可靠性相关资料读书报告

《可靠性相关资料读书报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可靠性相关资料读书报告（15页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、可靠性相关资料读书报告1. 基本定义：可靠性的定义：所谓可靠性是指“产品在规定时间内，在规定的使用条件下，完成规定 功能的能力或性质”可靠性的概率度量称为可靠度(GJB451-90 )。可靠性也有表征它自 己性质的定量参数，常用的可靠性参数有：可靠度、失效分布或寿命分布函数、概率密度函 数、失效率、平均寿命、或平均故障间隔时间、有效度。维修性的定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时， 保持或恢复到规定状态的能力。维修性的概率度量称维修度。 (GJB451-90. GJB/Z91-97)广义可靠性(Generalized Reliability)：是指“产品在其整个

2、寿命期限内完成规定功 能的能力”。它包括可靠性(即狭义可靠性)与维修性。由此可见，广义可靠性对于可能维修 的产品和不可能维修的产品有不同的意义。对于可能维修的产品来说，除了要考虑提高其可 靠性外，还应考虑提高其维修性；而对于不可能维修的产品来说，由于不存在维修的问题， 只需考虑提高其可靠性。可用性定义：可用性是产品在任一随机时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使 用状态的程度。可用性的概率度量称可用度。这里已包括了维修的效用在内。对于可能维修 的产品，当发生故障时，只要在允许的时间内修复后又能正常工作，则其有效度与单一可靠 度相比，是增加了正常工作的概率。2. 可靠性试验分类按照试验工作项

3、目分：环境应力筛选试验、可靠性增长试验、可靠性鉴定试验、可靠性 验收试验。按寿命试验分类：寿命试验、贮存寿命试验、加速寿命试验、环境试验。3. 可靠性理论的应用结构可靠性基本理论的研究始于二十世纪二十年代。可靠性主要是研究统计不确定性， 且用概率来度量。结构可靠性对相关力学学科的发展和新兴学科分支的诞生，起到了很大的 推动作用。二十世纪七十年代发展了概率疲劳理论。二十世纪八十年代发展了概率断裂学和 随机结构动力学。现在结构可靠性在航天、航空、车辆、土建等各个领域得到了成功的应用。4. 可靠性应用于机车车辆中的历程现代机车车辆结构设计理念中，产品抗疲劳性能是重要标志之一。据统计，大约有80%90

4、%的零件破坏是由疲劳引起的。新产品开发中不仅要求结构具有良好的可靠性 (Reliability)、耐久性(Durability),而且还要求结构尽可能轻量化(Lightweight),以便 提高结构承载能力和产品竞争力。随着市场竞争日趋激烈，产品开发周期极大的缩短，结构 轻量化和耐久性设计也越来越受到重视,结构疲劳可靠性对机车车辆结构运行的安全性来说 尤为重要,但与结构轻量化常常出现矛盾。因此,结构疲劳可靠性成为当前现代机车车辆结 构设计研究的一个重点与发展趋势。机车车辆结构疲劳可靠性主要研究内容就是其结构部件的疲劳寿命。目前国内外对结 构疲劳寿命研究主要趋势之一就是采用物理失效(Physic

5、sFailure)方法去设计和预测结构 疲劳寿命,即直接或间接控制施加在结构部件上的载荷时间历程,分析结构部件的疲劳损伤 失效,同时确定其有效的寿命。4.1 国外研究状况及发展自 19 世纪上半叶以来,许多国内外专家学者都为疲劳研究和发展做出了开拓性的研究 和贡献。现代结构疲劳分析也已经发展成为一个包含多学科的研究分支和领域。R.K.Luo, B L Gabbitas(1994)等较早提出利用有限元疲劳设计方法对地铁车辆转向架 构架的疲劳寿命进行估算。整个分析过程分为五部分,其中包括：轨道不平顺的定义和测量； 车辆建模和轮轨外形描述；获得铁路车辆悬挂系统的载荷历程；车辆系统动力学仿真分析以 及

6、构架的应力评估；转向架构架疲劳寿命评估。整个研究的对象为一辆典型的伦敦地铁车辆, 动力学分析采用VAMPIRE软件，有限元采用PAFEC软件包，其疲劳计算结果和实际运行车辆 试验结果对比显示了良好的一致性。这种基于实际车辆轨道运行的转向架而进行的疲劳设计 方法,在设计阶段应用被证明是可能的。St efan Die tz(1998)等根据轻量化设计的货运机车转向架构架结构，提出了一种承受 随机动载的结构疲劳寿命预测方法。该法主要基于结构在频域和时域的混合计算预测结构疲 劳寿命。这种方法可以有效节省计算机分析机时。它利用一种并行的计算机软件仿真环境， 即集成计算机辅助设计(CAD)，有限元法(FE

