（光学工程专业论文）c80b货车车体台架楤线路加载疲劳试验有效载荷研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着社会和国民经济的发展，我国业已进入了科技大发展的时代。而我国 铁路货车也在提速重载的方向上快速发展，目前，大同秦皇岛运煤专线也已经开 行了2 万吨重载列车。然而，自铁路货车实行提速重载发展以来，c s o b 货车车体 关键焊接结构多处发生了疲劳断裂损伤，给我国国民经济带来了巨大的损失。 目前，货车车体的疲劳损伤问题已经成为了制约货车车体技术发展的瓶颈之 一。货车车体主要由焊接结构组成，现在，获取货车车体焊接结构疲劳性能数据 主要通过模拟加载疲劳试验。国内齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司准备建造 车体疲劳试验台，该车体模拟线路加载试验台是一种在实验室条件下再现实测车 体应力时间历程，进而有效获取车体疲劳性能数据的现代试验方法，目前，该模 拟加载试验台尚没有实测线路上的载荷和相应的车体应力数据。 本文依据c s o b 货车车体在大秦线上的载荷测试、应力测试和车体以及摇枕加 速度测试，得到了c s o b 货车车体浮沉载荷、车钩纵向载荷、侧滚载荷和扭转载荷 的变化规律，以及相应的摇枕和车体加速度、车体应力变化规律；根据对实测数 据的分析，得到了各个应力测点的主载荷及其对应力测点的量化影响关系；验证 了典型工况下c 8 0 b 货车车体加速度与载荷之间的关系，计算了车体等效加速度， 并将其与e n l 2 6 6 3 规范规定值做对比，验证了车体加速度数据用于车体疲劳评价的 可行性；参照e n1 9 9 3 标准，结合焊接结构疲劳损伤理论，计算了各个应力测点的 损伤值和预测寿命；结合c s o b 车体焊接结构形式和实测载荷谱，确定了浮沉、车 钩、侧滚、扭转载荷的疲劳截止载荷，去除疲劳损伤截止载荷以下的载荷- 时间历 程，“浓缩 形成了各载荷的有效载荷时间历程，进一步建立了模拟加载疲劳试 验谱和模拟加载试验台应力校验标准。 关键词：c s o b 货车车体；模拟加载试验台；载荷谱；疲劳损伤；有效载荷；焊接 结构；损伤截止限 分类号：u 2 7 0 1 a b s t r a c t w i t ht h es o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t , c l l i n ah a se n t e r e dt h ee mo fg r e a t d e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 卫h ed e v e l o p m e n to f r a i l w a yt r u c k si sa l s oo n t h ed i r e c t i o no fh i g hs p e e da n dh e a v yl o a d a tp r e s e n t , d a t o n g - q i n h u a n g d a os p e c i a l r a i l w a yl i n e sf o rc a r r 咖gc o a lh a so p e n e d2 0 0 0 0t o nh e a v y1 0 a dt r a i n h o w e v e r , s i n c e t h ed e v e l o p m e n to fh i 曲s p e e da n dh e a v yl o a d ，c 8 0 bt r u c kb o d y sk e yw e l d i n g s t r u c t u r ed a m a g e do nm a n yo c c a s i o n sb e c a u s eo ff a t i g u ef r a c t u r e ，t h a th a sb r o u g h t 0 1 1 1 n a t i o n a le c o n o m yh u g el o s s e s a tp r e s e n t , f a t i g u ed a m a g eo ft r u c kb o d yh a sb 0 m eo n eo ft h eb o t t l e n e c k so f r e s t r i c t i n g0 1 1 1 t r u c ke q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t c h i n a sc u r r e n ts t r u c t u r e o ff r e i g h tc a ri sc o n s t r u c t e db yw