軌道車(chē)輛結(jié)構(gòu)疲勞概述講義

1、軌道車(chē)輛結(jié)構(gòu)疲勞概述問(wèn)題導(dǎo)入圖i鐵絲網(wǎng)我要自由！假設(shè)，您有一位非常要好的月1友被困在鐵絲網(wǎng)里（圖 1所示），吃得好，喝得好，但就是 渴望自由，想出來(lái)，可除了雙手沒(méi)任何工具，需要你幫他想個(gè)辦法！引q:逃脫簡(jiǎn)單，把鐵絲網(wǎng)弄破就行，我拿著的是他鐵絲網(wǎng)的一段，哪位同學(xué)幫他想辦 法扯斷逃脫？a同學(xué)：（使勁拽）b同學(xué)：（反復(fù)折）b同學(xué)反復(fù)折，很輕松地就折斷了！請(qǐng)同學(xué)們考慮一下，為什么 a同學(xué)使勁拽沒(méi)斷，b 同學(xué)輕輕地反復(fù)折就折斷了？這其中蘊(yùn)含的科學(xué)問(wèn)題，就是我們今天要講的疲勞。二、疲勞概述1.預(yù)備知識(shí)在講什么是疲勞之前，先回顧一下幾個(gè)概念。1）載荷（load）使材料或結(jié)構(gòu)（以下統(tǒng)稱(chēng)構(gòu)件）產(chǎn)生 內(nèi)力和變形的

2、外力及其它因素。更一般的，對(duì)構(gòu)件 工作性能產(chǎn)生不良影響的 外在因素，統(tǒng)稱(chēng)為載荷，比方說(shuō)常見(jiàn)的力、彎矩以及溫度、腐蝕載 荷等。2）應(yīng)變、應(yīng)力（strain, stress當(dāng)構(gòu)件在外力作用下不能自由移動(dòng)時(shí)，它的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化（也即變形），構(gòu)件一點(diǎn)處的變形程度稱(chēng)為應(yīng)變（strain）。應(yīng)變描述：線應(yīng)變 z =（名義應(yīng)變，或稱(chēng)工程應(yīng)變） s角應(yīng)變 =: , 1構(gòu)件發(fā)生形變時(shí)內(nèi)部某一截面 m產(chǎn)生了大小相等、方向相反的反作用力以抵抗（平衡）任稱(chēng)為內(nèi)力。把內(nèi)力在一點(diǎn)的分布集度，即單位面積外力，與外載荷相對(duì)應(yīng)，該反作用力 上的內(nèi)力，稱(chēng)為應(yīng)力（stress。應(yīng)力描述:afpm 二二7aa（名義應(yīng)力，也

3、稱(chēng)工程應(yīng)力）c - 1af即一工df +,（真實(shí)應(yīng)力） da（3）動(dòng)、靜載荷（應(yīng)力、應(yīng)變）根據(jù)隨時(shí)間的變化情況，載荷又分為靜載荷 （static load）與動(dòng)載荷（dynamic load or fatigueload）。隨時(shí)間不變化或者變化非常緩慢的載荷，稱(chēng)為靜載荷，反之稱(chēng)為動(dòng)載荷（也稱(chēng)交變載 荷）。相應(yīng)的，應(yīng)力與應(yīng)變也有動(dòng)、靜之分。靜載荷動(dòng)載荷q：變化與不變化好理解，變化非常緩慢”怎么理解和界定？a:先看個(gè)例子，如圖7所示的承載系統(tǒng)，由可伸縮桿 a和桿b組成，其中桿a長(zhǎng)1.0 米，極限承受載荷為40kn,最大壓縮量為0.2米；桿b長(zhǎng)為0.9米，極限載荷為30kn,最 大壓縮量為0.1米。