7、M)和多体系统(MBS )方法对转向架构架进行疲劳 寿命预测。其基本过程是：通过多体仿真计算得到作用在构架上的随机动载荷(考虑构架的 弹性影响)。对于运行在直线轨道上的转向架，动力学运动方程考虑成线性关系，此时轨道 激励主要是轨道不平顺的功率谱；在产生较大动载的斜坡轨道或是曲线轨道运行时，动力学 运动方程通过非线性微分方程进行仿真计算，这时的轨道激励主要是轨道的随机不平顺。根 据多体系统动力学的仿真计算得到载荷时间历程和有限元法求得构架的应力 SIC 相乘叠加 求得构架的动应力分布，最后在多体系统(MBS)的后处理FATIGUE程序中，运用雨流计数法 和 Palmgren-Miner 法则进行

8、构架疲劳寿命的预测。Hong Su(2000)提出一种频域的结构疲劳寿命预测方法，即通过模拟汽车的随机振动过 程，得到结构关键部位的加速度和动应力响应及其功率谱密度，并结合有限元分析技术、随 机振动和疲劳累积损伤理论对仿真结果进行后处理，估算出结构的疲劳寿命。结构的频率响 应主要是通过应用MSC.NASTRAN频响分析模块进行计算，随机响应的统计特征通过PSD函数 进行描述，并计算了承受多通道载荷激励的后轴装配结构的疲劳损伤和寿命，结论是采用随 机振动分析方法进行结构疲劳寿命估算所需仿真费用相对较低。Srikantan S.， Yerrapalli S.和Keshtakar H(2000)讨论

9、了使用现场测试数据进行卡 车车体结构的耐久性以及疲劳分析的方法。研究重点在于结构可靠性分析和疲劳分析应力/ 应变强度分析方法的不同，同时研究了现场路面测试的车辆数据如何应用在车辆疲劳寿命的 仿真中。结构应力由MSC.NASTRAN确定，而结构疲劳寿命预测利用MSC.FATIGUE进行。如果 结构寿命达不到疲劳设计标准要求，样机的结构就需要进行重新优化设计并修改。Medepalli和Rao(2000)讨论了车辆疲劳设计需要的路面载荷。文献中主要讨论如何在 车辆设计早期阶段利用计算机仿真技术预测路面载荷状况。多体系统利用ADAIvf进行计算 机仿真，从仿真中获得结果文件用来分析路面载荷，结果表明柔

10、性体的模型更接近实际测量 的路面载荷。H.Riener ， D.Peiskammer, W.Witteveen(2001)比较了两种不同的有限元疲劳寿命预 测方法。对汽车前悬架利用模态应力法和准静态应力法预测悬架结构寿命。在对悬架结构进 行多轴准静态的疲劳寿命预测中，不仅考虑由于结构变形产生的应力，还考虑了结构柔性的 影响，以及轮胎模型和各种路面状况影响因素，整车的多体动力学仿真软件采用ADAMS，耐 久性分析采用软件FEMFAT。最后得出了两点结论：基于结构切向力(CuttingForce)的结构 疲劳寿命预测容易导致不真实的结果；基于模态应力法可以比较准确的预测结构的弹性变形 影响。KIM

11、 H. S，YIM.H.J.和Kim C.B. (2002)使用DADS对仿真车辆进行刚、柔体混合建模 及多体动力学分析，同时增加了结构的耐久性评估。研究对象选择的是一辆小型客车，动应 力分析使用MSC.NASTRAN，对于结构的危险区域的疲劳寿命采用局部应变法进行预测。从疲 劳分析中，确定了某一频域内疲劳损伤发生主要是依赖于路面的状况(服役的路面状况或是 加速度测试路面的线路状况)。研究结果同时表明车辆真实的服役环境可通过一个加速度的 测试环境进行有效的模拟。由于可以使用多体仿真获得真实服役环境疲劳分析所需要的应力 历程结果，因此这种方法可以在设计的早期阶段实施。Sigmund Kyrrre

12、 As(2002)在其博士论文中结合铝合金汽车悬架，系统阐述了结构的有 限元疲劳评估方法，主要是根据单轴疲劳评估方法预测结构疲劳寿命并和临界面法的预测结 果进行了比较。文中采用FEDEM进行动力学仿真，利用nSoft进行悬架的疲劳寿命预测。利 用 MATLAB 对动载荷数据进行处理。结果表明结构有限元模型的准确度极大的影响着结构寿 命预测的精度，不同单元网格的划分会导致寿命预测误差达到几倍。 Gerber 的平均应力修 正法要比Goodman和SWT(Smith-Watson-Topper)修正法的寿命预测结果更加趋于保守。James Andrew(2003)在其博士论文中利用现场测试的多项试

