（车辆工程专业论文）基于热点应力法的转向架关键部件疲劳寿命研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文在广泛吸收国内外机械结构疲劳问题研究成果的基础上，基于热点 应力法对转向架关键部件疲劳寿命进行了大量的研究工作。此项研究的主要 目的在于探索转向架关键部件疲劳设计的工程计算方法。 本文主要包括以下几个方面的内容： 1 运用结构的有限元分析方法，建立了转向架关键部件的有限元模型， 进行了静强度分析。在给定的线路激励作用下。从多体系统动力学分析软件 s i m p a c k 建立的动力学模型中得到机车构架关键部件的载荷一时间历程。将结 构有限元结果和载荷一时间历程输入疲劳分析软件f e f a t i g u e ，再相结合材 料的疲劳特性曲线( s n 曲线) ，对二系垂向减振器座进行了常规的疲劳寿命 预测。对同一模型用热点应力法进行疲劳寿命预测，对不同寿命预测方法的 疲劳寿命结果进行对比，结果表明，热点应力法的分析结果更加接近实际运 行情况。 2 采用不同的单元类型和单元尺寸对该二系垂向减振器座进行热点应力 分析，研究单元类型和单元尺寸对热点应力法的影响。 3 针对二系横向减振器座，通过予模型法的运用，采用热点应力法，对 比了叠加构架平均应力前后该减振器座疲劳寿命预测结果的不同，探讨了构 架平均应力对局部结构热点应力法的影响。 4 针对牵引座，对于不同的焊缝角度和板厚，采用热点应力法进行疲劳 寿命预测，研究了焊缝角度和板厚对热点应力法的影响。 通过对转向架关键部件焊缝的热点应力法疲劳寿命预测的对比研究，为 机车车辆关键部件焊缝的疲劳寿命预测及评定提供了有益的初步探讨。 关键词：热点应力法；疲劳；有限元；转向架 西南交通大学硕士研究生学位论文第j j 页 a b s t r a c t w i d e l y 曲s o r b e ds o m en e wa d v 蛆a g c so fm e c h 勰i c a ls t r 毫l c t u r ef a t i g u eo f t h cd o m e s t i ca n da b r o a d ， l o t s0 fr c s e a r c h c s0 nf a t i g i l ep m b l e ma b o u tt h el o c a l s t m c t u r e so fb o g i e 打a m ea r ed o n ci n t h i st h e s i s t h em a i no b j e c t i v eo ft h i s r c s 骶r c hi st oe x p l o r cam e t h o dt os o l v et h ef a t i g u ed e s i g np l o b l e ma b o u tt h e l o c a ls t n l c t u r e so fb o 西ef r a m e n e m 豳a s p e c c ss t u d i e d i n t h i s p 印e r 眦器f o l l o w s ： 1 u s i n gf e m o fs t m c t u r c ，t h eb yp a n so fa b o g i e 如m es t c e ls t n l c t u f e m e c h a n i c sm o d e la r ec o n s t n l c t e d ，姐dt h ef e ms t a t i cs n 弓n g t h 孤a l y s i si sd o n e u s i n gm l l l t i - b o d ys y s t e md y n a 血i cs o 脚a r cs i m p a c k ，d y n 锄i cm o d a lo f l o c o m o t i v es t n i c t u r ei se s t a b l i s h e di nd e t a i l u n d e r t h e 舀v 蛐臼a c kc x d t a t j o n ， t h r o u g hc a l c l l l a t i 0 ，l o a d i n g - t i m ch i s t 叫yi so b t a i n e d t h e nt h er e s u no fa a l y s i s o ff 王 m 蛳dt h a to fd y n a m i c sa r ec o m b i e d t 0 9 e t h e rw i t ht h es - nc u r v eo ft h e m a t c r j a l ，f a t i g u ea n a l y s i ss o f t w a r ef e - f a t i g u ci su s e dt of o r e c a s tt h ef a 堍u el i f e o ft h ev e r t i c a ld a m p e rh o l d u s i n gh o ts p o ts t r e s sm e t h o d ，t h es a m em o d e li s a 腿l y s e dt of o r e c a s t t h e f a t 噜u el i f