l e d i n gp a r t s , i t sf a t i g u ed a t ai so b t a i n e db yc a rb o d y a n a l o gl i n et e s t i n g q i q i h a rr a i lt r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n tc o m p a n yi sg o i n gt o c o n s t r u c tt h ec a rb o d ya n a l o gl i n e 1 1 1 ec a rb o d ya n a l o gl i n ei sm e a s u r e di n l a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，i tc a nr e p r o d u c tt h et r u c kb o d y ss t r e s s t i m eh i s t o r y , t h e ng e t t h ef a t i g u ep e r f o r m a n c ed a t af o rt r u c kb o d ye f f e c t i v e l y , a tp r e s e n t , t h ec a rb o d y a n a l o gl i n eh a sn o ty e tm e a s u r e dt h et r u c kb o d yl o a da n dt h ec o r r e s p o n d i n gs t r e s s d a t a sp a p e rt a k et h ec s o bt r u c kb o d ya st h es t u d yo b j e c t ，a c c o r d i n gt oc s o bd a t ai n t h ed a t o n g - q i n h u a n g d a ol i n el o a dt e s t i n g ( s t r e s st e s t i n g , t r u c kb o d ya n db o l s t e r s a c c e l e r a t i o nt e s t i n g , v e r t i c a ll o a d , l o n g i t u d i n a ll o a d , r o l l i n gl o a d ，a n dt o r s i o nl o a do f c 8 0 bt r u c kb o d yt e s t i n g ) ；b a s e do nt h ea n a l y s i so fm e a s u r e dd a t ao b t a i n e di na l lt h e m a i np o i n t so f 也es 晚鼹l o a dt e s ta n di t sq u a n t i t a t i v ei m p a c to fs t r e s sb e t w e e n m e a s u r e m e n tp o i n t s ；v e r i f yt h et y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n so fc s o bt r u c kv e h i c l e s b o d yo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na c c e l e r a t i o na n d1 0 a d ：c a l c u l a t e 也ee q u i v a l e n t a c c e l e r a t i o no ft h ec a rb o d y ，a n di t sv a l u et od ow i t ht h ee n 12 6 6 3s p e c i f i c a t i o n v e r i f i e db yc o m p a r i n gt h eb o d ya c e e l e r a t i o nd a t af o rt h ef e a s i b i l i t ye v a l u a t i o no ft r u c k b o d yf a t i g u e ；r e f e r e n c et oe n19 9 3s t a n d a r d , w i t hw e l d e ds t r u c t u r ef a t i g u ed a m a g e t h e o r y , w ec a l