13、验数据，结合多体动力学分 析(DADS软件)、有限元方法(MSC.NASTRAN软件)、耐久性和可靠性分析(DRAW软件)和由NASA 开发的疲劳裂纹扩展分析软件FLAGRO对军用拖车进行了结构疲劳寿命预测。主应变测试数 据的统计采用了回归分析法和主变量分析技术。还利用时频复现技术，将路面谱 PSD转化为路面的时间激励数据，将此结果和采用实际加速度测试的轨道谱进行对比，表明 该方法是有效的。Mika(2003)在基于名义应力和热点应力的焊接多轴疲劳寿命评估的博士论文中主要考 虑了不同焊接接头形式的多轴疲劳。焊接结构的损伤参数主要以主应力范围、最大剪应力范 围和修改的临界面模型为主进行寿命分析。

14、Shinichi CHIBA， Kimihiko AOYAMA 和 Kenji YANBU(2003)以卡车司机室为例，介绍了 通过多体动力学仿真获得司机室输入载荷，结合有限元分析进行司机室结构疲劳寿命预测的 方法。多体动力学仿真采用ADAMS，有限元软件使用MSC.NASTRAN，疲劳寿命预测采用 FALLANCS 软件等。得出的结论是考虑弹性体模型的多体仿真结果可以使得司机室的输入载 荷具备足够精度，并且基于多体仿真结果的应力历程可以使用在点焊和非点焊区域。Sung I1 SEO， Choon PARK， Ki Hwan KIM (2005)主要对某型铝合金地铁车辆的车体的 结构疲劳进行动

15、载荷试验研究，建立了一种地铁车辆的车体动载荷测试方法。得出的结论是 直接利用结构静强度测试结果研究车体结构疲劳结果是不准确的，应该采用动载荷测试方 法。阿久津胜则等(1994)在混合结构车体强度评价试验中主要对车体在垂直静载下的疲劳 强度试验做了研究。具体方法是除了在车体上施加标准设计条件下的垂直静载荷外，同时考 虑运行时车体上下振动等因素引起的相当于0.98 m/s2加速度的动态垂直交变载荷。疲劳强 度的评价标准是以疲劳试验前后所进行的静载荷试验测定的应力、车体挠度和用重锤落下法 确定的车体垂直弯曲固有振动频率的变化情况来判定。从上述文献可以发现，目前国外对一些复杂结构，尤其车辆结构 （包括

16、铁路和公路）的 疲劳研究发展趋势主要是利用多体动力学仿真和有限元分析相结合的方法，从时域或频域的 角度研究其疲劳寿命，然后通过试验手段验证其方法的有效性以及在车辆结构设计的早期阶 段利用仿真的手段部分代替疲劳试验。这也说明利用多体动力学仿真和有限元方法相结合的 手段可以有效地预测结构疲劳特性。4.2 国内研究现状及发展国内机车车辆结构疲劳研究状况和国外相比依然有很大的差距，疲劳研究的重点也主要 停留在一些关键结构零部件，如转向架构架，车轴等的抗疲劳设计上。一般使用常规无限寿 命设计方法对零部件危险点或危险截面进行疲劳强度校核，以计算获得的安全系数是否小于 许用安全系数，作为结构疲劳强度满足与否

17、的重要判断依据。下面结合相关文献对国内疲劳 的研究状况进行简单的论述：北京交通大学缪龙秀、孙守光、吕澎民等对提速客车转向架焊接构架应力谱的测试方法， 疲劳危险部位的确定及应力谱编制方法等进行了系统研究。吕澎民等根据概率统计理论以及 疲劳损伤原理，建立了结构在随机载荷谱的作用下可靠性疲劳寿命的计算方法，利用实际测 量的程序载荷谱和焊接接头疲劳试验数据，对构架进行了实例计算，并将恒幅载荷下的计算 结果对焊接转向架结构可靠性疲劳寿命的预估方法进行了深入的研究。刘志明在其博士论文 中对随机载荷下焊接构架疲劳寿命及可靠性展开了较为系统的研究。铁道部科学研究院王成国等在计算机虚拟现实环境下，以CAD, F