c t h e f c s u l t so ft h et w om e t h o d sa r e c o m p a r c d ，a n d i ts h o w st h a t h o ts p o ts t f e s sm e t h o di sl h eb e n c ro n e 2 f a t i g i i el i f c o ft h ev e r t i c a l d a l p e r h o l di sf o r e c 雒t c dt o s t u d yt h e i n n u e n c eo fs o m ef a c t o r ss u c ha st h ef i n i t ee l c m e n ts t y l e 、t h em e s hs i z en e a r t h e w e l dt o ed u f i n gt h ch o ts p o ts t r e s sm e t h o da n a l y s j s 3 s u b m o d e li su s e dd u r i n gm eh o ts p o ts t r e s sm e t h o da n a l y s i so ni h e h o r i z o n t a ld a m p e rh o l do fab o g i ef r a m e t h ed a m p e rh o l di sa n a l y s e db e f b f ea n d a f t c fa d d i n gt h eb o g i ef r a m em e a ns h s s + t l l er e s u h sa r cc o m p a r c dt og e ft h e i n n u e n c eo fb o g j ef r 锄em e a ns t r c s st ot h eh o ts p o ts t r e s sm e t h o d 4 t h ei n n u e n c eo fd j f f e r e n ts e a m 孤g l e sa n dp l a t et h i c | 【n e s s e st ot h eh o t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 s p o ts t f e s sm e t h o d i ss t u d i e db y f o f e c a s t i n gm ef a t i g u e l i f co fat r a c t i o ns e a t u s i l l gl m ts p o ts t f e s sm e t h o d ，w e l d i n gs e a mf a t i _ g u el i f ep r c d i c t i o no ft h e b o g i ef i a m ei sc o m p 甜e da n dr e s e a r c h e d t h e 8 ee 虹o r t sm a yp r o v i d eam e t h 埘t o f o f c c 硒ta n dc h e c kt h e w e l d i n gs e a mf a t i g 吐e l i f eo ft h el o c o m o t i v el o c a l s t l l l c t u r e s k e yw o r d s ：h o ts p o ts t r e s sm e t h o d ：f a t 咖c ；f i n i t cd 锄e n t ；b 晒eh 锄c ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 受到多次重复变化的载荷作用后，材料或结构在应力值没有超过材料强 度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重 复作用下发生的破坏现象，就叫做疲劳破坏“1 。疲劳破坏是工程结构和机械 失效的主要原因之一，引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远远小于根据静 态断裂分析估算出来的“安全”载荷。 疲劳问题早在l o o 多年前就已开始引起人们的注意。1 8 3 9 年巴黎大学的 j v p o n c e l e t 教授首先使用了“金属疲劳”这个概念。德国人a w 曲1 e r 为 常规疲劳强度设计奠定了基础，他第一次对疲劳强度进行了系统试验，首次 提出s n 曲线及疲劳极限的概念，并且明确指出，对于疲劳而言，应力幅比 构件承受的最大应力更重要。1 8 6 7 年，他在巴黎展览馆展出了上述疲劳试验 研究的成果。此后，许多研究者继续并深化了h l e r 的工作。如g e r b e r 等 人研究了平均应力对疲劳寿命的影响；j o h ng o o d m a n ( 1 8 6 2 1 9 3 6 ) 提出了考 虑平均应力的简单理论等，这些在疲劳发展历史上都起过重要的作用。在第 二次世界大战中发展了疲劳累积损伤理论，开展了有限寿命设计。