车辆疲劳设计

车辆疲劳设计第1页，共45页，2023年，2月20日，星期四主要内容1.引言2.疲劳的基本概念3.疲劳设计方法4.疲劳载荷类型与S-N曲线5.Miner损伤累积的能量属性

6.计算疲劳寿命的基本公式

7.计算疲劳寿命前的应力编谱

8.一个用计算器计算疲劳寿命的例子

第2页，共45页，2023年，2月20日，星期四1.引言

1.1几个基本概念：（1）疲劳破坏：零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。这种现象称为疲劳破坏。

（2）疲劳裂缝形成的特点：隐蔽性（裂缝形成）和瞬发性（疲劳断裂）（3）疲劳破坏造成的严重后果：

二次世界大战期间美国制造的全焊接船舶，有近千艘出现开裂；

第一架喷气式客机在试飞300小时后投入使用，检修后第4天坠入地中海，打捞后结果分析显示，压力舱疲劳破坏引起，裂缝起源于机身开口的拐角处；

美国西弗吉尼亚的PointPleasant桥突然毁坏，造成46人死亡，原因是由一根带环拉杆中的缺陷在疲劳、腐蚀的作用下扩展到临界尺寸而引起；

有报告指出：断裂使美国一年损失1190亿美元。

第3页，共45页，2023年，2月20日，星期四1.引言

1.2在机车车辆行业疲劳研究的重要性：金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设计。随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。第4页，共45页，2023年，2月20日，星期四1.3疲劳研究存在的最大问题：有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。至今有约90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。因此，在21世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。1.引言第5页，共45页，2023年，2月20日，星期四1.引言1.4疲劳产生的原因和提高疲劳的基本途径：

疲劳断裂的产生：是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部位。

提高构件疲劳强度的基本途径:一种是机械设计的方法，主要有优化或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。在解决实际工程问题时，往往需要结合运用以上两种方法进行疲劳强度设计和研究。合理地利用各种提高疲劳强度的手段，可以有效地提高构件的疲劳强度或延长其疲劳寿命，并起到轻量化的作用。第6页，共45页，2023年，2月20日，星期四1.引言1.5疲劳问题研究的分类:1）疲劳裂纹的形成和扩展机理、规律方面的基础性研究;2)疲劳强度设计以及提高疲劳强度的有效途径等应用性研究。

指出的是:应用性研究虽然借鉴了基础性研究的成果，但因为它需要考虑更多的实际影响因素，所以它的研究更为复杂和困难。

关于疲劳寿命的预测和疲劳强度设计等应用性研究要少得多，远远落后于实际工程的需求。第7页，共45页，2023年，2月20日，星期四1.引言1.6疲劳研究的必要性疲劳强度设计和寿命预测的研究主要是以试验为基础进行的。随着计算机应用技术和有限元数值计算理论及其应用的迅速发展，现在又兴起了基于大量试验数据的疲劳强度设计和寿命计算的有限元数值计算方法，有力地推动着零部件疲劳强度设计的研究及应用的发展。如今，随着高速、重载铁路货车动负荷的加剧，疲劳失效现象的显著增多，特别是焊接结构的疲劳破坏更为明显。由于疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性，而疲劳断裂时又具有瞬间突发性，如果一但发生疲劳断裂事故，必然带来严重的后果。因此，在设计阶段，采用先进的分析手段，开展抗疲劳设计，有效评估结构的抗疲劳性能，已成为一个刻不容缓的研究课题。第8页，共45页，2023年，2月20日，星期四2.疲劳的基本概念2.1疲劳定义

疲劳一词的英文是Fatigue，意思是“劳累、疲倦”。作为专业术语，用来表达材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。国际标准化组织（ISO）在1964年发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中对疲劳所做得定义是“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做疲劳；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”。

美国实验与材料协会（ASTM）在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”所做的定义：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所发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为疲劳。