c u l a t et h ed a m a g eo fe a c hm e a s u r i n gp o i n ts t r e s sv a l u e sa n dl i f e e x p e c t a n c y ；w i t hc 8 0 bb o d yw e l d i n gs t r u c t u r ea n dm e a s u r e dl o a ds p e c t r u mt o d e t e r m i n et h ev e r t i c a ll o a d , l o n g i t u d i n a ll o a d , r o l l i n gl o a da n dt o r s i o nl o a do ft h e f a t i g u ec u t - o f fl i m i t , r e m o v ef a t i g u ed a m a g eb e l o wt h ec u t - o f fl i m i tl o a d t i m e h i s t o r y ，“e n r i c h m e n t t of o r mt h ep a y l o a do fe a c ht i m ec o u r s cl o a d 。a n df u r t h e r e s t a b l i s h e das i m u l a t e ds p e c t r u ma n dt h es i m u l a t e d1 0 a df a t i g u et e s ts t r e s sl o a dt e s t c a l i b r a t i o ns t a n d a r d s k e y w o r d s ：c 8 0 bh u a lc 缸b o d y ；c a rb o d ya n a l o gl i n e ；1 0 a ds p e c t r u m ；f a t i g u e d a m a g e ；e f f e c t i v el o a d ；w e l d e ds t r u c t u r e ；d a m a g ec u t - o f fl i m i t c l a s s n o ：u 2 7 0 1 致谢 本论文的主要撰写工作是在我的导师谢基龙教授的细心指导下完成的。导师 学识广博、治学严谨，让学生受益匪浅，铭记终生。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、任尊松教授以及王文静 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，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。 宋伟 二0 一一年六月 1 绪论 1 绪论 本绪论将从大秦线高速重载列车的发展现状、列车 i t c i 疲劳加载试验台的 基本情况和列车有效载荷时间历程的研究意义三个方面，阐述论文的背景和意义 及主体框架。 1 1 大秦线高速重载列车的发尉1 】 大秦线是中国北方煤炭外运的主要通道，主要承担晋北、陕西、蒙西煤炭的 外运任务。大秦线全长6 5 3 k m ，设车站3 2 个，其中湖东为编组站、茶坞为区段站、 柳村南为港前站。大秦线为l 级双线电气化铁路。像世界上多数重载线路一样， 重载方向为连续下坡。限制坡度上行( 重车方向) 4 ，下行1 2 9 6 0 ，最小曲线半径 8 0 0 m ，困难地段4 0 0 m 。为开行2 万吨重载列车，2 0 0 3 年起铁道部研究引进采用电 控空气制动技术和机车无线同步操纵技术，经研究决定采纳g e 公司的列车无线 同步遥控操作技术开行2 万吨重载列车，开展相关试验研究。机车改造和第一次 列车运行试验于2 0 0 4 年l o 月至1 2 月在大同和大秦线进行。然后在2 0 0 5 年至2 0 0 6 年初的一年多的时间里，又进行了6 次相关试验研究，2 0 0 6 年3 月大秦线正式开行 2 万吨重载列车。 1 2 疲劳模拟加载试验台简介【2 1 自从人们认定“预防疲劳断裂”是一个公认的难题以来，一个普遍被接受的 现实是：由于疲劳断裂问题难于从理论上建模，因此，“预防疲劳断裂力的措施 是否有效，只能通过各种形式疲劳实验来回答。 货车在提速、重载的条件下，构件的疲劳失效成为突出的问题。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。而且在 载重量增加的情况下，车体要求轻量化( 翌0 3 t ) ，这样本身结构强度有可能不足。 另外，车体承受的纵向力也更加恶劣。因此，货车车体的疲劳问题成为影响货车 寿命及安全运营的关键因素之一。