1 9 5 4 年美 国科学家m a m i n e f 在对疲劳累积损伤问题进行大量试验研究的基础上，将 j v p a l m 掣e n 在1 9 2 4 年提出的线性累积理论公式化，形成了至今广泛使用的 p a l m g r e n m i n e r 线性累积损伤法则，简称m j n e r 法则。但s n 曲线主要用于 长寿命构件设计，这些构件受到以弹性形变为主的低幅循环应力的作用，即 在高周疲劳中应用。但当循环加载期间产生大量塑性变形时，疲劳寿命将显 著缩短。由于认识到塑性应变对引起永久疲劳损伤的重要作用，m a n s o n ”1 和 c o f f i n ”1 分别独立提出了发生疲劳破坏时的载荷反向次数同塑性应变幅的经 验关系，即m a n s o n c o f f i n 应变一寿命曲线。上个世纪八十年代以来，研究 的重点主要放在复杂工作条件下的可靠性寿命预测模型的研究上，即对在变 幅载荷、腐蚀环境、高低温及多轴应力状态等特殊环境下的疲劳问题进行广 泛研究。 对于焊接结构，由于焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余拉伸 应力的作用，其疲劳强度大幅度地低于基本金属的疲劳强度。所以焊接结构 的疲劳强度取决于接头的疲劳性能，即焊接接头的抗疲劳性能，关系着焊接 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 结构能否安全使用。因此为了保证焊接结构可靠性，在设计承受交变动载荷 的焊接结构时，设计规范规定以焊接接头的疲劳强度作为整体结构的疲劳强 度，而不采用基本金属的疲劳强度”1 。因此，采用简单而有效的方法准确估 算焊接接头的疲劳寿命，并且提高和改善焊接接头疲劳强度，长期以来，一 直是国内外有关专家研究的热点课题。 铁路是国民经济的大动脉，一直担当着运输力量的主力，对国民经济起 着非常重要的作用。然而，国民经济的发展和人民生活水平的提高对铁路运 输提出了进一步的要求：高效率、高可靠性、高经济性、高舒适性等等。作 为运输装备载体的转向架在铁路运输中起着至关重要的作用，目前我国转向 架承载部件的设计仍然处在静强度设计的水平上，即使采用疲劳设计方法， 也存在着疲劳强度分析方法的不完善和仅对结构的主体进行疲劳强度评估， 对结构细节方面的研究还不成熟，对转向架关键承载部件疲劳设计方法的研 究和应用没有取得突破性进展。 本文的研究内容包括： ( 1 ) 采用热点应力法对转向架关键结构的关键焊缝进行疲劳寿命预测； ( 2 ) 探讨单元类型、单元尺寸、构架平均应力、焊缝角度和板厚等因素 对热点应力法的影响。 1 2 国内外热点应力分析应用现状 在焊接结构的应用中，疲劳破坏导致的结构失效所带来的损失是巨大而 惨重的。疲劳设计的方法大致可以分为三类：基于名义应力幅表述的s n 曲 线、基于热点应力幅表述的s n 曲线和基于缺口应力幅表述的s n 曲线。 在疲劳损伤累积分析中，目前得到广泛应用的是热点应力法。“热点( h o t s p o t ) ”一词源于疲劳实验( 或实地工作) 中最大结构应力处( 手感) 发热这 一疲劳现象，热点处最有可能成为疲劳裂纹发生的起始点，相应于该处的 应力称为热点应力。英国b s 5 4 0 0 第l o 分卷“1 指出具有复杂几何构形的焊接 结构应采用热点应力分析方法。1 1 w ( 国际焊接学会) ”1 也建议在对焊接结构 进行疲劳损伤评定时，应进行热点应力分析，采用最为可能发生疲劳破坏部 位处的应力幅作为疲劳设计依据。 近年来国际上关于焊接连接部位疲劳特性的研究十分活跃。在这些研究 中，研究者们大多采用有限元法来对这些焊接结构进行热点应力分析，确定 热点区域的应力幅作为疲劳设计的基础，并且进行了相关的大量疲劳试验。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 其中最具有代表性的是c i d e c t ( 欧洲空心焊接钢管结构委员会) 的关于空心 焊接钢管疲劳设计指南”，在该设计指南中推荐使用有限元方法进行热点应 力分析以确定最为可能发生疲劳破坏的区域和该区域的应力幅，采用应力集 中系数建立名义应力和热点应力之间的转换关系，从而采用较为符合实际破 坏部位的应力幅，来进行疲劳设计以及相关的疲劳评估。 f r m a s h i r i 和x l z h a o “”对厚度小于4 蚴的t 型焊接薄壁方形钢管结 构进行了平面内受弯试验，采用试验的方法确定了热点区域和热点区域的应 变，将以名义应力表述的s n 曲线转换成以热点应力表述的s n 曲线。试验 发现：t 型焊接的薄壁方管结构的疲劳试验破坏部位为t 型焊接区域部位。 t p a r t e n e n 和e n e i m i 1 ”采用热点应力方法整理了l a p p e e n r a n t a 大学 在1 9 8 0 年和1 9 9 3 年进行的c m n 不锈钢弧形焊接构件节点疲劳试验的结果， 根据测试的热点应变，发现1 0 0 个c m n 不锈钢焊接节点以及8 0 个不锈钢焊 接节点的疲劳极限是相同的，认为不同疲劳等级的焊接节点适合于采用以热 点应力幅表述的s n 曲线进行疲劳设计。 p d o n g “”从材料力学角度出发定义了用于疲劳应力分析的应力；结构应 力( s t r u c t u r a ls t r e s s ) 。对不同类型的焊接构件进行了相应的结构应力定 义，该应力的计算方法可以在常用的有限元程序的后处理过程中进行相应的 数据实现。 