这一个描述也普遍使用于非金属材料。第9页，共45页，2023年，2月20日，星期四2.疲劳的基本概念2.2疲劳问题具有的特点

1）只有在承受扰动应力作用的条件下，疲劳才会发生。

扰动应力是指随时间变化的应力。描述载荷—时间变化关系的图与表，称为载荷谱，还有应力谱、应变谱、加速度谱等；在研究疲劳问题时，首先要研究载荷谱的描述与简化。第10页，共45页，2023年，2月20日，星期四2.疲劳的基本概念2.2疲劳问题具有的特点

2）疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部。

静载下的破坏，取决于结构整体；疲劳破坏则是由应力或应变较高的局部开始，形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。局部性是疲劳的明显特点。要注意细节设计，尽可能减少应力集中。3）疲劳破坏是在足够多次的扰动载荷作用之后，形成裂纹或完全断裂。

足够多次的扰动载荷作用后，从高应力或高应变的局部开始，形成裂缝，称为裂纹起始。此后，在扰动载荷作用下，裂缝进一步扩展，直至临界尺寸而完全断裂。裂纹萌生—扩展—断裂三个阶段是疲劳破坏的特点。

4）疲劳是一个发展过程。第11页，共45页，2023年，2月20日，星期四2.疲劳的基本概念2.3疲劳的分类

从不同的角度进行分类。

从微观上看，疲劳裂纹的萌生都与局部微观塑性有关，但从宏观上看，在循环应力水平较低时，弹性应变起主导作用，此时疲劳寿命较长，称为应力疲劳或高周疲劳；在循环应力水平较高时，塑性应变起主导作用，此时疲劳寿命较短，称为应变疲劳或低周疲劳。

不同的外部载荷造成不同的疲劳破坏形式，由此可以将疲劳分为：机械疲劳—仅有外加应力或应变波动造成的疲劳失效；蠕变疲劳—循环载荷同高温联合作用引起的疲劳失效；热机械疲劳—循环载荷和循环温度同时作用引起的疲劳失效；腐蚀疲劳—在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加循环载荷引起的疲劳失效；滑动接触疲劳和滚动接触疲劳—载荷的反复作用与材料间的滑动和滚动接触相结合分别产生的疲劳失效；微动疲劳—脉动应力与表面间的来回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的疲劳失效.第12页，共45页，2023年，2月20日，星期四2.疲劳的基本概念2.4疲劳寿命疲劳寿命是指结构或机械直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。从疲劳损伤发展过程看，有二阶段疲劳寿命模型、三阶段疲劳寿命模型和多阶段疲劳寿命模型。二阶段疲劳寿命模型三阶段疲劳寿命模型多阶段疲劳寿命模型第13页，共45页，2023年，2月20日，星期四2.疲劳的基本概念2.5疲劳研究的三个尺度

材料科学研究疲劳问题，着重材料在反复载荷作用下材料中损伤出现和演化的机制；宏观力学着重研究光滑或简单缺口试验件在反复载荷作用下的力学行为；结构或机械设计研究人员则着重抗疲劳设计的研究。第14页，共45页，2023年，2月20日，星期四3.疲劳设计方法3.1无限寿命设计

“对于疲劳，应力幅比构件承受的最大应力更重要。应力幅越大，疲劳寿命越短；应力幅小雨某一极限值时，将不发生疲劳破坏”。

对于无裂缝构件，控制其应力水平，使其小于疲劳持久极限（Sf)，则不萌生疲劳裂缝。所以其无限寿命设计条件为：

材料的疲劳持久极限Sf由S-N曲线给出。其中20世纪60年代研究裂缝扩展的结果指出，裂缝扩展的控制变量—应力强度因子幅度也存在着一个门槛值。对于已有裂缝存在的构件，控制其应力强度因子，使其小于门槛值，则虽有裂缝但不扩展，也可以实现无限寿命设计。第15页，共45页，2023年，2月20日，星期四3.疲劳设计方法3.2安全寿命设计