18、EM和MBS为基础，对 新型的高速客车转向架构架进行详细的动应力分析，并根据这些动应力，应用MSC.FATIGUE 分析预测构架的疲劳寿命。青岛四方车辆研究所刘德刚、侯卫星等以转8A转向架侧架为例， 介绍了有限元技术应用于构件疲劳寿命分析的过程，按照准静态分析法将有限元分析得到的 静态应力与实际测量的载荷时间历程相结合得到模型上各点的应力时间历程，结合 ZG230-450材料的S-N关系曲线进行侧架结构整体的疲劳寿命计算，有限元软件采用I-DEAS 软件，疲劳分析软件是 FE-Fatigue。原上海铁道大学虞丽娟、沈钢、于慧等根据机车实际运行环境，用计算机仿真方法计算 机车结构部件的动态响应，

19、从而预测其疲劳寿命的方法，其中对SS-8B机车的牵引杆的疲劳 寿命进行了估算。原兰州铁道学院赵文礼、赵邦华等对车轴疲劳寿命的分析也做了较为系统 的疲劳研究。西南交通大学赵永翔提出了疲劳“有效短裂纹准则”与“逆序局部观测法”等成果。米 彩盈提出 BO-BO 轴式机车转向架焊接轻型化评定准则，根据构架整体结构有限元法，用边界 元分析构架侧梁下盖板横向对接焊缝的应力分布，分析构架盖板产生疲劳裂纹原因。阳光武、 曾仲谋等在各自论文中结合频域和时域对机车车辆关键零部件的疲劳寿命进行了相关研究。 梁红琴等对货车车轴在时域进行了随机载荷作用下货车车轴的疲劳应力计算。从这些铁路相关文献可以发现，机车车辆结构的

20、疲劳研究主要集中在关键结构零部件的 疲劳研究上，如结合构架动应力实测数据对其进行频谱分析，最后计算构架疲劳。国内其他领域，如王海霞综述了多体系统动态模型的发展历史及动应力求解的过程，并 以客车骨架为例给出了计算动应力的步骤。姚一龙、李遏和薛涛明等计算了汽车结构在不同 类型路谱激励下的位移、加速度动应力响应。董保童等对随机振动载荷作用下的飞机结构疲 劳寿命估算进行了研究。张鑫等通过对疲劳寿命影响因素的分析，采用改进的BP网络对疲 劳寿命的计算进行仿真。田宏辰等建立神经网络响应面法模拟疲劳裂纹扩展寿命的极限状态 方程，然后使用遗传算法(CA)计算可靠性指标。孙凌玉利用计算及仿真技术预测汽车车身零

21、件的疲劳寿命。王雷和蒋培分别探讨了多轴随机应力作用下的疲劳寿命评估方法。刘万峰， 叶俊彦通过对某型车架的动态应变信号的统计分析，根据结构的关键测点动应力大于3。值 的概率给出一种结构动强度评价的简单方法。疲劳裂纹扩展随机模型及相关理论在一些文献 中也得到较为详细的阐述。西南交通大学缪炳荣的博士论文中首次对随机动载作用下的机车车体结构利用多体动 力学仿真和有限元分析相结合的方法进行较为系统的结构疲劳仿真研究。建立了整车的多体 系统动力学仿真、有限元分析和疲劳寿命预测的物理模型和数学模型。论文提出一种从轨道 空间谱到时域轨道激励的简单时频转换方法。利用子结构和模态分析技术以及多体动力学仿 真与有限

22、元分析接口程序 FEMBS，研究机车车体结构柔性影响。利用 WAFO技术结合 FE-Fatigue 进行车体结构寿命预测。即根据随机过程的雨流矩阵分布和马尔可夫链随机过 程理论，对车体结构动应力数据进行统计和分析，并进行疲劳寿命预测。5. 结构疲劳设计思想结构疲劳主要以结构零部件、焊接接头及整个结构系统为研究对象，研究结构疲劳性能、 抗疲劳设计、寿命估算和疲劳试验方法，还包括研究结构形状尺寸和工艺因素的影响以及提 高结构疲劳强度的方法。结构疲劳寿命分析过程基本包含四部分内容：1) 材料疲劳行为的准确描述2) 确定合适的载荷历程；3) 建立合适的疲劳评估模型；4) 识别模型中的危险区域以及预测结

23、构疲劳寿命。经常承受复杂应力时间历程的结构部件，其失效普遍形式主要是疲劳(Fa tigue)和断裂 (Frac ture)等破坏形式，而总的结构疲劳寿命包括裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段。5.1 名义应力法名义应力法，也称S-N曲线法或应力寿命法(Stress-life Method )，是最早形成的抗 疲劳设计方法。主要以材料或零件的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，按照疲劳累积损伤理论，校核疲劳强度或计算疲劳寿命。5.2 S-N 曲线定义结构失效可以定义为完整失效或是裂纹萌生到一定长度。疲劳失效前所经历的应力或 应变循环数，称为疲劳寿命，一般用N表示。对于