4、外載荷f為動(dòng)態(tài)加載，變化范圍為050kn,為該承載系統(tǒng)是否安全？圖7承載系統(tǒng)分析：桿a比桿b高0.1米，說(shuō)明加載開(kāi)始時(shí)整個(gè)系統(tǒng)由桿 a獨(dú)立承載，這時(shí)如果載荷 f加載過(guò)快而超過(guò)其極限載荷的話，桿 a會(huì)瞬間斷裂，而使桿b獨(dú)立承載，由于此時(shí)的載荷 已超過(guò)桿b的極限載荷，所以桿b在承載的瞬間也斷裂；相反的，如果一開(kāi)始 f變化緩慢， 桿a在被壓縮0.1米之前所受的載荷沒(méi)有超過(guò)其極限載荷，f再增加時(shí)則由桿a、b共同承 載，從而保證了系統(tǒng)的安全。“變化非常緩慢”的目的，是讓外部載荷在構(gòu)件內(nèi)部得到充分的分配，以最大限度地發(fā) 揮構(gòu)件的承載能力。具體到加載速率則是由材料、結(jié)構(gòu)形狀以及載荷類(lèi)型等因素決定。注：本例中

5、承載不均勻現(xiàn)象就是下文所講的應(yīng)力集中。2.疲勞定義好了，現(xiàn)在討論一下什么是疲勞（fatigue）。之所以用 討論”，是因?yàn)殛P(guān)于疲勞國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù) 界至今還沒(méi)有統(tǒng)一的定義。我們先看一下比較有代表性的教材與文獻(xiàn)中對(duì)疲勞是怎么闡述或 定義的：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（金屬疲勞試驗(yàn)的一般原理,1964）金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫疲勞；雖然在一般情況下，這 個(gè)術(shù)語(yǔ)特指那些導(dǎo)致開(kāi)裂或破壞的性能變化。美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì) （astm e206-72,1972）the process of progressive localized permanent structural change occurr

6、ing in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations.在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的 材料中發(fā)生的局部、永久性 結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過(guò)程，稱(chēng)為疲勞。徐激（ 19191999）概率疲勞，1994材料

7、、零件（構(gòu)件）在循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變的作用下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)逐漸產(chǎn)生 局部的、永 久的結(jié)構(gòu)變化，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋或繼續(xù)擴(kuò)展直到完全斷裂的現(xiàn)象，稱(chēng)為疲勞。（徐激，教授，博士生導(dǎo)師，東北工學(xué)院，我國(guó)第一部疲勞方面的專(zhuān)著一疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)）趙少汴（ 1932）、王忠保一抗疲勞設(shè)計(jì)方法與數(shù)據(jù)，1997材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變 的作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生 局部永久性累計(jì)損傷，經(jīng)歷一 定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程。（稱(chēng)為疲勞）（趙少汴，教授級(jí)高工，機(jī)械工業(yè)部鄭州機(jī)械研究所）（高鎮(zhèn)同院士對(duì)于疲勞的定義，暫時(shí)沒(méi)有找到，待添）姚衛(wèi)星（ 1957）結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析，2003金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反

8、復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫疲勞；雖然在一般情況下，這 個(gè)術(shù)語(yǔ)特指那些導(dǎo)致開(kāi)裂或破壞的性能變化。（姚衛(wèi)星，教授，博士生導(dǎo)師，南京航空航天大學(xué)）李守新一高強(qiáng)度鋼超高周疲勞性能非金屬夾雜物的影響，2010材料疲勞是指材料在循環(huán)載荷作用下的損傷和破壞。金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫疲勞（李守新，研究員，博士生導(dǎo)師，材料疲勞與斷裂國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任）尚德廣（ 1963）一多軸疲勞強(qiáng)度，2007疲勞是指材料或零件在循環(huán)作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間發(fā)生突然脆性斷裂的現(xiàn)象（尚德廣，北京工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，我國(guó)第一部多軸疲勞方面的專(zhuān)著）維基百科（英文）一2013in materials sci

9、ence,fatigue is the progressive and localized structural damage that occurs when a material is subjected to cyclic loading. the nominal maximum stress values are less than the ultimate tensile stress limit, and may be below the yield stress limit of the material.在材料學(xué)領(lǐng)域，疲勞是指在循環(huán)載荷下，最大名義應(yīng)力小于斷裂極限、甚至比屈服極