s e u n g h o 和b y u n g c h u ns h i n “3 1 采用了试验方法和有限元法确定了五类焊 接构件的应力集中系数，将以名义应力表述的s n 曲线转换成以热点应力表 述的s n 曲线，统一了不同类型焊接构件的s n 曲线，并对一个实际工程中 的焊接构件进行了疲劳设计。 g m v o r m w a l d “”采用有限元方法对汽车底盘焊接节点进行了热点应力 分析，确定了疲劳危险位置和相应的热点应力幅，基于热点应力幅的构件疲 劳寿命与疲劳试验得到的疲劳寿命相吻合。 相对国外而言，我国疲劳研究起步较晚，从上个世纪5 0 年代开始起步， 8 0 年代得到迅速发展，应用日趋广泛。但就研究内容而言，与国外差别不大， 只是侧重点不同，如国外较重视焊接接头疲劳，国内则研究较少。关于热点 应力法的应用，在国内近几年的文献中也大量涌现。 上海交通大学的王甲畏、王德禹参与了挪威船级社( d n v ) 就浮式生产储 油船( f p s o ) 焊接节点疲劳问题丌展的部分研究工作“。他们对船体焊接结 构的热点戍力进行研究，选取f p s o 某一局部结构采用有限元软件n a s t r a n 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 计算确定热点应力，算出的热点应力考虑了局部焊缝几何形状的影响，再乘 以一个大小为l - 5 的几何应力集中系数得到应力范围，由此推导出结构的疲 劳寿命，将计算结果和全尺度疲劳试验( 由d n v 完成) 结果进行对比，二者 符合较好。 湖南株洲时代新材料科技股份有限公司技术中心的贺才春在法国国家自 然科学应用技术研究所做访问期间也开展了焊接疲劳方面的研究工作。文献 【1 6 系统地介绍了热点应力方法以及多种典型模型，对比了各模型的特点， 给出了相应的适用性意见。 天津大学的贾法勇等人研究了热点应力有限元分析的主要影响因素“”， 并且利用热点应力法分析了双相不锈钢焊接接头的疲劳强度“。他对热点应 力的4 个外推公式分别进行粗细两种单元网格的划分，并使用不同的单元类 型参与结果的对比。 。哈尔滨工程大学的王莉萍将一个货船货舱的舱口角隅结构简化为三种几 何模型f 1 9 】，运用有限元软件n a s 删和a n s y s ，对每种几何模型分别采 用四种不同的单元类型和两种不同的网格细化方式，建立了1 1 个有限元模型 来分析焊趾处的热点应力，将计算结果与试验结果比较，考查了各个因素的 影响，找到了较好的模型简化方式以及相应的单元类型和网格划分形式来计 算船舶局部结构焊趾处热点应力，为船舶设计和工程人员提供了参考。 大连理工大学的梁园华对b 玳g 0 9 0 0 0 型半潜式平台的k 型管节点进行 了疲劳强度分析【2 0 1 。在计算管节点结构应力范围时，应用了热点应力法，根 据d n v 规范提供的s n 曲线，以及m i n e f 线性疲劳累积损伤法则计算出管 节点结构的疲劳寿命，为今后对海洋平台管节点疲劳强度的进一步研究打下 了基础。 东南大学的周太全对香港青马大桥进行了关键疲劳构件的局部热点应力 分析【2 l 】。他对疲劳危险部位处的焊接构件建立了三维有限元模型，施加了符 合桥梁实际王况的载荷与位移边界条件，进行了局部热点应力分析，确定了 这些焊接构件内的名义应力和相邻焊接区域内热点应力之间的关系，得到了 相应的应力集中系数。 1 3 本文的研究意义 焊接结构形式简洁，承载能力高；没有间隙，密封性能好；自重轻，经 济效益高；厚度不限，适应能力强；加工少，生产效率高“。综合以上优点， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 焊接己成为现今应用最为广泛的工艺方法。在铁道车辆中，焊接转向架由于 重量轻且在制造中具有省电省工等优点，已成为国内外转向架的发展方向。 但焊接工艺在降低结构自重和提高经济效益的同时，也带来了易产生疲劳裂 纹的问题。随着机车车辆运行速度的提高，走行部等各零部件的运行工况变 得更为恶劣。运行中，机车车辆关键部件的疲劳损伤问题日益突出，目前大 量的事故都是由疲劳损伤引起的。在我国，列车提速以来，仅仅转向架疲劳 破坏造成的经济损失就已经达数千万元以上，给国民经济、旅客生命财产和 机车车辆工厂带来巨大的损失。机车转向架疲劳失效多发于牵引座、减振器 座等关键部位，所以转向架关键部件的疲劳寿命直接影响到整个全焊接设计 构架的使用寿命。综上所述，提高和改善焊接转向架关键部件的疲劳强度具 有极大的潜在经济效益和社会效益。 对于新型机车车辆，在设计阶段通常采用传统的疲劳强度校核( 如使用 g o o d m a n 曲线) 方法，结合台架试验，按相关标准进行验证。这种方法有两个 弊端：一是当疲劳设计不足时，由于产品已经定型，改进时将造成大量的时 间、人力和财力浪费，延长了设计周期，不适应激烈的市场竞争和资源的合 理利用；二是当疲劳设计过量时，进行试验时很难找出设计过量的部分，从 而增加了机车车辆的重量和制造成本，也加大了机车车辆对线路的冲击，并 有可能影响到动力学性能。实践证明，采用传统疲劳强度设计方法的机车结 构，在使用中暴露出不少疲劳损伤方面的问题，虽然成因较为复杂，但在设 计阶段对关键结构部件的疲劳寿命预测研究不足却是重要的原因之一。 为了弥补上述方法的缺陷，部分研究人员采用计算机数值仿真的方式进 行结构的疲劳寿命预测。