24、试样而言，其疲劳寿命取决于材料的力学 性能和施加的应力水平。当材料的强度极限愈高，外加的应力水平愈低，试样的疲劳寿命就 愈长；反之，疲劳寿命愈短。应力水平和标准试样疲劳寿命之间的关系曲线称为材料 S-N 曲线。5.3 平均应力及其修正大量研究文献表明，应力时间历程中的平均应力很大程度上影响着结构疲劳寿命评估的 准确性，且拉伸平均应力缩短了疲劳寿命，而压缩平均应力可以增加疲劳寿命，也就是说拉 伸平均应力比压缩平均应力更容易导致结构出现疲劳。且当应力幅值给定时，循环载荷中的 拉伸部分增大，对于结构疲劳裂纹的萌生和扩展会产生负面效果，使得结构疲劳寿命降低。平均应力产生的影响可以在不同平均应力下通过试

25、件的试验进行量化对比。但是这要 求大量的疲劳试验，以及采集不同的载荷组合，试验费用十分昂贵。因此简单的方法就被提 出来，即通过一个等效的零平均应力的应力幅值去修正实际应力幅值。在nSoft的应力寿命 模块(SLF, Stress-LifeFatigue)中，可以利用 Goodman 和 Gerber 应力修正。5.4 焊接疲劳焊接结构疲劳预测的基本方法主要包括四种：名义应力C Norminal Stress)法；结构 应力(St rue ture Str ess)法；有效切口应力(Effec tive No tch St ress)法；线弹性断裂力 学 (Linear Elastic Frac

26、ture Mechanics，简称 LEFM)法。5.5 疲劳累积损伤理论不同研究者根据损伤累积方式的不同假设，提出不同的疲劳累积损伤理论，具有代表性 的疲劳累积损伤理论主要分为.1 ）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。其中最有代表性的是Palmgren-miner法则，以及将其修正的Miner法 则和相对 Miner 法则。2）双线性疲劳累积损伤理论。认为材料在疲劳初期和后期分别按照两种不同的线性规 律积累，代表性的是Manson双线性损伤累积叠加法则。3）非线性累积损伤理论。这些理论假定载荷历程和损伤之间存在相互干涉作用，即各 个载

27、荷所造成的疲劳损伤与其以前的再和历史有关，其中最有代表性的是损伤曲线法和 Corten-Dolan 理论。4）其他累积损伤理论。这些理论多从试验，观测和分析数据归纳出来的经验或半经验 公式，如bevy理论，Kozin理论。疲劳累积损伤理论是疲劳分析的理论基础，也是估算变应力幅值下的安全疲劳寿命的 关键理论。在疲劳过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹形成和扩展中，当材料承受 高于疲劳极限的应力，每个循环都会使材料产生一定的损伤。5.5.1 Miner 修正常用的疲劳累积损伤理论中一些方法都在努力解释变幅循环作用下由小循环导致的结 构损伤。目前非线性损伤模型（Non-Linear Damage

28、 Models）和小裂纹模型（Small Crack Models） 都己经被专家学者们提出来。由于传统的S-N和E-N法主要是针对主应力或主应变。当载荷 方向发生改变或应力/应变状态不同于单轴条件时，这种方法就不能有效预测结构疲劳寿命， 而多轴疲劳研究可以有效的解决这个问题。研究多轴疲劳经常采用临界平面法，即首先通过 分析多轴疲劳应力应变确定临界平面，然后在临界平面上建立多轴疲劳损伤参变量。根据确 定临界平面的依据不同，也就形成了不同的研究方法，如以最大剪应变、最大主应变或两者 某一线性组合为最大平面作为临界平面的方法等，或者是根据确定临界平面上损伤参量形式 不同，形成如等效应变法，能量密度

29、法等。5.5.2 雨流计数法常规结构的应力历程属于变幅循环，任何两个相邻的峰值（或谷值）之间是不可能完全相 同的，也就不可能仅用相邻的峰值和谷值表示。因此需要使用一种合适的循环计数法进行疲 劳循环计数，将变化的载荷时间历程转化为一系列具有完整循环载荷的历程。循环计数主要 目的就是缩短和简化循环载荷时间历程，便于结构疲劳分析与应力测试结果的处理。疲劳寿 命估算和疲劳试验结果的可靠性很大程度上取决于载荷谱，而载荷谱的编制又与计数法有很 大的关系。从统计的角度分类，计数法分为单参数和双参数法。前者包括只考虑载荷循环中的一个 变量，如应力范围，方法有水平交叉法、范围计数法等，主要用来消除载荷历程中的高