10、限 還要低的情況下，材料發(fā)生的局部、永久性結(jié)構(gòu)損傷。看了那么多定義，有說(shuō) 現(xiàn)象是疲勞”的，也有說(shuō)過(guò)程是疲勞”的，有同學(xué)可能疑惑了： 到底什么是疲勞？再回答這個(gè)問(wèn)題之前，讓我們?cè)俅位氐剑_(kāi)始的 折鐵絲”的案例。我們說(shuō)一個(gè)定義要抓住事物的“最本質(zhì)特征”。對(duì)比一下a、b同學(xué)的折鐵絲的方法，最 本質(zhì)的區(qū)別有2點(diǎn)：1）反復(fù)折，2）容易折斷，也即抵抗破壞的能力 一強(qiáng)度降低了。因此， 我們就可以給疲勞下一個(gè)自己的定義趙懷瑞（ 1977）車(chē)輛結(jié)構(gòu)疲勞講座，2013在交變應(yīng)力或應(yīng)變作用下構(gòu)件抵抗破壞能力下降的現(xiàn)象，稱(chēng)為疲勞;相應(yīng)的，由疲勞現(xiàn)象導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的最終破壞（或失效）稱(chēng)之為疲勞破壞（失效）。關(guān)于我們的定義，請(qǐng)

11、同學(xué)們思考：1）在對(duì)疲勞的定義中，為什么不用交變載荷？2） “抵抗能力下降”與以往定義中的“結(jié)構(gòu)變化”、“損傷”之間的關(guān)系？3）本定義對(duì)疲勞破壞的“過(guò)程性”是怎么體現(xiàn)的？3 .疲勞特征好了，通過(guò)上述對(duì)疲勞定義的分析，我們反過(guò)來(lái)再總結(jié)一下疲勞有哪些特征。1）交變應(yīng)力、應(yīng)變（載荷）q1：載荷與應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系，或者說(shuō)靜載荷是否就一定產(chǎn)生靜應(yīng)力、應(yīng)變？a1:不一定，除了載荷外還要看 受力方位（?）是否變化。以勻速運(yùn)行中的火車(chē)輪對(duì)為 例，其所受的力f與扭矩切是不變的（圖8 a）,然而由于輪對(duì)是旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)的，就造成了車(chē)軸 表面上的一點(diǎn)在上方時(shí)受拉應(yīng)力，而轉(zhuǎn)到下方時(shí)則受壓應(yīng)力，其實(shí)際的應(yīng)力時(shí)間歷程如圖8 b

12、） 所示。車(chē)軸b）車(chē)輪腹板某點(diǎn)應(yīng)力a）輪對(duì)受力圖8輪對(duì)受力示意圖q2:是不是有交變載荷就一定會(huì)產(chǎn)生疲勞？或者說(shuō)，疲勞發(fā)生時(shí)，交變載荷是否有一個(gè)區(qū)間范圍?a2:是的，構(gòu)件所受的交變載荷在一定的區(qū)間范圍內(nèi)才發(fā)生疲勞。交變載荷的上限，這 個(gè)不難理解，當(dāng)載荷達(dá)到一定值，比方說(shuō)斷裂極限，構(gòu)件就瞬間就斷了，為靜態(tài)斷裂，不是 疲勞對(duì)吧？我們主要分析一下下限。早期對(duì)構(gòu)件應(yīng)力與壽命的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)載荷小到一定的值v,經(jīng)歷無(wú)限次循環(huán)后 構(gòu)件也不會(huì)發(fā)生破壞，把 v的最大值稱(chēng)為構(gòu)件的疲勞極限（圖 9 a） 在近幾年的超高周疲勞研究中，疲勞極限有些弱化，甚至有些研究結(jié)果中就沒(méi)有出現(xiàn)疲勞極 限（圖9 b）06od1u7

