轨道车辆结构疲劳概述讲义

1、. .轨道车辆构造疲劳概述一、 问题导入图1铁丝网假设，您有一位非常要好的朋友被困在铁丝网里图1所示，吃得好，喝得好，但就是渴望自由，想出来，可除了双手没任何工具，需要你帮他想个方法！引Q：逃脱简单，把铁丝网弄破就行，我拿着的是他铁丝网的一段，哪位同学帮他想方法扯断逃脱？A同学：使劲拽B同学：反复折B同学反复折，很轻松地就折断了！请同学们考虑一下，为什么A同学使劲拽没断，B同学轻轻地反复折就折断了？这其中蕴含的科学问题，就是我们今天要讲的疲劳。二、 疲劳概述1.预备知识在讲什么是疲劳之前，先回忆一下几个概念。1） 载荷Load使材料或构造以下统称构件产生内力和变形的外力及其它因素。更一般的，对

2、构件工作性能产生不良影响的外在因素，统称为载荷，比方说常见的力、弯矩以及温度、腐蚀载荷等。2） 应变、应力Strain, stress当构件在外力作用下不能自由移动时，它的几何形状和尺寸将发生变化也即变形，构件一点处的变形程度称为应变Strain。图2 应变应变描述：线应变名义应变，或称工程应变真实应变角应变构件发生形变时内部某一截面m产生了大小相等、方向相反的反作用力以抵抗平衡外力，与外载荷相对应，该反作用力F称为内力。把内力在一点的分布集度，即单位面积上的内力，称为应力Stress。图3 剖面内力分析法图4 应力分析应力描述：名义应力，也称工程应力真实应力(3)动、静载荷应力、应变根据随时

3、间的变化情况，载荷又分为静载荷(Static load)与动载荷(Dynamic load or Fatigue load)。随时间不变化或者变化非常缓慢的载荷，称为静载荷，反之称为动载荷也称交变载荷。相应的，应力与应变也有动、静之分。图5静载荷图6动载荷Q：变化与不变化好理解，“变化非常缓慢怎么理解和界定？A：先看个例子，如图7所示的承载系统，由可伸缩杆A和杆B组成，其中杆A长1.0米，极限承受载荷为40KN，最大压缩量为0.2米；杆B长为0.9米，极限载荷为30KN，最大压缩量为0.1米。外载荷F为动态加载，变化范围为050KN，为该承载系统是否平安？图7承载系统分析：杆A比杆B高0.1米

4、，说明加载开场时整个系统由杆A独立承载，这时如果载荷F加载过快而超过其极限载荷的话，杆A会瞬连续裂，而使杆B独立承载，由于此时的载荷已超过杆B的极限载荷，所以杆B在承载的瞬间也断裂；相反的，如果一开场F变化缓慢，杆A在被压缩0.1米之前所受的载荷没有超过其极限载荷，F再增加时那么由杆A、B共同承载，从而保证了系统的平安。“变化非常缓慢的目的，是让外部载荷在构件内部得到充分的分配，以最大限度地发挥构件的承载能力。具体到加载速率那么是由材料、构造形状以及载荷类型等因素决定。注：本例中承载不均匀现象就是下文所讲的应力集中。2.疲劳定义好了，现在讨论一下什么是疲劳(Fatigue)。之所以用“讨论，是

5、因为关于疲劳国内外学术界至今还没有统一的定义。我们先看一下比较有代表性的教材与文献中对疲劳是怎么阐述或定义的：国际标准化组织金属疲劳试验的一般原理，1964金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。美国试验与材料协会ASTM E206-72,1972The process of progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating

6、 stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or plete fracture after a sufficient number of fluctuations.在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中发生的局部、永久性构造变化的开展过程，称为疲劳。 X灏19191999"概率疲劳"，1994 材料、零件构件在循环应力或应变的作用下，在某点或某些点逐渐产生局部的、永久的构造变化，并在一定循环次数后形成裂纹或继续扩展直到

7、完全断裂的现象，称为疲劳。X灏，教授，博士生导师，东北工学院，我国第一部疲劳方面的专著疲劳强度设计赵少汴1932、王忠保"抗疲劳设计方法与数据"，1997材料在循环应力和应变的作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累计损伤，经历一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。称为疲劳赵少汴，教授级高工，机械工业部*机械研究所高镇同院士对于疲劳的定义，暂时没有找到，待添姚卫星1957"构造疲劳寿命分析"，2003金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。姚卫星，教授，博士生导师，*航