具体方法是：通过有限元仿真得到所研究结构的应 力应变分布，利用动力学方法得到结构的载荷一时间历程，通过建立一定的 疲劳损伤模型得到其疲劳寿命。这种方法大大缩短了构架的设计周期，减少 了疲劳寿命试验的次数，很大程度上降低了试验成本。而且，目前来说，这 种方法在构架总体寿命预测方面最成熟有效，相对来说也比较准确，基本满 足设计要求。但是这一方法仍然存在着缺陷，那就是忽略了焊接接头( 通常 是焊缝) 。客观上讲，焊缝的静载承受能力一般并不低于母材o 2 ”，而承受交 变动载荷时，其承受能力却远低于母材。这是由于焊缝焊趾处的焊接缺陷、 应力集中和残余拉伸应力的作用使其疲劳强度大幅度地低于基本金属的疲劳 强度。所以焊接结构的疲劳强度取决于焊缝的疲劳性能，即焊缝的抗疲劳性 能，关系着焊接结构能否安全使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 本文旨在通过基于有限元结果的热点应力法，同时结合多体系统动力学 仿真得到的载荷一时间历程以及材料的疲劳特性曲线，应用热点应力法，对 转向架关键部件进行疲劳寿命分析，在虚拟的计算机仿真环境下实现设计阶 段转向架关键部件的疲劳寿命预测分析。具体的分析流程见图l l 。 图卜l 疲劳寿命预测流程图 1 4 本文的主要内容 本文主要是基于热点应力法给出预测转向架关键部件疲劳寿命的一整套 解决方案，具体有： ( 1 ) 对疲劳理论作了简单概述，详细介绍了疲劳寿命分析的热点应力法、 随机载荷的研究方法、疲劳寿命累积损伤理论，对本论文疲劳研究的 方法及技术路线作了说明。 ( 2 ) 用a n s y s 8 o 软件建立转向架关键部件，如牵引座、减振器座等的有限 元模型，并且进行了静强度分析。 ( 3 ) 在给定的线路激励作用下，从多体系统动力学分析软件s i m p a c k 建立 的动力学模型中得到转向架关键部件的载荷一时间历程。 ( 4 ) 将结构有限元分析和动力学分析结果相结合，用疲劳分析理论中的雨 流计数法对载荷一时间历程进行雨流计数统计。利用疲劳分析软件 f e f a t i g u e 对转向架关键部件进行了疲劳寿命预测。 ( 5 ) 采用热点应力法分析转向架局部结构关键焊缝的疲劳寿命；对比传统 分析方法和热点应力法疲劳预测结果间的差异，得出结论。 ( 6 ) 分析研究了热点应力法的几个影响因素：单元类型、单元尺寸、构架 平均应力、焊缝角度和板厚，给出了相应的意见或建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 应力循环 第2 章疲劳理论 自1 8 3 0 年以来，承受循环载荷或波动载荷的金属材料在低于强度极限的 应力水平下会失效已经得到了公认。因此，有必要研究一下导致疲劳失效的 循环应力类型。图2 1 是一些典型的疲劳应力循环。 图2 一l ( a ) 所示的是完全对称的正弦形恒幅应力循环，这种应力循环在 没有过载且以恒速运转的旋转轴中是最常见的；图2 一l ( b ) 所示的是波动应 力循环；图2 一l ( c ) 所示的是形式复杂的随机载荷，随机载荷在实际结构中 更具有代表性。 r 埘 氐r 卜 c y d _ + if o r 一一： + r 倒 r 崩 厂- 渐 ! 一 o 陌 1 c y d 鹊， a m i n ( a ) 对称循环( bj 设动循环 ! 们 图2 1 典型疲劳席力循环 应力循环的性质是由循环应力的甲均应力吒和交变应力幅q 所决定 的。平均应力吒是应力循环中不变的静态分量，它的人小是 的。平均应力是应力循环中不变的静态分量，它的人小是 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 吒一k 产 1 ) 式中，是循环中的最大应力；是循环中的最小应力。 应力幅吼是应力循环中变化的分量，它的大小是 仃，鱼= 垒 。 2 由此可见， d - 。2 口二+ 吒 q l i i n 。一吒 应力范围是 a 仃，2 吒一一吒。 应力循环的特征用应力比r 来表示，即 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) r 。垒 ( 2 5 ) 盯血雌 2 2s n 曲线法 试样的疲劳寿命取决于材料的机械性能和施加的应力水平。一般说来， 材料的强度极限愈高，外加的应力水平愈低，试样的疲劳寿命愈高；反之， 则疲劳寿命愈低。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( 图2 2 ) ，简称为s n 曲线。因为这种曲线通常都是 表示中值疲劳寿命与外加应力问的关系，所以也称为中值s n 曲线，又称为 w 矶l e r 曲线。 l g a )b )c )d ) 图2 2s n 曲线的几种典型形式 s n 曲线通常取最大应力吒。为纵坐标：但也常取应力幅吒为纵坐标。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 s n 曲线中的疲劳寿命通常都使用对数坐标，而应力则有时取线性坐标，有 时取对数坐标，二者均通称为s n 曲线。s n 曲线的左支在双对数坐标中一 般是一条直线；在单对数坐标中则一般不为直线，但由于用直线表示比较方 便，在单对数坐标中也常简化为直线。s n 曲线的右支则可以分为两种型式： 第一种型式( 图2 2 a ) 有一明显的水平段，为结构钢和钛合金的典型形式；第 二种型式( 图2 2 b ) 没有水平段，是有色金属和腐蚀疲劳的典型形式。 