13、 i 臚(m)w)(m)4 j 21miihja）低周疲勞的s-n曲線b）超高周疲勞的s-n曲線圖9典型材料的s-n曲線但是，我們要明確這個(gè)極限確是存在的。比方說(shuō)，對(duì)于剛開(kāi)始折鐵絲的例子，我采取吹 的辦法，從這邊吹一下，再?gòu)倪@邊吹一下，是不是交變載荷？是！但是能吹斷不？永遠(yuǎn)不能！至于下限的具體值，和構(gòu)件的材料、形狀以及載荷類(lèi)型等因素有關(guān)。通常情況下，金屬的疲勞脆性破壞通常產(chǎn)生于最大彈性載荷極限1/21/4的情況下；少數(shù)情況下，材料在受到小于1/8的彈性載荷極限的情況也可能發(fā)生疲勞破壞。引q:交變載荷不一定產(chǎn)生疲勞，如何判斷一個(gè)構(gòu)件是否疲勞破壞？在回答上述問(wèn)題之前，先看一張圖片（圖10）。從圖1

14、0中，可以看出一圈圈的同心圓環(huán),植物學(xué)上稱(chēng)為年輪。它是樹(shù)木在成長(zhǎng)的過(guò)程中，隨著季節(jié)、氣候、降雨量等因素變化（交變 載荷），而留下的時(shí)間痕跡。這些痕跡里邊包含了大量的氣候、天文、醫(yī)學(xué)和環(huán)境等方面的歷史信息，甚至在歷史考古、林業(yè)研究、地質(zhì)和公安破案等方面，年輪也起著重要的作用。對(duì)于承受交變載荷的構(gòu)件，是否也會(huì)留下一些時(shí)間上的痕跡呢？答案是肯定的。同樹(shù)的年輪一樣，我們也可以通過(guò)對(duì)斷口 “痕跡”的分析，獲得構(gòu)件載荷、裂紋萌生及裂紋擴(kuò)展等 信息，根據(jù)這些信息就可以進(jìn)一步判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了疲勞破壞。圖10樹(shù)的年輪2）斷口特征至于疲勞斷口 “痕跡”的具體特征，這節(jié)課暫時(shí)不講，等大家課后做完折鐵絲的試驗(yàn)后 再

15、做討論。3）過(guò)程性、局部性、所謂的過(guò)程性，是指疲勞斷裂不同于靜強(qiáng)度的瞬間斷裂，而是經(jīng)歷了裂紋萌生、擴(kuò)展與 瞬間斷裂的過(guò)程。靜載下的破壞，取決于結(jié)構(gòu)整體；疲勞破壞則由應(yīng)力或應(yīng)變較高的局部開(kāi)始（也即局部 性），形成損傷并逐漸累積，導(dǎo)致破壞發(fā)生。構(gòu)件應(yīng)力集中處，常常是疲勞裂紋的起源。因此, 設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)要注意細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，盡可能減小應(yīng)力集中。4）低應(yīng)力、突發(fā)性疲勞斷裂時(shí)，整體載荷水平較低，沒(méi)有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒(méi)有預(yù)兆，而是突然破壞。q:有文獻(xiàn)講“疲勞發(fā)生在應(yīng)力小于斷裂極限、甚至比屈服極限還要低的情況下”，怎么理解？a:在概念回顧的時(shí)候講過(guò)，描述一點(diǎn)的應(yīng)力有兩種方式，其中之一是采取局部或整體平均的