8、空航天大学李守新"高强度钢超高周疲劳性能非金属夹杂物的影响"，2021材料疲劳是指材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳李守新，研究员，博士生导师，材料疲劳与断裂国家重点实验室主任尚德广1963"多轴疲劳强度"，2007疲劳是指材料或零件在循环作用下，经过一段时间发生突然脆性断裂的现象。尚德广，工业大学教授，博士生导师，我国第一部多轴疲劳方面的专著维基百科英文2021Inmaterials science,fatigueis the progressive and localized structural

9、 damage that occurs when a material is subjected to cyclic loading. The nominal maximumstressvalues are less than theultimate tensile stress limit, and may be below theyield stress limitof the material.在材料学领域，疲劳是指在循环载荷下，最大名义应力小于断裂极限、甚至比屈服极限还要低的情况下，材料发生的局部、永久性构造损伤。看了那么多定义，有说“现象是疲劳的，也有说“过程是疲劳的，有同学可能疑惑

10、了：到底什么是疲劳？再答复这个问题之前，让我们再次回到，开场的“折铁丝的案例。我们说一个定义要抓住事物的“最本质特征。比照一下A、B同学的折铁丝的方法，最本质的区别有2点：1反复折，2容易折断，也即抵抗破坏的能力强度降低了。因此，我们就可以给疲劳下一个自己的定义赵怀瑞1977"车辆构造疲劳"讲座，2021在交变应力或应变作用下构件抵抗破坏能力下降的现象，称为疲劳;相应的,由疲劳现象导致构造的最终破坏或失效称之为疲劳破坏失效。关于我们的定义，请同学们思考：1在对疲劳的定义中，为什么不用交变载荷？2“抵抗能力下降与以往定义中的“构造变化、“损伤之间的关系？3本定义对疲劳破坏的“

11、过程性是怎么表达的？3.疲劳特征好了，通过上述对疲劳定义的分析，我们反过来再总结一下疲劳有哪些特征。1交变应力、应变载荷Q1：载荷与应力、应变的关系，或者说静载荷是否就一定产生静应力、应变？A1：不一定，除了载荷外还要看受力方位？是否变化。以匀速运行中的火车轮对为例，其所受的力F与扭矩是不变的图8 a，然而由于轮对是旋转滚动的，就造成了车轴外表上的一点在上方时受拉应力，而转到下方时那么受压应力，其实际的应力时间历程如图8 b所示。a) 轮对受力b) 车轮腹板某点应力图8 轮对受力示意图Q2：是不是有交变载荷就一定会产生疲劳？或者说，疲劳发生时，交变载荷是否有一个区间范围？A2：是的，构件所受的

12、交变载荷在一定的区间范围内才发生疲劳。交变载荷的上限，这个不难理解，当载荷到达一定值，比方说断裂极限，构件就瞬间就断了，为静态断裂，不是疲劳对吧？我们主要分析一下下限。早期对构件应力与寿命的试验研究发现，当载荷小到一定的值V，经历无限次循环后构件也不会发生破坏，把V的最大值称为构件的疲劳极限图9 a。在近几年的超高周疲劳研究中，疲劳极限有些弱化，甚至有些研究结果中就没有出现疲劳极限图9 b。a)低周疲劳的S-N曲线b)超高周疲劳的S-N曲线图9 典型材料的S-N曲线但是，我们要明确这个极限确是存在的。比方说，对于刚开场折铁丝的例子，我采取吹的方法，从这边吹一下，再从这边吹一下，是不是交变载荷？

13、是！但是能吹断不？永远不能！至于下限的具体值，和构件的材料、形状以及载荷类型等因素有关。通常情况下，金属的疲劳脆性破坏通常产生于最大弹性载荷极限1/21/4的情况下；少数情况下，材料在受到小于1/8的弹性载荷极限的情况也可能发生疲劳破坏。引Q:交变载荷不一定产生疲劳，如何判断一个构件是否疲劳破坏？在答复上述问题之前，先看一X图片图10。从图10中，可以看出一圈圈的同心圆环， 植物学上称为年轮。它是树木在成长的过程中，随着季节、气候、降雨量等因素变化交变载荷，而留下的时间痕迹。这些痕迹里边包含了大量的气候、天文、 医学和环境等方面的历史信息，甚至在历史考古、林业研究、地质和公安破案等方面，年轮也