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。 在实验室条件下对整车车体进行模拟加载试验，是一种有效再现车体在实际 线路环境下载荷对车体所产生的影响的方法。这种方法不仅能够测试目标数据而 且降低了试验费用，缩短了试验周期。目前在汽车和摩托车行业，模拟加载试验 北京交通大学硕士学位论文 已得到了广泛的应用，产品在批量生产前都要做大量的疲劳强度试验、寿命试验 等，以获得可靠的载荷试验数据，为进一步完善设计提供资料。目前常用的方法 有三种：路面实车试验、试验场跑道强化试验和室内整车试验。其中得到普遍应 用的是室内整车试验，即利用室内振动试验台检查车辆的可靠性，以道路谱或以 试验场典型道路的实测振动信号作为疲劳试验台的输人激励信号。一般利用试验 台振动l 5 天时间，可相当于实际道路试验1 万公里。很显然，利用室内振动 试验台作可靠性试验，可以节约大量的时问，这对于缩短新车型的开发时间极为 有利。 当前，货车运行实行提速、重载，在迎合社会需求的同时，随之也出现了一 些值得关注的问题，由于提速、重载，机车车辆动负荷加剧，其中，机车车辆许 多构件，尤其是焊接构件，服役不久频繁发生疲劳断裂，并导致了重大经济损失。 然而，这不过是问题的外因，而内因则是对这些机车车辆装备没有注入与提：斟 重载相匹配的且有相当储备的抗疲劳能力，许多疲劳断裂案例分析表明：在设计 阶段仍停留在传统的静强度设计层次上，对焊接构件尤其缺少抗疲劳设计的理 念，缺少相应的技术，缺少必要的基础数据。因此，引入模拟加载疲劳试验提升 车体疲劳设计水平成为目前亟待解决的问题。 由于铁路货车车体在实际中所受载荷大且复杂，模拟加载疲劳试验的开展具 有相当的难度，因此在国际上还没有得到广泛的使用。针对铁路货车车体的整车 疲劳试验台目前国际上仅1 r c i ( t r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g yc e n t e ri n c o r p o r a t i o n ) 拥有并以投入使用。t t c i 是美国政府所有、交由a a r 管理的一个世界性的铁路 运输研究和试验中心。它设有铁路试验专用线，拥有试验各类铁道车辆、轨道部 件、信号和安全装置的实验室，同时也是消防危险品抢救训练中心。t t c i 可以 进行车辆结构强度、车辆动力学综合性能评价，并能进行车辆一轨道系统工程学 分析研究及车辆故障检测及信号系统的研究。其主要任务是：加速铁路工业有益 的新技术的开发和应用，成为2 1 世纪铁路运输公司主要技术的供应者。 车体疲劳试验台( 图1 1 ) 对试验车辆施加振动载荷的作动器系统，类似于振 动试验台。试验时，由计算机控制的电液伺服作动器把动态力作用在假摇枕上， 通过假摇枕把振动传递到车体上，对车体进行疲劳试验，得出车体疲劳寿命，为 车体的设计和安全评估提供依据。 2 1 绪论 图1 - 1 ：t t c i 试验台 f i g 1 - 1 ：t t c it e s tb e df o rc a rb o d y 国内齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司准备建造车体疲劳试验台，这样就 能够在实验条件下实现对全车体的模拟加载，有效提高货车车体疲劳设计水平。 但目前国内还没有针对大秦线的模拟加载疲劳试验载荷谱。本文将通过对车体损 伤情况的分析，寻找载荷与车体应力的关系，根据焊接结构疲劳理论，去除对损 伤贡献不大或无损伤的时间段，统一“浓缩”各载荷时间历程，由浓缩后的载荷 时间历程建立车体模拟线路加载疲劳试验载荷谱，为车体疲劳设计提供基础数 据。 在实际运营条件下，对车体损伤影响较小的载荷占了较大比例，如果通过研 究剔除这些对损伤贡献不大或无损伤的时间段，将大大缩短试验周期，有效降低 试验费用。 1 3 有效载荷时间历程的研究意义网 任何一辆新型机车车辆在正式投入运行使用之前，运行试验是必不可少的， 特别是线路运行试验。但是，随着列车运行速度的日益提高，行车密度的加大以 及其他种种原因，要在营业线上进行实车运行试验已变得十分困难，这已成为新 型机车车辆开发研究的一大障碍。因此，各种可进行机车车辆综合性能试验和动 3 北京交通大学硕士学位论文 力学性能试验的试验台和试验线相继建成，并为机车车辆研制过程中的中间试验 和验收前的检测提供了条件。由于高性能机车车辆模拟运行实验台的试验有着线 路试验无法比拟的优越性，因此该实验越来越受到铁路发达国家的重视。经过近 二、三十年的实践，与线路运行试验相比，证实了模拟运行试验台试验具有如下 优点： 1 ) 可同时进行多项性能试验，试验周期短，试验成本低； 2 ) 有效的试验可缩短机车车辆的研发时间，节约研究经费； 3 ) 试验台试验具有良好的重复性，不受气候条件的影响； 4 ) 在试验台上试验可排除各种干扰，进行单因素分析； 5 ) 可进行线路上无法进行的试验，如超高速试验、蛇形失稳等，还可进行各种 人为设置的极端条件下的运行试验等； 6 ) 由于测试装置安装固定，因此测试方便，并可检测在线路运行中无法检测的 运行信号，如车体振动的绝对位移。 