无限寿命设计要求将构件中的使用应力控制在很低的水平，材料的潜能得不到充分发挥，对于并不需要经受很多循环次数的构件，无限寿命设计就很不经济。使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计，称之为安全寿命设计（safe-lifedesign)或有限寿命设计，飞机、车辆等大多数都采用安全寿命设计。

材料的S-N曲线和Miner累计损伤理论，是安全寿命设计的基础。3.3损伤容限设计

由于有裂纹的存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。提出了裂纹尖端场控制变量—应力强度因子K的概念，并提出疲劳裂纹扩展速率可以由应力强度因子幅度来描述。损伤容积极限是为保证含裂纹或可能含裂纹的构件的安全。设计思路：假定构件中存在着裂纹，用断裂力学分析、疲劳裂纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查肯定能发生裂纹前，裂纹不会扩展到引起破坏。断裂判据和裂纹扩展方程是损伤容限设计的基础。第16页，共45页，2023年，2月20日，星期四3.疲劳设计方法3.4耐久性设计

耐久性设计是以经济寿命控制为目标的设计。耐久性设计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。这种方法首先定义疲劳破坏严重细节（如孔、圆弧、台阶）处的初始疲劳质量，描述与材料、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用使用时刻损伤状态的变化，确定其经济寿命，制定使用、维修方案。

小结：上述各种疲劳设计方法，都反映了疲劳断裂研究的发展和进步，但是，由于疲劳问题复杂，影响因素多，使用条件和环境差别大，各种方法不是互相替代，而是相互补充的。

不同构件，不同情况，应采用不同方法。第17页，共45页，2023年，2月20日，星期四4疲劳载荷类型与S-N曲线

4.1疲劳载荷的类型与基本术语

1)什么叫疲劳载荷？使零件或构件发生疲劳破坏的动载荷.

2）疲劳载荷的类型

一类是其大小和正负方向随时间周期性地变化的交变载荷；另一类是大小和正负方向随时间随机变化的随机载荷。

tσσmaxσmin△σσat0σmσmaxσminσaσ0对称循环交变载荷

不对称循环交变载荷

第18页，共45页，2023年，2月20日，星期四4疲劳载荷类型与S-N曲线4.1疲劳载荷的类型与基本术语3）一个周期的应力变化过程称为一个应力循环。应力循环特点可用循环中的最大应力σmax、最小应力σmin和周期T（或频率f=1/T）来描述。4）应力幅σa和应力范围△σ（也称为应力振幅、应力幅度）的概念应力幅σa反映了交变应力在一个应力循环中变化大小的程度，它是使金属构件发生疲劳破坏的根本原因。第19页，共45页，2023年，2月20日，星期四4疲劳载荷类型与S-N曲线4.1疲劳载荷的类型与基本术语tσσmaxσmin△σσat0σmσmaxσminσaσ0除承受有动载荷外，还有静载分量荷时，动静载荷的共同作用下的应力-时间变化曲线。？有什么特点：平移一个了静应力分量。

第20页，共45页，2023年，2月20日，星期四4疲劳载荷类型与S-N曲线4.1疲劳载荷的类型与基本术语

5）应力比，有时又称为不对称系数当R=-1时的循环应力即为对称循环应力，当R≠0时统称不对称循环应力。其中，R=0时为拉伸脉动应力循环，R=-∞时为压缩脉动循环，R=1是静载荷6）平均应力，用σm表示第21页，共45页，2023年，2月20日，星期四4疲劳载荷类型与S-N曲线4.1疲劳载荷的类型与基本术语

7）静载荷到底对疲劳有没有影响？静载分量或平均应力对构件的疲劳强度有一定的影响。压缩平均应力往往提高构件的疲劳强度，而拉伸平均应力往往降低构件的疲劳强度。在疲劳强度和疲劳寿命的研究中，给定一个循环应力水平时，需要同时给出应力幅σa和应力比R。或者同时给出最大应力σmax和平均应力σm，也有时直接给出最大应力σmax和最小应力σmin来表示循环应力水平。第22页，共45页，2023年，2月20日，星期四4疲劳载荷类型与S-N曲线已知、R时，其它参数便可由下式得到

