性疲勞壽命的預(yù)估方法進(jìn)行了深入的研究。劉志明在其博士論文中對隨機(jī)載荷下焊接構(gòu)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(xué)研究院王成國等在計算機(jī)虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，以CAD， FEM和MBS為基礎(chǔ)，對新型的高速客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行詳細(xì)的動應(yīng)力分析，并根據(jù)這些動應(yīng)力，應(yīng)用MSC.FATIGUE分析預(yù)測構(gòu)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(zhuǎn)8A轉(zhuǎn)向架側(cè)架為例，介紹了有限元技術(shù)應(yīng)用于構(gòu)件疲勞壽命分析的過程，按照準(zhǔn)靜態(tài)分析法將有限元分析得到的靜態(tài)應(yīng)力與實際測量的載荷時間歷程相結(jié)合得到模型上各點的應(yīng)力時間歷程，結(jié)合ZG230-450材料的S-N關(guān)系曲線進(jìn)行側(cè)架結(jié)構(gòu)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(xué)虞麗娟、沈鋼、于慧等根據(jù)機(jī)車實際運行環(huán)境，用計算機(jī)仿真方法計算機(jī)車結(jié)構(gòu)部件的動態(tài)響應(yīng)，從而預(yù)測其疲勞壽命的方法，其中對SS-8B機(jī)車的牽引桿的疲勞壽命進(jìn)行了估算。原蘭州鐵道學(xué)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(xué)趙永翔提出了疲勞“有效短裂紋準(zhǔn)則”與“逆序局部觀測法”等成果。米彩盈提出BO-BO軸式機(jī)車轉(zhuǎn)向架焊接輕型化評定準(zhǔn)則，根據(jù)構(gòu)架整體結(jié)構(gòu)有限元法，用邊界元分析構(gòu)架側(cè)梁下蓋板橫向?qū)雍缚p的應(yīng)力分布，分析構(gòu)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(jié)合頻域和時域?qū)C(jī)車車輛關(guān)鍵零部件的疲勞壽命進(jìn)行了相關(guān)研究。梁紅琴等對貨車車軸在時域進(jìn)行了隨機(jī)載荷作用下貨車車軸的疲勞應(yīng)力計算。 從這些鐵路相關(guān)文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)的疲勞研究主要集中在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零部件的疲勞研究上，如結(jié)合構(gòu)架動應(yīng)力實測數(shù)據(jù)對其進(jìn)行頻譜分析，最后計算構(gòu)架疲勞。 國內(nèi)其他領(lǐng)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(yīng)力求解的過程，并以客車骨架為例給出了計算動應(yīng)力的步驟。姚一龍、李遏和薛濤明等計算了汽車結(jié)構(gòu)在不同類型路譜激勵下的位移、加速度動應(yīng)力響應(yīng)。董保童等對隨機(jī)振動載荷作用下的飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算進(jìn)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(jìn)的BP網(wǎng)絡(luò)對疲勞壽命的計算進(jìn)行仿真。田宏辰等建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)面法模擬疲勞裂紋擴(kuò)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(biāo)。孫凌玉利用計算及仿真技術(shù)預(yù)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(jī)應(yīng)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(yīng)變信號的統(tǒng)計分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵測點動應(yīng)力大于3。值的概率給出一種結(jié)構(gòu)動強(qiáng)度評價的簡單方法。疲勞裂紋擴(kuò)展隨機(jī)模型及相關(guān)理論在一些文獻(xiàn)中也得到較為詳細(xì)的闡述。西南交通大學(xué)繆炳榮的博士論文中首次對隨機(jī)動載作用下的機(jī)車車體結(jié)構(gòu)利用多體動力學(xué)仿真和有限元分析相結(jié)合的方法進(jìn)行較為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)疲勞仿真研究。建立了整車的多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真、有限元分析和疲勞壽命預(yù)測的物理模型和數(shù)學(xué)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(zhuǎn)換方法。利用子結(jié)構(gòu)和模態(tài)分析技術(shù)以及多體動力學(xué)仿真與有限元分析接口程序FEMBS，研究機(jī)車車體結(jié)構(gòu)柔性影響。利用WAFO技術(shù)結(jié)合FE-Fatigue進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測。即根據(jù)隨機(jī)過程的雨流矩陣分布和馬爾可夫鏈隨機(jī)過程理論，對車體結(jié)構(gòu)動應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，并進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測。5. 結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計思想 結(jié)構(gòu)疲勞主要以結(jié)構(gòu)零部件、焊接接頭及整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為研究對象，研究結(jié)構(gòu)疲勞性能、抗疲勞設(shè)計、壽命估算和疲勞試驗方法，還包括研究結(jié)構(gòu)形狀尺寸和工藝因素的影響以及提高結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的方法。結(jié)構(gòu)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(zhǔn)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(yù)測結(jié)構(gòu)疲勞壽命。經(jīng)常承受復(fù)雜應(yīng)力時間歷程的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)疲勞壽命包括裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展兩個階段。