在进行模拟加载试验台试验时，为了更精确地模拟机车车辆的损伤情况，需 要编制载荷谱。载荷谱是承载结构在运用过程中，结构所承受的典型交变外力的 统计表示，它是结构疲劳与断裂设计和试验的载荷条件。当外部载荷时间历程 施加于结构上，会引起结构的响应，响应的表现形式是多种多样的，可以是力( 力 矩) ，应变或加速度等。对响应时间历程进行计数处理，所得到各种形式的累计 频次分布，广义上也称之为载荷谱。载荷谱原则上应代表结构整个服役期间的载 荷变化过程，但这难于实现和应用，实际上常进行数据处理或简化。 在结构疲劳设计的实践中，载荷谱的简化和“浓缩 ，对于车体结构模拟线 路加载疲劳试验是非常重要的。因为车体在实际线路上运行，引起结构疲劳损伤 破坏的大应力循环数量相对是较少的。相反，对车体损伤贡献不大或无损伤的小 循环占了大量载荷时间历程。因此，在实验室条件下利用线路实测载荷谱对车体 进行模拟线路加载疲劳试验，如果能够把引起小应力循环的载荷时间历程简化和 “浓缩 ，使用对损伤有贡献的应力循环所对应的载荷时间历程进行模拟加载， 就不仅能够再现车体的疲劳损伤情况，而且可以有效缩短试验时间，节省试验的 费用。在没有强化载荷，且没有改变载荷循环顺序的情况下，只研究对车体损伤 有贡献的有效载荷时间历程是具有重大的现实意义的。 1 4 论文主要研究内容 依托t t c i 疲劳试验台，在进行货车车体疲劳设计时，需要将货车车体在运 行环境下车体的实测载荷与振动情况分别加载在车体上，以此来再现车体运行过 4 1 绪论 程中的应力分布情况，并作为疲劳可靠性设计的依据。本文的核心内容就是依据 c 8 0 b 车体在大秦线上的运行实测数据，通过载荷传递分析、损伤计算与分力谱 损伤计算，来浓缩车体在实测线路上的应力时间历程和载荷一时间历程，并验证 该载荷时间历程用于模拟运行试验台加载的可行性。因此，本文的主要内容包括 以下几个方面： 1 ) 整理浮沉、纵向、侧滚、扭转各载荷的载荷时间历程，车体应力的应力时 间历程和摇枕及车体加速度的加速度时间历程。通过线路实测试验采集了 c s o b 在大秦线运行线上的纵向车钩力、车体测点应力、心盘旁承载荷及摇 枕和车体加速度数据，并在此基础上分析得出侧滚和扭转载荷。编制载荷谱、 应力谱和加速度谱。利用雨流计数法等，编制相应的车体浮沉、纵向、侧滚 和扭转载荷谱和车体测点应力谱以及摇枕和车体加速度谱。 2 ) 计算车体浮沉、纵向、侧滚、扭转载荷与车体测点应力的关系。假设车体应 力测点应力值与各载荷间具有线性相关性，进而求出载荷传递系数，以便进 行疲劳损伤一致性的校核。 3 ) 车体疲劳损伤分析。利用大秦线线路实测应力的应力幅值谱对车体疲劳损伤 情况进行计算，得出车体危险点的疲劳寿命。 4 ) 摇枕和车体加速度分析。利用线性疲劳累计损伤计算方法，分析计算摇枕和 车体加速度等效加速度，并验证其作为疲劳可靠性设计的有效性。 5 )“浓缩 载荷时间历程、加速度时间历程和典型工况下的车钩纵向力、摇枕 和车体加速度、车体应力变化规律。依据计算所得的车体损伤情况，利用焊 接结构疲劳损伤理论，去除疲劳损伤截止限以下的应力循环，“浓缩 载荷 时间历程；并进一步细化疲劳试验载荷谱，选取典型工况下的车钩纵向力、 摇枕和车体加速度以及相应的车体测点应力时间历程，作为疲劳模拟实验可 靠性的检验标准。 5 北京交通大学硕士学位论文 2 基本理论 本章介绍了本文所引用的基本理论依据和计算方法，其中主要包括：名义应 力法和疲劳载荷谱研究方法以及m i n e r 线性累积损伤理论。 2 1 疲劳损伤名义应力法【4 】 名义应力法是最早形成的抗疲劳设计方法，它以材料或零件的s n 曲线为基 础，对照试件或结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力，结合疲劳损伤累 计理论，校核疲劳强度或计算疲劳寿命。 名义应力法的基本假设是：对于相同材料制成的任意构件，只要应力集中系 数a r 相同，载荷谱相同，则他们的寿命相同。其模型如图2 1 。此法中，名义应 力和应力集中系数为控制参数。图2 1 中，五r 为应力集中系数，u 一为加在试 件上的名义应力。该图中三种试件疲劳寿命相同。 岔 b 图2 - 1 ：名义应力法 f i g 2 - 1 ：n o m i n a ls t r e s sm e t h o d 利用名义应力法估算寿命的具体操作过程为： 1 ) 确定结构中的疲劳危险部位； 2 ) 求出危险部位的名义应力和应力集中系数厶r ； 3 ) 根据载荷谱确定危险部位的名义应力谱； 4 ) 应用插值法求出当前应力集中系数和应力水平下的s - n 曲线，查s - n 曲线； 5 ) 应用疲劳损伤积累理论，求出危险部位的疲劳寿命。 