已知、，求第23页，共45页，2023年，2月20日，星期四4疲劳载荷类型与S-N曲线4.2材料的S-N曲线与基本术语1）一般情况下，材料所承受的循环载荷的应力幅越小，到发生疲劳破断时所经历的应力循环次数越长。2）S-N曲线就是材料所承受的应力幅水平与该应力幅下发生疲劳破坏时所经历的应力循环次数的关系曲线。3）S-N曲线一般是使用标准试样进行疲劳试验获得的。

σ-1σNS-N疲劳曲线

纵坐标表示试样承受的应力幅，有时也表示为最大应力，但二者一般都用σ表示；横坐标表示应力循环次数，常用Nf表示第24页，共45页，2023年，2月20日，星期四4疲劳载荷类型与S-N曲线4.2材料的S-N曲线与基本术语4）S-N曲线的一般形状和若干特性值(进一步说明)

材料疲劳性能试验所用标准试件，一般是小尺寸（3-10mm)光滑圆柱试件.材料的S-N曲线,给出的是光滑材料在恒幅对称循环应力作用下的裂纹萌生寿命。

用一组标准试件，在给定的应力比R下，施加不同的应力幅，进行疲劳试验，记录相应的寿命N，即可得到所示的S-N曲线。寿命N趋于无穷大时所对应的应力的极限值Sf，称为材料的疲劳极限。由于疲劳极限是由试验确定的，试验又不能一直做下去，所以在许多试验研究的基础上。定义：钢材，107

次循环；焊接件，2x106

次循环；有色金属，108

次循环第25页，共45页，2023年，2月20日，星期四4疲劳载荷类型与S-N曲线4.2材料的S-N曲线与基本术语为使用方便，在双对数坐标系下S-N曲线被近似简化成两条直线。S-N曲线中的水平直线部分对应的应力水平就是材料的疲劳极限，其原意为材料经受无数次应力循环都不发生破坏的应力极限；对钢铁材料此“无限”的定义一般为107次应力循环。但现代高速疲劳试验机的研究成果表明，即使应力循环次数超过107材料仍然有可能发生疲劳断裂。

某些不锈钢和有色金属的S-N中没有水平直线部分，此时的疲劳极限都一般定义为108次应力循环下对应的应力幅水平。疲劳极限是材料抗疲劳能力的重要性能指标，也是进行疲劳强度的无限寿命设计的主要依据。

第26页，共45页，2023年，2月20日，星期四4疲劳载荷类型与S-N曲线4.3材料的S-N曲线的数学表达式中σ为应力幅或最大应力，N为达到疲劳破断时的应力循环次数，m，C材料常数。斜线部分是零部件疲劳强度的有限寿命设计或疲劳寿命计算的主要依据。材料或构件到发生疲劳破坏时所经历的应力循环次数称为材料或构件的疲劳寿命，通常它包括疲劳裂纹的萌生寿命与扩展寿命之和。疲劳裂纹萌生寿命为构件从开始使用到局部区域产生疲劳损伤累积、萌生裂纹时的寿命；裂纹扩展寿命为构件在裂纹萌生后继续使用而导致裂纹扩展达到疲劳破坏时的寿命。在疲劳强度设计中，疲劳破坏可能被定义为疲劳破断或规定的报废限度。σ-1σN第27页，共45页，2023年，2月20日，星期四5Miner损伤累积的能量属性第28页，共45页，2023年，2月20日，星期四5Miner损伤累积的能量属性

Miner线性累积损伤理论是最适用和简单的；Miner理论认为材料的疲劳破坏是由于循环载荷的作用而产生损伤并积累造成的；疲劳损伤累积达到破坏时吸收的净功W与疲劳载荷的加载历史无关，并且材料的疲劳损伤程度与应力循环次数成正比。设材料在某一等级应力下达到破坏时的应力循环次数为N1，经n1次应力循环而产生疲劳损伤吸收的净功为W1