30、频低 振幅信号或配合损伤累积理论计算，但是忽略了载荷顺序效应。且由于这种方法只考虑某单 一参数，不足以完整描述载荷循环的特征。双参数法主要包括雨流计数法 (Rainflow CountingMet hod )，极小一极大计数法(Min-Max Coun ting Met hod)等。目前在国内外结构疲劳研究中广泛使用的是雨流计数法，简称雨流法。雨流法是由 Matsuishi 和 Endo (1968)在其论文中考虑材料应力应变行为时提出的一种计数方法。优点 是部分考虑了载荷的次序效应，且认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件，将循环计数表示 为应力应变的迟滞回线，即一个个封闭的迟滞环。5.6 结构

31、疲劳寿命估算方法传统疲劳设计方法中，评估结构疲劳寿命多数为循环载荷法，即根据线弹性结构准静 态情况下的有限元分析结果，结合材料S-N曲线进行结构疲劳分析。具体说计算多种组合载 荷作用下的结构应力，找出结构危险位置应力/应变分布状况等，再根据材料Goodman曲线 判定各部位的疲劳寿命是否满足要求。该方法简单，可以参考相关疲劳设计标准和手册。缺 点是采用各向动载荷系数的准确性，可能极大的影响分析结果的准确度；且传统方法只能确 定结构的疲劳寿命是否满足基本疲劳设计要求，不能具体预测结构疲劳寿命时间或运行公里 数等。5.6.1 结构寿命评估的应力分析结构疲劳寿命的估算可以分为裂纹形成阶段寿命估算和裂

32、纹扩展阶段寿命估算两部分。 要获得准确的结构疲劳寿命首先需要准确的载荷历程，即对结构进行应力/应变的分析计算， 了解随机动应力作用下结构危险部位的疲劳损伤状况，它可以分别在时域和频域进行。当然 与线路试验获得结构动载荷时间历程的方法相比，实际测量的动载荷时间历程要比利用常规 载荷谱编制的载荷历程方法获得的动载时间历程准确得多。但是实际测量结构随机动载的前 提是必须要有物理样机lzl，因此利用多体系统动力学仿真分析可以获得结构载荷时间历程 成为当前一种有效方法。下面对结构有限元疲劳评估中的应力分析方法先进行简单介绍。使 用下面的任何一种方法，可以得到动态载荷作用下结构部件得应力应变分析结果：1）

33、标准的时域法，包括准静态应力分析法；2）复杂的时域法，包括瞬态动力学分析法；3）一般的频域法，包括谐响应（应力）分析法；4）复杂的频域法，包括随机振动应力分析法，主要采用谱分析方法。5.6.2 结构疲劳寿命预测结构疲劳寿命预测也可以利用下面的两种方法进行。1）利用标准的时域方法进行结构寿命计算。其主要过程是：首先计算结构响应的应力/ 应变时间历程，然后进行结构应力/应变时间历程的循环计数，最后根据疲劳累积损伤理论 计算结构疲劳寿命。结构寿命评估的应力分析可以采用准静态应力法或瞬态应力分析法。2）基于频域的统计参数进行结构寿命计算。其主要过程包括：首先对结构有限元模型进 行频响分析，求得载荷与结

34、构上应力的传递函数；然后，将传递函数乘以载荷的功率谱密度 函数得到应力功率谱密度函数；评估指定应力范围的循环数；最后使用相关方法由应力功率 谱推算结构寿命。结构寿命评估的应力分析可以采用谐响应分析法和随机振动应力分析法6. 车体结构可靠性疲劳寿命评估根据车体结构动应力实测结果和采用多体动力学与有限元法仿真获得的车体结构应力/ 应变历程都可以计算车体结构的损伤及其疲劳寿命，主要步骤包括：车体结构应力历程的循 环计数；每个载荷循环的损伤累积；疲劳损伤准则的选择等。论文提出预测车体结构疲劳寿 命方法的基本计算流程如下： 建立准确的车体结构有限元模型，合理选择单元的类型及其网格划分尺寸，保证结构准静态