5.1 名義應(yīng)力法名義應(yīng)力法，也稱S-N曲線法或應(yīng)力壽命法(Stress-life Method )，是最早形成的抗疲勞設(shè)計方法。主要以材料或零件的S-N曲線為基礎(chǔ)，對照試件或結(jié)構(gòu)疲勞危險部位的應(yīng)力集中系數(shù)和名義應(yīng)力，按照疲勞累積損傷理論，校核疲勞強(qiáng)度或計算疲勞壽命。5.2 S-N曲線定義結(jié)構(gòu)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(yīng)力或應(yīng)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(xué)性能和施加的應(yīng)力水平。當(dāng)材料的強(qiáng)度極限愈高，外加的應(yīng)力水平愈低，試樣的疲勞壽命就愈長；反之，疲勞壽命愈短。應(yīng)力水平和標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞壽命之間的關(guān)系曲線稱為材料S-N曲線。5.3 平均應(yīng)力及其修正 大量研究文獻(xiàn)表明，應(yīng)力時間歷程中的平均應(yīng)力很大程度上影響著結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估的準(zhǔn)確性，且拉伸平均應(yīng)力縮短了疲勞壽命，而壓縮平均應(yīng)力可以增加疲勞壽命，也就是說拉伸平均應(yīng)力比壓縮平均應(yīng)力更容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞。且當(dāng)應(yīng)力幅值給定時，循環(huán)載荷中的拉伸部分增大，對于結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展會產(chǎn)生負(fù)面效果，使得結(jié)構(gòu)疲勞壽命降低。平均應(yīng)力產(chǎn)生的影響可以在不同平均應(yīng)力下通過試件的試驗進(jìn)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(yīng)力的應(yīng)力幅值去修正實際應(yīng)力幅值。在nSoft的應(yīng)力壽命模塊(SLF，Stress-LifeFatigue)中，可以利用Goodman和Gerber應(yīng)力修正。5.4 焊接疲勞焊接結(jié)構(gòu)疲勞預(yù)測的基本方法主要包括四種：名義應(yīng)力C Norminal Stress)法；結(jié)構(gòu)應(yīng)力(Structure Stress)法；有效切口應(yīng)力( Effective Notch Stress)法；線彈性斷裂力學(xué)(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(shè)，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(yīng)力水平下的疲勞損傷是獨立進(jìn)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(rèn)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(guān)，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(chǔ)，也是估算變應(yīng)力幅值下的安全疲勞壽命的關(guān)鍵理論。在疲勞過程中初期材料內(nèi)的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化和后期裂紋形成和擴(kuò)展中，當(dāng)材料承受高于疲勞極限的應(yīng)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(dǎo)致的結(jié)構(gòu)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(xué)者們提出來。由于傳統(tǒng)的S-N和E-N法主要是針對主應(yīng)力或主應(yīng)變。當(dāng)載荷方向發(fā)生改變或應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)不同于單軸條件時，這種方法就不能有效預(yù)測結(jié)構(gòu)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(yīng)力應(yīng)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(yīng)變、最大主應(yīng)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(yīng)變法，能量密度法等。5.5.2 雨流計數(shù)法 常規(guī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(jìn)行疲勞循環(huán)計數(shù)，將變化的載荷時間歷程轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)疲勞分析與應(yīng)力測試結(jié)果的處理。疲勞壽命估算和疲勞試驗結(jié)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(guān)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(yīng)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(yīng)。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(jié)構(gòu)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(yīng)力應(yīng)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(yīng)，且認(rèn)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(yīng)力應(yīng)變的遲滯回線，即一個個封閉的遲滯環(huán)。5.6 結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算方法傳統(tǒng)疲勞設(shè)計方法中，評估結(jié)構(gòu)疲勞壽命多數(shù)為循環(huán)載荷法，即根據(jù)線彈性結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)情況下的有限元分析結(jié)果，結(jié)合材料S-N曲線進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞分析。具體說計算多種組合載荷作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，找出結(jié)構(gòu)危險位置應(yīng)力/應(yīng)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(guān)疲勞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和手冊。