：第29页，共45页，2023年，2月20日，星期四5Miner损伤累积的能量属性在i个应力水平级别下，分别对应ni次应力循环时，材料疲劳累积损伤为：

ni表示第i级应力水平下经过的应力循环数；Ni表示第i级应力水平下达到破坏时的应力循环数。

每种给定的具体结构都具有一定的抵抗疲劳破坏的能量，当结构形式确定后，该结构所具有抵抗疲劳破坏所储存的能量就是一个常量。在结构受到疲劳载荷作用下，当这种载荷引起的动应力大于该结构的疲劳极限时就会引起一定的能量损伤，当这样的损伤值累积到结构所具有的能量时，结构将引起疲劳破坏。双对数坐标系下的S-N曲线

第30页，共45页，2023年，2月20日，星期四5Miner损伤累积的能量属性进一步的理解：对于给定的材料或焊接结构，它为了抵抗疲劳破坏而储存的能量是给定的，不随加载方式及次序的改变而改变。当加载状态恶劣时，储存的抵抗疲劳的能量消耗就多一些，反之则少一些。用寿命来度量，前者寿命短一些，后者则长一些，这一观点亦可以从S-N曲线上得到物理意义上的解释。（摘自兆文忠老师讲稿）能量的角度进一步说明？双对数坐标系下的S-N曲线

第31页，共45页，2023年，2月20日，星期四5Miner损伤累积的能量属性说明如下：第32页，共45页，2023年，2月20日，星期四6计算疲劳寿命的基本公式

IIW中以名义应力变化范围度量的S-N曲线BS7608中以名义应力度量变化范围的S-N曲线

两者有什么不同和相同？第33页，共45页，2023年，2月20日，星期四6计算疲劳寿命的基本公式在IIW、BS标准中，一种或一类焊接接头对应一条S-N曲线。与IIW、BS完全不同；美国ASME（2007）标准中提供的S-N曲线只是一个数学模型，该模型的科学性下面将有较详细的讨论；这里需要指出的是，不管是IIW、BS，还是ASME(2007)，它们的数学形式是一样的，数学本质也是一样的；敏度应力扰动后的新寿命

第34页，共45页，2023年，2月20日，星期四7计算疲劳寿命前的应力编谱第35页，共45页，2023年，2月20日，星期四7计算疲劳寿命前的应力编谱在估算结构的疲劳寿命前，需要对结构应力谱随机时间历程进行编谱分析。一般都采用疲劳研究中最常用的雨流计数法进行编谱。线路实验中贴片获取某一点的动应力，然后编谱：其编谱过程如下：1）去掉原始数据中非正常信号，即通常的去掉毛刺（spikeremoval）；2）经快速傅立叶变换，获得频谱，在频谱中发现了50Hz的干扰频率；3）根据频谱信息进行滤波，滤波频率为40Hz；4）应力幅值雨流计数，从而获得了可以进行疲劳寿命计算的动应力谱。第36页，共45页，2023年，2月20日，星期四7计算疲劳寿命前的应力编谱第37页，共45页，2023年，2月20日，星期四7计算疲劳寿命前的应力编谱总结：1）将贴片布点所处的结构细部与IIW（Fatigueresistancevaluesforstructuraldetailsinsteelassessedonthebasisofnormalstresses－基于标称应力的钢结构细部疲劳强度值列表）提供的结构细部对比，并考虑外载荷方向，选择合适的类型进行疲劳寿命计算。2）根据每一级别的FAT值，由IIW中的表（Constants,constantamplitudefatiguelimitandcut-offlimits－S－N曲线的常数C，等幅疲劳极限及截断极限）中选择相应的S－N数据。3）一旦获得了动应力谱以及S－N曲线数据，即可计算出每一焊接接头的疲劳寿命。第38页，共45页，2023年，2月20日，星期四8用计算器计算疲劳寿命的例子由