35、应力计算的效率和精度。 通过机车多体动力学仿真或动应力测试数据采集方法构建输入动载荷历程。 执行有限元分析，并对危险点位置先通过粗网格进行有效识别，然后使用精细网格对指定危险点区域进行详细网格划分和应力分析。 获得危险点位置的应力/应变历程。 分析载荷历程，主要考虑：Von Mises应力（如果危险点处产生屈服和塑性变形，就要进行弹塑性修正）；主应力（Principal Stress）；剪切应力（Shear Stress）； 二轴率（Biaxial Rat io,二轴率是最小应力和最大应力的比值）；应变张量的迁延 性（Mobi lity of The Str ainTenso r）等。 根据研

36、究问题复杂程度，选择合适的疲劳评估方法方法，评估方法基本分为：单 轴疲劳评估(Uniaxial Fatigue Assessment)，成比率多轴疲劳评估(Proportional Multiaxial Fatigue Assessment) 和非比率多轴疲劳评估 (Non-Propportional Mult iaxial Fa tigue Assessmen t),论文采用单轴疲劳评估。 对车体结构应力/应变历程，选择雨流计数法对载荷循环。 对每个提取循环使用合适的疲劳损伤模型进行失效的循环数求解。 使用累积损伤方法计算疲劳寿命。会使用到MATLAB工具箱WAFO和疲劳分析软件n5oft的

37、FE-FATIGUE软件包进行车体结 构疲劳寿命预测，它包含基于单轴应力和应变的疲劳评估方法。 FE-FATIGUE 有两种基本输 入类型，即应变仪(St rainGauge)历程结果文件和有限元分析获得节点应力或应变结果文件。 应力应变分析，简称SSA ( Stress-Strain Analysis)可以对几种类型的结果文件进行操作 以及发现其主要特性，如主应变、剪切应变等的计算。应力寿命和应变寿命模块可以分别称 为应力寿命疲劳 SLF(Stress-Life Fatigue)和危险位置疲劳 CLF ( Critical Location Fatigue )。这些可以采用应力或应变的载荷通

38、道作为输入。因此SSA必须要提前确定载荷 方向。但是应力/应变分析并不适合复杂的载荷环境，即多轴的疲劳损伤模型。在nSoft中 需要使用 MLF ( Multiaxial )模块根据应变花，使用一到几个多轴损伤模型预铡复杂载荷 作用下的疲劳寿命。论文对车体结构在FE-FATIGUE中基于应力的安全因子分析，获得车体 结构的安全因子和结构损伤分布。7. 转向架构架可靠性疲劳寿命评估构架疲劳寿命具体分析流程如下： 根据构架的静强度分析结果、焊缝容易失效的部位和疲劳失效的历史数据等选定构 架的疲劳评估点的位置； 在载荷谱的基础上转化得到评估点的应力谱或者动应力实测数据，通过WAFO雨流 技术获得该点

39、的应力幅值谱； 根据评估点所在焊接接头类型细节，在IIW标准或者BS7608标准中选择对应的S-N 曲线及相关参数数据； 基于Miner线性累积损伤理论，计算评估点的累计损伤； 按照动应力谱所对应的构架运行里程数，求出构架的设计寿命(里程)。7.1 疲劳裂纹扩展分析上述工作完成后还要进行疲劳裂纹扩展分析。疲劳寿命预测的断裂力学方法是基于裂纹 扩展的分析。应力一寿命方法考虑的样本是没有任何缺欠的，但是断裂力学方法假设样本有 初始裂纹存在。7.1.1 焊接缺欠的疲劳失效标准评定方法实际焊接结构不可能“完美无缺”总会“有所欠缺”按照“合于使用”(fitness-for-purpose) 原则来评价含

40、缺欠的焊接产品结构的合用性，已经制定了数种标准，并且经过实践证明是可 行的。这些标准的主要依据是断裂力学基于BS7910：金属结构裂纹验收评定方法指南标 准和我国的GB/T19624-2004：在用含缺欠压力容器安全评定标准。7.1.2 构架耐久性裂纹扩展寿命计算构架可靠性裂纹扩展寿命的计算，可以为构架在实际运营过程中制定合理的检修周期 提供建议，构架的有限元模型采用ANSYS软件中板壳单元来进行。7.2 构架模态对疲劳寿命的影响分析在模态参数对铁道客车结构疲劳强度影响方面，随着振动模态理论及其相关学科的发 展，人们早已改变了仅仅依靠静强度理论进行结构设计的观念。研究表明，车辆承载结构的 静强