缺點是采用各向動載荷系數(shù)的準(zhǔn)確性，可能極大的影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確度；且傳統(tǒng)方法只能確定結(jié)構(gòu)的疲勞壽命是否滿足基本疲勞設(shè)計要求，不能具體預(yù)測結(jié)構(gòu)疲勞壽命時間或運行公里數(shù)等。5.6.1 結(jié)構(gòu)壽命評估的應(yīng)力分析 結(jié)構(gòu)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(kuò)展階段壽命估算兩部分。要獲得準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)疲勞壽命首先需要準(zhǔn)確的載荷歷程，即對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力/應(yīng)變的分析計算，了解隨機(jī)動應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)危險部位的疲勞損傷狀況，它可以分別在時域和頻域進(jìn)行。當(dāng)然與線路試驗獲得結(jié)構(gòu)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(zhǔn)確得多。但是實際測量結(jié)構(gòu)隨機(jī)動載的前提是必須要有物理樣機(jī)lzl，因此利用多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析可以獲得結(jié)構(gòu)載荷時間歷程成為當(dāng)前一種有效方法。下面對結(jié)構(gòu)有限元疲勞評估中的應(yīng)力分析方法先進(jìn)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(jié)構(gòu)部件得應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果：1）標(biāo)準(zhǔn)的時域法，包括準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力分析法；2）復(fù)雜的時域法，包括瞬態(tài)動力學(xué)分析法；3）一般的頻域法，包括諧響應(yīng)(應(yīng)力)分析法；4）復(fù)雜的頻域法，包括隨機(jī)振動應(yīng)力分析法，主要采用譜分析方法。5.6.2 結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測 結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測也可以利用下面的兩種方法進(jìn)行。 1）利用標(biāo)準(zhǔn)的時域方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)壽命計算。其主要過程是：首先計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)的應(yīng)力/應(yīng)變時間歷程，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)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(jié)構(gòu)疲勞壽命。結(jié)構(gòu)壽命評估的應(yīng)力分析可以采用準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力法或瞬態(tài)應(yīng)力分析法。 2）基于頻域的統(tǒng)計參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)壽命計算。其主要過程包括：首先對結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行頻響分析，求得載荷與結(jié)構(gòu)上應(yīng)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(yīng)力功率譜密度函數(shù)；評估指定應(yīng)力范圍的循環(huán)數(shù)；最后使用相關(guān)方法由應(yīng)力功率譜推算結(jié)構(gòu)壽命。結(jié)構(gòu)壽命評估的應(yīng)力分析可以采用諧響應(yīng)分析法和隨機(jī)振動應(yīng)力分析法。6. 車體結(jié)構(gòu)可靠性疲勞壽命評估根據(jù)車體結(jié)構(gòu)動應(yīng)力實測結(jié)果和采用多體動力學(xué)與有限元法仿真獲得的車體結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)變歷程都可以計算車體結(jié)構(gòu)的損傷及其疲勞壽命，主要步驟包括：車體結(jié)構(gòu)應(yīng)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(zhǔn)則的選擇等。論文提出預(yù)測車體結(jié)構(gòu)疲勞壽命方法的基本計算流程如下：l 建立準(zhǔn)確的車體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力計算的效率和精度。l 通過機(jī)車多體動力學(xué)仿真或動應(yīng)力測試數(shù)據(jù)采集方法構(gòu)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(jìn)行有效識別，然后使用精細(xì)網(wǎng)格對指定危險點區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)網(wǎng)格劃分和應(yīng)力分析。l 獲得危險點位置的應(yīng)力/應(yīng)變歷程。l 分析載荷歷程，主要考慮：Von Mises應(yīng)力(如果危險點處產(chǎn)生屈服和塑性變形，就要進(jìn)行彈塑性修正)；主應(yīng)力(Principal Stress)；剪切應(yīng)力(Shear Stress)；二軸率(Biaxial Ratio，二軸率是最小應(yīng)力和最大應(yīng)力的比值)；應(yīng)變張量的遷延性(Mobility of The StrainTensor)等。l 根據(jù)研究問題復(fù)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(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)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(jìn)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(jìn)行車體結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測，它包含基于單軸應(yīng)力和應(yīng)變的疲勞評估方法。FE-FATIGUE有兩種基本輸入類型，即應(yīng)變儀(StrainGauge)歷程結(jié)果文件和有限元分析獲得節(jié)點應(yīng)力或應(yīng)變結(jié)果文件。應(yīng)力應(yīng)變分析，簡稱SSA ( Stress-Strain Analysis)可以對幾種類型的結(jié)果文件進(jìn)行操作以及發(fā)現(xiàn)其主要特性，如主應(yīng)變、剪切應(yīng)變等的計算。