s n 曲线的左支有时也会出现断开( 图2 2 c ) 和转折( 图2 2 d ) 。断开可 能是由于裂纹尖由平面应力状态转变为平面应交状态或由穿晶破坏转变为晶 间破坏等原因所引起。转折点则往往是不同破坏区域的交界点，如循环蠕变 和低周疲劳的交界点，低周疲劳和高周疲劳的交界点等“”。 大部分疲劳特性都是用完全对称循环，即旋转弯曲试验来测定的。经过 对材料进行疲劳特性试验后，人们发现在一定的平均应力咒、不同的应力幅 e 作用下，材料的应力一寿命曲线符合一定的规律。常见的经验公式有两种： ( 1 ) 指数函数公式： e ”= c( 2 6 ) 式中，a 和c 是取决于材料性能的材料常数，两端取常用对数后，上式变为： s + l g = 6 ( 2 7 ) 其中：t d l 9 8 ，6 = l g c 。 卣上式看出，指数函数公式相当于在半对数坐标上，s 与l g 成线性关系。 ( 2 ) 幂函数公式： s “= c( 2 8 ) 式中，m 和c 是取决于材料性能的材料常数，经过取对数后，变为： m l g s + l g = 1 9 c ( 2 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 可见，幂函数经验公式相当于在双对数坐标图中l g s 与l g 成线性关系 ( 如图2 3 ) 。直线的斜率6 ( 著名的b a s q u i n 首次制定的此准则) 可由下式 算出 6 ：坐墨二坐曼 l o g o l o g 等价变换后得到 。蚤 有时为了方便，可以用七来代替，这样式2 一l l 就简写为 口 n n 。电 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 上式表明：如果已知b a s q u i n 斜率、坐标( 0 ，岛) ，就可以直接算出给定 应力幅下的循环次数。 2 3 疲劳设计准则 疲劳设计是处理动应力以及由动应力而产生的破坏的基本方法。由于疲 劳破坏是现代工业设备最常见的一种破坏现象，所以目前在所有工程构件设 计中，除了考虑必要的静强度外，最主要的是考虑疲劳强度，也就是说结构 必须进行疲劳分析和按照疲劳观点进行设计。 ( 1 ) 无限寿命设计 无限寿命设计是最早的疲劳设计方法，它要求零部件的设计应力低于其 疲劳极限，从而具有无限寿命。对于需要经历无限次循环( 1 0 7 次) ，且对 自重没有严格要求的机械或零部件，如发动机气缸阀门、顶杆、弹簧、长期 频繁运行的轮轴等，它仍然是一种简单而合理的设计准则，现在国内机车车 辆设计使用此种设计方法”“。采用无限寿命设计方法设计的构件常常过于笨 重。 ( 2 ) 安全寿命设计 安全寿命设计又叫有限寿命设计，是从无限寿命设计方法基础上发展起 来的。它依据试验中得到的s n 曲线来进行设计，并且只保证零部件在规定 的使用期限内能够安全使用，因此，它允许零部件的工作应力超过其疲劳极 限，从而能够减轻自重，它是当前许多机械产品的主导设计准则。安全寿命 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 设计必须考虑安全系数，以考虑疲劳数据的分散性和其他未知因素的影响。 在设计中可以对应力取安全系数，也可以对寿命取安全系数，或者规定两种 安全系数都要满足，安全寿命设计可以根据s n 寿命曲线进行设计，即名义 应力有限寿命设计；也可以根据e n 曲线进行设计，即局部应力应变法。 ( 3 ) 破损一安全设计 破损一安全设计准则主要用于航空领域。它的实质是：结构在规定的使用 年限中，允许产生疲劳裂纹，并允许疲劳裂纹扩展，但其剩余强度应大于限 制载荷。而且，在设计中要采取断裂控制措施，以确保裂纹在被检测出来而 未修复之前不致造成结构破坏。 ( 4 ) 损伤容限设计 损伤容限设计是破损一安全设计方法的体现和改进。此法首先假定零部件 内存在初始裂纹，应用断裂力学方法来估算其剩余寿命，并通过试验来校验， 确保在使用期( 或检修期) 内裂纹不致扩展到引起破坏的程度，从而有裂纹 的零部件在其使用期内能够安全使用。 ( 5 ) 耐久性设计 耐久性是构件和结构在规定的使用条件下抗疲劳断裂性能的一种定量度 量。这种方法首先要定义疲劳破坏严重细节( 如孔、槽、圆弧、台阶等) 处 的初始疲劳质量，描绘与材料、设计、制造质量相关的初始疲劳损伤状态， 再用疲劳或疲劳裂纹扩展分析预测在不同使用时刻损伤状态的变化，确定其 经济寿命( 结构使用到某一寿命时，发生了不能经济修理的广布损伤，而不 修理又可能引起结构的功链问题，这一寿命称为经济寿命) ，制定使用、维修 方案。耐久性设计由原来的不考虑裂纹或仅考虑少数最严重的单个裂纹，发 展到考虑全部可能出现的裂纹群；由仅考虑安全，发展到综合考虑安全、功 能及使用经济性。耐久性设计已经开始应用于。些飞机结构及其他重要工程 构件中，是2 1 世纪疲劳断裂控制研究的一个主要发展方向。 由于疲劳问题十分复杂，影响因素又多，使用条件和环境差别大，上述 各种方法不能相互替代，而是相互补充。 2 4 平均应力对疲劳寿命的影响 决定结构疲劳强度的主要参数是应力幅，平均应力对疲劳强度的影响是 第二位的，但其影响也不容忽视“1 。 多数疲劳数据都是在试验室罩用对称载荷( r = 一1 ) 做试验的方法采集到 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 的。