14、起着重要的作用。对于承受交变载荷的构件，是否也会留下一些时间上的痕迹呢？答案是肯定的。同树的年轮一样，我们也可以通过对断口“痕迹的分析，获得构件载荷、裂纹萌生及裂纹扩展等信息，根据这些信息就可以进一步判断构造是否发生了疲劳破坏。图10 树的年轮2） 断口特征至于疲劳断口“痕迹的具体特征，这节课暂时不讲，等大家课后做完折铁丝的试验后再做讨论。3过程性、局部性、所谓的过程性，是指疲劳断裂不同于静强度的瞬连续裂，而是经历了裂纹萌生、扩展与瞬连续裂的过程。静载下的破坏，取决于构造整体；疲劳破坏那么由应力或应变较高的局部开场也即局部性，形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。构件应力集中处，常常是疲劳裂纹的起

15、源。因此，设计产品时要注意细节设计，尽可能减小应力集中。4低应力、突发性疲劳断裂时，整体载荷水平较低，没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏。Q:有文献讲“疲劳发生在应力小于断裂极限、甚至比屈服极限还要低的情况下，怎么理解？A:在概念回忆的时候讲过，描述一点的应力有两种方式，其中之一是采取局部或整体平均的名义应力法，它反映的是区域或整体的平均受载情况，并非某点的真实应力状态。我们知道疲劳裂纹扩展时，裂纹前端的真实应力一定超过断裂极限后才会导致裂纹的继续扩展，所以您说文献中的“应力是一个平均应力的概念。引Q：大家猜一猜，最为一个产品设计者或用户，最关心的是疲劳的哪个特征？A: 低应

16、力、突发性是的！也正是疲劳的这个“低应力、突发性的特性导致了大量的构造断裂事故，有些甚至是灾难。先看一下几乎所有的疲劳课都要讲的两个灾难性事故4.疲劳危害1美国航天飞机的爆炸事故美国是世界航空航天技术大国，也是绝对霸权国。截止目前，共建有5架航天飞机，起落100屡次，而这中就发生了两起爆炸解体事故。第一次发生在1986年，挑战者号航天飞机升空仅76秒就发生爆炸。第二次是2003年，哥伦比亚号在落地过程中发生爆炸解体。图11 哥伦比亚号事故事故调查说明，两起爆炸事故的原因都是构造的疲劳！一家航天飞机的造价超过20亿美元，更重要的是人的生命与一个国家颜面用钱是难以衡量的！现在转向我们所从事的轨道车

17、辆领域。2ICE高速列车脱轨事故我们先看一个视频。这个视频讲述的是发生在1998年6月3日慕尼黑开往汉保的ICE高速列车脱轨事故。事故中，第三节脱轨后与桥墩猛烈冲撞，使桥梁跨线桥局部坍塌坠落；第4-5节拖车被坍塌的桥梁砸毁，后部第6-12节拖车以最大的惯性冲撞挤压在一起。图12为事后的救援图片，非常惨烈。图12 ICE高速列车事故现场这次事故造成101人死亡，88人重伤，直接经济损失2亿马克，约合人民币8.2亿。事后的调查报告说明，第一节拖车3轮对的疲劳断裂是罪魁祸首！除了上述ICE脱轨事故外，国内外还有很多，在此不再赘述。通过以上的事故案例，可以看出疲劳严重影响了构造的运行平安，疲劳断裂也给

18、国民经济的开展带来巨大的影响。1982年美国商业部国家标准局受众议院委托对调查断裂疲劳对国民经济的影响，发现断裂使美国每年损失1190亿美元，占当年国民生产总值的4%。对如何降低疲劳损失，该报告也从政府层面给出如下建议措施：1)向设计、制造人员普及疲劳及断裂的根本知识，采取抗疲劳设计方法、注重细节等，可以减少损失29%约345亿/年，这也是我们开设这门课的原因之一。2)充分利用现有的疲劳研究成果，可再减少损失24%约345亿/年剩余的47%，有待于根底理论与方法，如疲劳产生机理、抗疲劳设计方法、关键部位裂纹在线检测与实时预警等方面研究上的突破。自1829年德国工程师Albert提出第一份关于链条疲劳问题的研究报告以来，在近2个世纪里众多研究人员和学者在疲劳领域做了大量的研究工作，为构造平安和疲劳学科的开展做