16、名義應(yīng)力法，它反映的是區(qū)域或整體的平均受載情況，并非某點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)。我們 知道疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)，裂紋前端的（真實(shí)）應(yīng)力一定超過(guò)斷裂極限后才會(huì)導(dǎo)致裂紋的繼續(xù)擴(kuò) 展，所以您說(shuō)文獻(xiàn)中的“應(yīng)力”是一個(gè)平均應(yīng)力的概念。引q:大家猜一猜，最為一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者或用戶(hù)，最關(guān)心的是疲勞的哪個(gè)特征？a:低應(yīng)力、突發(fā)性是的！也正是疲勞的這個(gè) 低應(yīng)力、突發(fā)性”的特性導(dǎo)致了大量的結(jié)構(gòu)斷裂事故，有些甚 災(zāi)是災(zāi)難。先看一下幾乎所有的疲勞課都要講的兩個(gè)災(zāi)難性事故4 .疲勞危害1）美國(guó)航天飛機(jī)的爆炸事故美國(guó)是世界航空航天技術(shù)大國(guó)，也是絕對(duì)霸權(quán)國(guó)。截止目前，共建有 5架航天飛機(jī)，起 落100多次，而這中就發(fā)生了兩起爆炸解體事故。

17、第一次發(fā)生在 1986年，挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī) 升空僅76秒就發(fā)生爆炸。第二次是2003年，哥倫比亞號(hào)在落地過(guò)程中發(fā)生爆炸解體。圖11哥倫比亞號(hào)事故事故調(diào)查表明，兩起爆炸事故的原因都是結(jié)構(gòu)的疲勞!家航天飛機(jī)的造價(jià)超過(guò)20億美元，更重要的是人的生命與一個(gè)國(guó)家顏面用錢(qián)是難以衡量的！現(xiàn)在轉(zhuǎn)向我們所從事的軌道車(chē)輛領(lǐng)域。2） ice高速列車(chē)脫軌事故我們先看一個(gè)視頻。這個(gè)視頻講述的是發(fā)生在1998年6月3日慕尼黑開(kāi)往漢保的ice高速列車(chē)脫軌事故。事故中，第三節(jié)脫軌后與橋墩猛烈沖撞，使橋梁跨線橋部分坍塌墜落； 第4-5節(jié)拖車(chē)被坍塌的橋梁砸毀，后部第 6-12節(jié)拖車(chē)以最大的慣性沖撞擠壓在一起。圖 12 為事后的救

18、援圖片，非常慘烈。圖12 ice高速列車(chē)事故現(xiàn)場(chǎng)這次事故造成101人死亡，88人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失2億馬克，約合人民幣8.2億。事 后的調(diào)查報(bào)告表明，第一節(jié)拖車(chē) 3輪對(duì)的疲勞斷裂是罪魁禍?zhǔn)祝〕松鲜鰅ce脫軌事故外，國(guó)內(nèi)外還有很多，在此不再贅述。通過(guò)以上的事故案例，可以看出疲勞嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全，疲勞斷裂也給國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來(lái)巨大的影響。1982年美國(guó)商業(yè)部國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局受眾議院委托對(duì)調(diào)查斷裂疲勞對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的影響，發(fā)現(xiàn)斷裂使美國(guó)每年損失 1190億美元，占當(dāng)年國(guó)民生產(chǎn)總值的 4%。對(duì)如何降低 疲勞損失，該報(bào)告也從政府層面給出如下建議措施：1）向設(shè)計(jì)、制造人員普及疲勞及斷裂的基本知識(shí)，采取抗疲勞設(shè)計(jì)方法、注重細(xì)節(jié)等， 可以減少損失29% （約345億/年），這也是我們開(kāi)設(shè)這門(mén)課的原因之一。2）充分利用現(xiàn)有的疲勞研究成果，可再減少損失24% （約345億/年）剩余的47%,有待于基礎(chǔ)理論與方法，如疲勞產(chǎn)生機(jī)理、抗疲勞設(shè)計(jì)方法、關(guān)鍵部位裂紋在線檢測(cè)與實(shí)時(shí)預(yù)警等方面研究上的突破。自1829年德國(guó)工程師albert提出第一份關(guān)于鏈條疲勞問(wèn)題的研究報(bào)告以來(lái)， 在近2個(gè)世 紀(jì)里眾多研究人員和學(xué)者在疲勞領(lǐng)域做了大量的研究工作，為結(jié)構(gòu)安全和疲勞學(xué)科的發(fā)