用名义应力法估算结构疲劳寿命的步骤如图2 - 2 所示： 6 一 写 n甘o 2 基本理论 图2 - 2 ：名义应力法疲劳寿命估算的步骤 f i g 2 - 2 ：i m p l e m e n t a t i o ns t e po fc o m p u t i n gf a t i g u ed a m a g eu s i n g n o m i n a ls t r e s sm e t h o d 本文所用到的疲劳寿命计算方法主要就是名义应力法。 2 2 疲劳载荷谱研究方法 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时间历程，称为工作谱或使用谱。工作谱 是零件的真实载荷时间历程，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，统称为载荷群习。 2 2 1 雨流计数法1 6 1 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 时首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，这一简化过程便是计数法。循环计数法是把连续的载荷一时 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。 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 7 北京交通大学硕士学位论文 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。 图2 - 3 ( a ) 为某一测点的应变- 时间历程，其对应的应力应变曲线如图2 3 所 示。由图可见，两个小循环2 3 - 2 、5 6 5 和一个大循环1 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时间历程中提取出来，重新加以组合。这样，图2 3 ( a ) 应变时间历程将简化为图2 4 所示的等效应变时间历程，而且认为两者对材料引 起的疲劳损伤是等效的。 l应力 4 f彳矿 7 - 2 f 3 z 应娈 一多5 7 ( a ) 应变- 时间历程 应力一应变迟滞回线 ( a ) s t r a i n - t i m eh i s t o r y ( b ) s t r e s s - s w a i nh y s t e r e s i sl o o p 图2 - 3 ：雨流计数法的力学依据 l7 图2 _ 4 ：简化的等效应变时间历程 f i g 2 - 4 ：s i m p l i f i e de q u i v a l e n ts t r a i n = t i m eh i s t o r y 8 2 基本理论 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 1 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 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 5 所示，取时间为纵坐标，垂直向下，载荷时间历程形如一宝塔屋顶。 设想雨滴以峰、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 7 、7 - 8 8 1 0 - - - 个半循环。 潞7 7 ，- 趁 笋- 2 5 ： 岷 j ： 呈9 严i i。吣8 1 j 。 r 气k l、 i v ， ， 图2 5 - 雨流法计数简图 f i g 2 5 - g 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 2 2 疲劳损伤计算方法 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车体的疲劳寿命。 本文损伤计算利用名义应力法，分别按应力谱和分力谱两种方法计算并对比 应力测点的损伤。应力谱损伤计算根据实测应力幅值谱进行，分力谱损伤计算根 据实测车体载荷谱转化为应力谱进行。 根据实测数据，进行车体结构在纵向、浮沉、侧滚及扭转载荷作用下的应力 分析，然后按照线性关系分别换算出车体各处在这些载荷谱作用下的应力谱，最 后选用与车体结构细节相当的疲劳性能数据，采用焊接结构疲劳损伤理论估算车 体疲劳寿命。 疲劳损伤估算步骤如图2 6 。 