但大多数现场的服役条件都包含非零的平均应力。因此，了解平均应力 对疲劳过程的影响是非常重要的，这样才能有效地使用由对称载荷得到的试 验数据来进行疲劳评估。 在给定寿命下，研究循环应力幅和平均应力的关系，可得到如图2 4 所 示的结果。图中，横轴为平均拉应力和平均压应力，纵轴为交变常应力幅。 这是由h a i g h 首次提出的，因此也叫做h a i g h 曲线。 。f ，f 。”“。 。 ：y 。 # 一o ” r 趟 崔 椒 图2 4 高周疲劳数据图2 5 平均应力的影响 平均应力s 。= o 时所对应的应力幅& 就是r l 时的疲劳极限s ，。当s 。= 0 时，载荷成为静载，在极限强度瓯下破坏。由图2 4 可知：疲劳数据点构成 的曲线如果延伸的话在x 轴上将过材料的拉伸强度极限，也就是说，无论 如何平均应力s 。都不可能大于材料的拉仲强度极限。平均应力对压应力和 拉应力的影响是不同的。一般说来，拉伸平均应力使极限应力幅减小，疲劳 强度和寿命降低；压缩平均应力使极限应力幅增大，疲劳强度和寿命增加。 平均应力对正应力的影响比对切应力的影响为大。平均应力对疲劳强度和寿 命的影响情况见图2 5 。当应力幅咒给定时，平均应力s 增大，循环载荷中 的拉伸部分增大，这对于抑制疲劳裂纹的萌生和扩展是不利的，将使疲劳寿 命，降低。 因为通过试验得到h a i g h 曲线成本是非常高的，因此就出现了表示交变 应力幅和平均应力之间关系的经验公式。这些关系式很方便的用材料的拉伸 强度极限e 来描述不同的材料。对于有限寿命设计，这些方法用不同的曲线 连接交变应力轴上的疲劳极限t 和平均应力轴上的屈服应力氏、极限强度邑 或真实断裂应力。在这些关系式中，下面两式得到了最广泛的应用( 即 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 g o o d 腿n 曲线和g e r b e r 曲线) ： g o o d m a n 曲线： 量+ 显：1 s es 4 g e r b e r 曲线： ( 2 1 3 ) 蔓+ 障1 。l ( 2 _ 1 4 ) l 疋j g o o d m a n 曲线是通过直线连接和的，如图2 5 所示；g e r b e r 曲线是 通过抛物线连接芝和茂的，如图2 6 所示。在曲线下面区域内的任何一点都 表示在规定寿命 n 内不发生破坏；在区域外，则不到规定寿命 n 就发生疲 劳破坏；在曲线上，则恰好到规定寿命 n 时破坏。因此，图2 5 、2 6 也称 为材料的等寿命图。 图2 5g o o d m a n 陆线图图2 6g e r b e r 曲线图 经验表明：基本的试验数据大都落在这两条曲线之问。在r 口1 的设计 情况下，这两种方法有微小的差别；然而当r 接近于1 时，两种方法的差别 就比较大。在工程应用中，通常采用直线公式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 第3 章焊缝疲劳寿命分析 3 1 焊趾应力应变状态分析 焊接作为一种重要的生产手段，广泛应用于机器零件、工程结构的生产 制造。同时，焊接本身又是一种可能造成结构性能千变万化的工艺过程。结 构设计、焊接工艺和生产决定了焊件的抗疲劳性能，经过精心设计和加工的 焊件，其疲劳性能与锻造或切削加工成的零件疲劳性能相当啪3 ，而成本则低 得多。焊接接头的疲劳强度计算、焊接结构的寿命估算、确保焊件可靠性的 措施是焊接结构制造和使用的重要问题。随着焊接结构的广泛应用，这些问 题已受到国内外工程技术人员的高度重视。 疲劳是机器零部件和工程结构破坏的主要形式之一。在焊接结构中，结 构部件设计不佳、接头型式不合理和焊件缺陷等均是应力集中的主要根源， 焊件的疲劳强度将随应力集中程度的增加而降低，其中焊接接头焊趾根部是 最常见的疲劳裂纹萌生位置。在国际焊接学会( i i w ) 有关循环加载焊接结构的 设计规范中指出，焊接接头的疲劳强度主要取决于施加的应力幅和接头类别 所决定的应力集中，并采用s n 曲线规范焊接接头疲劳强度与寿命的关系。但 是，这些s n 曲线并未反映接头的实际焊缝几何形状和尺寸对焊趾应力集中程 度的影响。在弹性应力范围内，可以用理论应力集中系数k 表示焊趾的应力 集中程度，但是在大多数情况下，焊趾根部处于弹塑性应力状态下，不能直 接采用k 系数计算焊接接头的疲劳强度。一般采用疲劳缩减系数来反映焊趾 应力集中对焊接接头疲劳强度的影响，系数需要通过试验计算获得，所以采 用疲劳缩减系数计算焊接接头的疲劳强度受到一定制约，不够灵活。目前基 于能量密度理论的应力应变分析方法已经应用于缺口构件的疲劳强度计算。 采用精确的分析或有限元方法计算焊趾根部的非弹性应力应变值费时费 力，在工程上可以采用近似方法求解。在焊接接头中，如果焊趾根部材料处 于弹性状态时，局部应力可以用下式计算 或 oy=ok = o i k i 4。= o ( 平面应变)( 3 1 ) i口f = ，仃圩 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 o ：三：二乒 c 平面应力，c s z ， 式中，吒，q ( ) ，吒是焊趾根部弹性应力分量； ，是泊松比； q 是焊趾截面的平均应力；k 是焊趾理论应力集中系数。 