應(yīng)力壽命和應(yīng)變壽命模塊可以分別稱為應(yīng)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(yīng)力或應(yīng)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(yīng)力/應(yīng)變分析并不適合復(fù)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(yīng)變花，使用一到幾個多軸損傷模型預(yù)鍘復(fù)雜載荷作用下的疲勞壽命。論文對車體結(jié)構(gòu)在FE-FATIGUE中基于應(yīng)力的安全因子分析，獲得車體結(jié)構(gòu)的安全因子和結(jié)構(gòu)損傷分布。7. 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架可靠性疲勞壽命評估構(gòu)架疲勞壽命具體分析流程如下：l 根據(jù)構(gòu)架的靜強(qiáng)度分析結(jié)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(gòu)架的疲勞評估點的位置；l 在載荷譜的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)化得到評估點的應(yīng)力譜或者動應(yīng)力實測數(shù)據(jù)，通過WAFO雨流技術(shù)獲得該點的應(yīng)力幅值譜；l 根據(jù)評估點所在焊接接頭類型細(xì)節(jié)，在IIW標(biāo)準(zhǔn)或者BS7608標(biāo)準(zhǔn)中選擇對應(yīng)的S-N曲線及相關(guān)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(yīng)力譜所對應(yīng)的構(gòu)架運行里程數(shù)，求出構(gòu)架的設(shè)計壽命(里程)。7.1 疲勞裂紋擴(kuò)展分析 上述工作完成后還要進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展分析。疲勞壽命預(yù)測的斷裂力學(xué)方法是基于裂紋擴(kuò)展的分析。應(yīng)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(xué)方法假設(shè)樣本有初始裂紋存在。7.1.1 焊接缺欠的疲勞失效標(biāo)準(zhǔn)評定方法實際焊接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的合用性，已經(jīng)制定了數(shù)種標(biāo)準(zhǔn)，并且經(jīng)過實踐證明是可行的。這些標(biāo)準(zhǔn)的主要依據(jù)是斷裂力學(xué)基于BS7910：金屬結(jié)構(gòu)裂紋驗收評定方法指南標(biāo)準(zhǔn)和我國的GB/T19624-2004：在用含缺欠壓力容器安全評定標(biāo)準(zhǔn)。7.1.2 構(gòu)架耐久性裂紋擴(kuò)展壽命計算構(gòu)架可靠性裂紋擴(kuò)展壽命的計算，可以為構(gòu)架在實際運營過程中制定合理的檢修周期提供建議，構(gòu)架的有限元模型采用ANSYS軟件中板殼單元來進(jìn)行。7.2 構(gòu)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(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度影響方面，隨著振動模態(tài)理論及其相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，人們早已改變了僅僅依靠靜強(qiáng)度理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的觀念。研究表明，車輛承載結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度設(shè)計并不滿足良好的振動特性，因此需要對車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)設(shè)計和對動態(tài)性能進(jìn)行評定。應(yīng)用模態(tài)分析的方法研究由于振動引起的疲勞強(qiáng)度問題是目前廣泛采用的研究手段。構(gòu)架結(jié)構(gòu)在運行中大量遇到的是動應(yīng)力問題，增加靜強(qiáng)度并不能解決這類問題，必須應(yīng)用動力分析方法綜合判斷承載結(jié)構(gòu)在實際振動條件下的強(qiáng)度問題。有必要利用振動和疲勞理論研究構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度特別是固有頻率和振型與結(jié)構(gòu)疲勞特性之間的作用機(jī)理?？梢岳媚B(tài)疊加法思想研究構(gòu)架模態(tài)對其疲勞壽命的影響，為控制構(gòu)架的模態(tài)，避免有害模態(tài)的出現(xiàn)提供參考。7.3 構(gòu)架可靠性參數(shù)靈敏度分析 通過建立構(gòu)架的參數(shù)化有限元模型，選取構(gòu)架的材料屬性、幾何參數(shù)和載荷等作為隨機(jī)變量，通過統(tǒng)計分析得到其分布參數(shù)；以構(gòu)架一母材和焊縫部位疲勞薄弱環(huán)節(jié)的最大主應(yīng)力與其許用疲勞強(qiáng)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(zhuǎn)向架構(gòu)架的可靠性參數(shù)靈敏度。依據(jù)分析結(jié)果，可以對影響構(gòu)架可靠性靈敏度比較大的隨機(jī)變量進(jìn)行控制和優(yōu)化，為設(shè)計高可靠性的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架提供參考。7.4 構(gòu)架加速壽命試驗方法分析加速壽命試驗是轉(zhuǎn)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(yù)測鐵道車輛關(guān)鍵部件的壽命，又可以定性的發(fā)現(xiàn)失效部位以便于設(shè)計改進(jìn)。考慮到鐵道車輛關(guān)鍵部件為大型焊接部件如轉(zhuǎn)向架構(gòu)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(gòu)架和構(gòu)架對應(yīng)焊接接頭進(jìn)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(gòu)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(zhuǎn)向架的可靠性進(jìn)行一個很系統(tǒng)的評估。針對我國鐵道客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架均采用鋼焊接結(jié)構(gòu)，滿足由于運行速度的提高、載荷的增大、頻率范圍的擴(kuò)大以及復(fù)雜的焊接接頭形式使得轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的承載變得十分惡劣情況下的要求。參考文獻(xiàn)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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