9 北京交通大学硕士学位论文 2 2 3s n 曲线1 7 l 图2 - 6 ：疲劳损伤计算方法 f i g 2 - 6 ：c o m p u t i n gm e t h o do f f a t i g u ed a m a g e 材料的疲劳性能，主要通过作用应力s 与构件破坏时的寿命n 之间的关系描 述。疲劳失效以前所经历的应力或应变循环数称为疲劳寿命，一般用n 表示。试 样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间关系的曲线，称为材料的 s - n 曲线。 s n 图2 7 ：材料s - n 曲线 f i g 2 7 ：s - nc u r v e0 f 也eb z g m a t e r i a l s - n 曲线的最常用形式是幂函数式，其表达式是： s 埘= c ( 2 1 ) 式中n 1 和c 均为材料常数。将上式两边取对数得： 历l g s + k n = d 由上式可见，s - n 曲线的左段在双对数坐标上为直线， 率。在s 蛐豺考虑嬲栅罱：。 式中，1 m 一- n 曲线的负斜率； 1 0 ( 2 - 2 ) 1 m 为s - n 曲线的负斜 ( 2 - 3 ) 2 基本理论 墨_ 材料的疲劳极限； d 材料常数。 2 2 4m i n e r 线性累积损伤理论嗍 在疲劳研究中，人们早就提出了“损伤 这一概念。所谓损伤是指在疲劳初 期材料内细微结构变化及其之后裂纹的形成和扩展。当材料承受循环应力时，每 一个循环都使材料产生一定的损伤，这种损伤是可以累积的。当损伤累积到临界 值时就发生疲劳破坏。因此，研究疲劳过程中的结构损伤累积的规律，建立疲劳 累积损伤准则是疲劳可靠性理论中的重要内容。对于等幅载荷，可以利用材料的 s - n 曲线来估算在不同应力水平下达到破坏所经历的循环次数，但是机车车辆大 部分零部件承受随机载荷的作用，其应力循环的最大最小值是不断变化的，无法 直接用s - n 曲线来估算其寿命。随机载荷下的疲劳破坏，是不同频次和幅值的载 荷所造成的损伤逐渐累计的结果，因此，疲劳累积损伤是有限寿命设计的核心问 题。 对于疲劳累积损伤规律，人们从宏观到微观进行了几十年的研究，提出了数 十种累积损伤假设，目前提出的疲劳累积损伤理论归纳起来可以分为以下四类： 1 ) 线性疲劳累积损伤理论； 2 ) 双线性累积损伤理论； 3 ) 非线性累积损伤理论； 4 ) 其它损伤累积理论。 但工程中最常用的仍是p a l m g r e n - m i n e r 线性累积损伤法则。线性累积损伤模 型最早由p a h n g r e n 于1 9 2 4 年提出，1 9 4 5 年m i n e r 将此模型公式化。由于该模型形 式简单，使用方便，因此在工程中得到了广泛的应用。 线性疲劳累积损伤理论假定：材料在各个应力水平下的疲劳损伤是独立进行 的，总损伤可以线性叠加。其中有代表性的是m i n e r 准则、修正m i n e r 准则和相对 m i l l e r 准则。m i n e r 准则的表达式为： 瓷一 ( 2 4 ) m i l l e r 准则假定：试样所吸收的能量达到极限值时产生疲劳破坏。从这一假 定出发，如材料破坏前可吸收的能量极限值为，试样破坏前的总循环数为， 若试样经受的循环数为l 、吸收的能量为，则由于试样吸收的能量与其循环 北京交通大学硕士学位论文 堕：盟 数间存在线性关系，因此有。 在程序加载下，若试样的加载历史由q ，吒，- ，共p 个不同的应力水平构 成，各应力水平下的疲劳寿命依次为l ，2 ，m ，各应力水平下的循环数依次 为惕，伤，一n p ，吸收的能量为彤，材料内部总的疲劳损伤为： d ：亨旦 智m ( 2 5 ) 当损伤d = 1 时试样发生疲劳破坏。 由于加载顺序以及零件形状等因素的影响，m i n c r 准则的右端项( 称临界损伤 和) 并不是总为1 ，其值在o 1 到1 0 的很大范围内变化，因而人们将临界损伤和 改为一个不等于1 的常数。称为修正准则，其表达式为： 夕旦：口 - i f f i lm ( 2 6 ) 当损伤d = 口时试样发生疲劳破坏，其中口为材料常数，其值范围可能大于l ， 也可能小于1 。本文疲劳累积损伤符合线性累积损伤法则，认为口- - i 。 2 2 5 车体疲劳损伤计算方法 假设在计算浮沉载荷一应力传递系数时，f 为浮沉载荷变化量，盯为测点 应力变化量。则把载荷谱最折算为车体该部位的应力谱盯r ： 。r2 r 蟑ra 。(2-7) ” 由于结构焊缝及其附近结构组织存有达到或接近屈服点的残余应力，不管外 加动应力的循环特性如何，焊缝附近的实际循环应力都是从母材的屈服应力向下 摆动。实际应力范围和与其相关的疲劳循环次数、疲劳强度主要与施加应力范围 有关，而最大、最小循环应力值以及应力循环特性对其影响较小。这一点在研究 焊接接头疲劳强度时非常重要，这意味着焊接接头的疲劳性能用应力范围概念来 表述是科学的。所以，e n1 9 9 3 1 9 标准在评定焊接接头疲劳特性时，用应力范 围来表述s - n 曲线。 