在平面应力状态下，焊趾根部处于单轴应力状态，可以利用单轴应力 应变关系计算，其应变 ( 弹性状态)( 3 3 ) ( 弹塑性状态)( 3 4 ) 式中，e 是弹性模量；k 是材料强度系数；n 是材料硬化指数： s 。，是焊趾根部弹性应变和应力分量： 5 p ，是焊趾根部塑性应变和应力分量； 在弹性应力状态下，焊趾根部的应变能密度为 睨= 口d s 一丢盯气；矗 在平面应力条件下，将式3 2 代入上式，得 形：噼 对应于平均应力口的应变能密度为 形，堕 。 2 e 由此得 彬= 彬。霹 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 假设当焊趾根部产生局部塑性屈服时，其顶端的应变能密度与平均应 p 帕 鱼k + 吒一e 一e = = k 妒 s 占 或 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 变能密度彤之间仍然具有式3 8 的关系，即 睨，彬砰 ( 3 9 ) 如果材料的非线性应力与应变之间满足r a m b e r g 一0 s g o o d 关系式3 4 ， 则焊趾根部的应变能密度为 一一鲁+ 熹( 封 净 所以，式3 1 0 又可以表示为 鲁+ 未( 睾广= 蔷砰 c s 州， 当塑性几何体的平均应力q 超过材料的比例极限( 小于屈服极限。) 时，式3 8 仍然成立。对应的平均应变能密度为 彬丢焉( 甜 净蚴 由此可以得到焊趾根部应力与平均应力q 之间的一般关系 鲁+ 鲁( 鲁广= 鲁+ 三( 量) 珈 k ? c s 砌， 根据上式确定焊趾根部的应力值，利用r a m b e r g o s g o o d 关系，可以求 得焊趾根部的塑性应变值。 以上建立的方程适用于平面应力条件下焊趾根部应力与应变的分析计 算。在平面应变条件下，缺口顶端处于双轴应力状态，不能直接应用以上计 算的局部应力和应变作为焊趾根部的应力和应变。d o w l i n g 等人“”应用h o o k 定律和v o nm i s e s 判据，把单轴应力一应变曲线转变为双轴平面应变状态下的 应力与应变s ：的关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 。南 ( 3 一1 4 ) 小拱 仔 。：鉴 热卢2 老j 旷詈咆；一龇 砖，s ；是平面应变状态下缺口顶端的弹塑性应力与应变 ，是平面应力状态下缺口顶端的弹塑性应力与应变 。，。是平面应力状态下缺口顶端的弹性应变分量与塑性应变分量。 也就是，在平面应力状态下应用式3 一l l ( 或式3 一1 3 ) 和式3 4 计算焊趾根部 应力和应变，的值，然后应用式3 1 4 和式3 1 5 将和转换成平面应变 状态下的应力磁和应变g ：。 在循环载荷作用下，焊趾根部的应力应变水平仍然可以采用上述的方法 计算。其中只需采用循环载荷作用下的r a b e r g o s g o o d 应力一应变关系代替单 调载荷作用下材料的r a m b e r g o s g o o d 应力一应变关系 等；等+ f 等r ( 3 _ 1 6 ) 了3 面+ 【面j _ 1 6 ) 式中，口，e 是应力范围和应变范围；k7 是材料循环强度系数： n7 是材料循环硬化指数。 本节介绍了应用等效应变能密度理论为基础的局部应力应变，计算焊接 接头焊趾局部应力幅度的全过程。再结合母材的s n 曲线，就可以估算焊接 接头的疲劳强度和寿命。应用本方法计算得到的焊接接头的疲劳强度和寿命 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 估算值与试验结果较接近”“。如果能够根据每个焊缝的几何尺寸计算应力集 中系数，将提高计算结果的准确度。 3 2 焊缝分析的三种应力方法 应力的计算在疲劳校核中起到至关重要的作用【6 】。利用s n 曲线进行疲 劳累积损伤计算时，一条重要的原则是：所评估位置处的应力定义必须与获 取s n 益线时的应力定义一致。在结构疲劳评估中，应力分为三类，即名义 应力、热点应力和缺口应力。相应地，疲劳评估采用的s - n 曲线法也据此分 为名义应力法、热点应力法和缺口应力法三类。 3 2 1 名义应力和名义应力法 结构名义应力是结构相关截面上计算出的平均应力，它不包括焊接接头 结构细部处所产生的应力集中，但是结构的宏观几何形状( 例如大的开孔、缺 口等1 的影响必须包括在内。 劲劲 图3 一i 宏观几何形状对名义应力的影响 ：， j 醴豆 名。l 妒 图3 2梁类构件的名义应力 图3 1 是n i e m j 在文献 2 7 中给出的一些例子。名义应力一般可由梁模 型或粗网格有限元模型得到。例如，对于图3 2 所示的构件，名义应力包含 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 纵向名义应力吼和梁腹板上的平均剪应力l ，q 和q 可按下面的两个公式分 别计算： 嚷一等+ 芋- z n m 2( 3 _ 1 7 ) t 。；导n 心 呜 ( 3 一1 8 ) 式中，是轴向力；0 是截面积；m 是弯矩；是截面惯性矩； z 是从中和轴到所考虑点的距离；q 是剪力：4 是有效剪切面积。 名义应力的计算最简单，但在进行疲劳评估时，所使用的s n 曲线必须 与之对应。由于结构形式的千差万别，若再考虑到焊接的影响，需要由试验 来确定s n 曲线的构件类别可谓数不胜数。做如此大量的试验是不现实也是