1 2 2 基本理论 蒜 差 雪 警 萋 薹 五棚翱瞄嘲- m l m b 簋o f c y c l e sn 图2 8 ：e n1 9 9 3 标准应力范围疲劳强度曲线 f i g 2 - 8 ：f a t i g u es t r e n g t l lc u r v e sf o rd i r e c ts u s sr a n g e s 根据b se n - 1 9 9 3 标准材料s - n 曲线： ( 1 ) 名义应力范围下材料的疲劳强度是由s - n 曲线表示的，每条曲线对应 一种典型焊缝结构。每种焊缝结构被指定一个值，它代表结构在2 e 6 次应力循环下对应的许用应力范围。 ( 2 ) 对于恒幅载荷，名义应力疲劳强度可由下式得到： 仃：虮= a t r c 2 1 0 6 ( n 5 x 1 0 6 ，m _ 3 )( 2 8 ) o d 一兰a ) 3 a t r c = 0 7 3 7 a i r c ( 2 9 ) 式中，为恒幅载荷疲劳极限 ( 3 ) 对于应力范围在恒幅载荷疲劳极限上下的名义应力谱，疲劳强度应 该基于如下的延伸疲劳强度曲线： 盯暑虬= a t r ? 2 1 0 6 ( n 5 x 1 0 6 ，m _ 3 ) ( 2 1 0 ) 盯；虬= a u ；5 1 0 6 ( 5 x 1 0 6 n 1 0 s ，m - 5 ) ( 2 1 1 ) 气2 ( 孟妒- 0 饼9 ( 2 1 砧 式中，c r l 为截止限。 e n - 19 9 3 对焊接接头进行了详细分类，每种接头的焊接形式和焊接要求都进 1 3 北京交通大学硕士学位论文 行了详细的描述供钢结构设计计算人员进行对应结构的疲劳特性值吒进行了 选择。 由于车体的板材厚度或空间结构等因素造成的尺寸效应需要在计算车体细 部强度时予以考虑，因此，e n1 9 9 3 1 9 标准在对焊缝结构进行分类时也定义了 强度降低系数，此时名义应力范围修正为： 仃c r e d2 七，仃c ( 2 1 3 ) 根据上述s - n 曲线，疲劳损伤计算如下： 当5 1 0 6 时， a o - ： n 露2 盯7 2 1 0 6 ( m = 3 )( 2 1 4 ) d ，= 争 损伤值 州r t ( 2 1 5 ) 当5 x 1 0 6 2 0 0 4 年2 4 卷4 期4 8 5 0 【8 】关小丽等虚拟疲劳试验及其在重载敞车结构设计中的应用大连铁道学院学报，2 0 0 6 【9 】谢基龙大秦线重载列车载荷谱测试试验大纲北京交通大学，2 0 0 9 【1 0 揿道部标准t b l 3 3 5 1 9 9 6 ：铁道车辆强度设计及试验鉴定规范1 9 9 6 4 2 5 【1 l 】谢基龙4 5 0 1 2 2 0 循环温度幅下车轮铸钢热疲劳破坏行为探讨北京交通大学学报： 自然科学版2 0 0 7 年3 l 卷l 期8 1 0 【1 2 刘敬辉8 4 0 d 车轮辐板孔裂纹成因的强度及疲劳分析 2 0 0 5 年2 6 卷 6 期3 3 - 3 7 【1 3 】李强g c r l 5 钢超高周的疲劳行为 2 0 0 8 年3 2 卷4 期2 4 2 7 ，3 2 【1 4 石宏原k s - i 型货车空重车微机试验台的研制 机车车辆工艺2 0 0 6 年1 期3 1 - 3 2 【1 5 潘全章k z w - - - 4 g 系列货车空重车自动调整装置试验台试验故障分析铁道机车车 辆 2 0 0 3 年a 0 2 期8 7 8 8 ，1 0 0 【1 6 】杨励君k z w 型空重车自动调整装置微控试验台的使用及改进铁道机车车辆2 0 0 5 年2 5 卷3 期5 8 5 8 【1 7 3 张怀迎等摩托车疲劳试验台载荷谱编制大连铁道学院学报，2 0 0 4 【1 8 v s h a n n a e d i r a n i l o a de n v i r o n m e n to f d o u b l e - s t a c kr e v e n u es e r v i c et r a i n s a s s o c i a t i o n o f a m e r i c a nr a i l r o a d s ，19 9 3 【1 9 】王丹丹转k 6 转向架摇枕载荷谱测试与疲劳寿命评估匕京交通大学硕士论文，2 0 0 5 【2 0 ，谢基龙，4 d 轴货车焊接构架的疲劳强度分析方法，北京交通大学学报：自然科学版 2 0 0 9 年3 3 卷l 期2 4 2 7 ，3 l 【2 1 谢基龙1 2 0 k m h 提速货车可靠性试验研究2 0 0 5 年2 5 卷3 期铁道机车车辆起止 页码：l 1 1 。 ”= 一 _ ：o ：_ ：_ 一：0 - 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