41、度设计并不满足良好的振动特性，因此需要对车辆结构进行动态设计和对动态性能进行 评定。应用模态分析的方法研究由于振动引起的疲劳强度问题是目前广泛采用的研究手段。 构架结构在运行中大量遇到的是动应力问题，增加静强度并不能解决这类问题，必须应用动 力分析方法综合判断承载结构在实际振动条件下的强度问题。有必要利用振动和疲劳理论研 究构架结构强度、刚度特别是固有频率和振型与结构疲劳特性之间的作用机理。可以利用模 态叠加法思想研究构架模态对其疲劳寿命的影响，为控制构架的模态，避免有害模态的出现 提供参考。7.3 构架可靠性参数灵敏度分析通过建立构架的参数化有限元模型，选取构架的材料属性、几何参数和载荷等作

42、为随机 变量，通过统计分析得到其分布参数；以构架一母材和焊缝部位疲劳薄弱环节的最大主应力 与其许用疲劳强度建立失效状态函数；利用蒙特卡罗数值模拟方法，计算转向架构架的可靠 性参数灵敏度。依据分析结果，可以对影响构架可靠性灵敏度比较大的随机变量进行控制和 优化，为设计高可靠性的转向架构架提供参考。7.4 构架加速寿命试验方法分析加速寿命试验是转向架可靠性试验的重要部分，通过加速寿命试验既可以定量的预测 铁道车辆关键部件的寿命，又可以定性的发现失效部位以便于设计改进。考虑到铁道车辆关键部件为大型焊接部件如转向架构架等，常规可靠性试验需要样本数量多，成本高，部件寿命较长，试验时间较长，因此采用加速寿

43、命试验可以降低成木和缩短试验时间。利用加速寿 命的思想，对构架和构架对应焊接接头进行了疲劳试验，并可以通过焊接接头的疲劳失效模 型估计构架的疲劳试验加速系数及疲劳寿命。经过以上步骤，可以对转向架的可靠性进行一个很系统的评估。针对我国铁道客车转 向架构架均采用钢焊接结构，满足由于运行速度的提高、载荷的增大、频率范围的扩大以及 复杂的焊接接头形式使得转向架构架的承载变得十分恶劣情况下的要求。参考文献1 Luo，R.K，Gabbitas，B.L，Brickle.B.V Fatigue design in railvvay vehicle bogies based on dynamic simulat

44、ion ， vehicle ， Vehicle System Dynamics.1996，25：449-459.2 DIETZ S，KNOTHE K，KORTUM W. (Germany).Fatigue Life Simulations Applied to Railway Bogies. The 4TH International Conference on railway bogies and runninggears.Budapest，Hungary，21-23，September，1998.3 Sridhar Srikantan ，Shekar Yerrapalli ，Hamid K

45、eshtkar. Durability design process for truck body structures ，International Journal of Vehicle Design. 2000，23 (1/2)：95-108.4 Medepalli S ，Rao R.Prediction of roadloads for fatigue design ，a sensitivity study. International Journal of Vehicle Design.2000 ， 23(1/2)：161-175.5 H.Riener，D.Peiskammer，W.W

46、itteveen.Modal Durability analysis of a passenger cars front suppoting frame due to full vehicle simulation loads.Adams user conference，North America. 2001.6 Ridnou James Andrew.Methodology for evaluating vehicle fatigue life and durability. PhD thesis，The University of Tennessee，Knoxville， 2003，12.

47、7 Sigmund Kyrre As.Fatigue assessment thesis，Norwegian University ofScienceof aluminium automotive structure. PhD and Technology ，Norwegian， 2002，8.8 KimKS，Yim H J，Kim C B.Computational durability prediction of body structure in propotype vehicle，International Journal of automotive technology vo1，3，

48、2002：129-136.9 Sung Ii SEO，Choon PARK，Ki Hwan KIM etc.Fatigue strength evaluation of thealuminum carbody of urban transit unit by large scale dynamic load test.JSME international journaLVo1.48(1)，2005.10 缪龙秀，孙守光，吕澎民，刘志明，李强.提速客车转向架焊接构架应力谱 的试验研究.青岛：铁道车辆.1998，12.11 吕澎民，赵邦华.货车铸钢侧架随机载荷谱下的疲劳寿命预估研究.北京： 铁道学

49、报.1994，3.12 王成国，孟光伟，原亮明，刘敬辉.新型高速客车技术构架的疲劳寿命数值 仿真分析.中国铁道科学，2001，03.13 刘德刚，候卫星，王凤州.基于有限元技术的构件疲劳寿命计算.北京：铁 道学报.2004，04.14 于慧，王文斌，虞丽娟，赵红伦.基于疲劳设计的高速客车转向架构架优化 设计.青岛：铁道车辆.2002，08.15 赵文礼，赵邦华，何钟韬.客车车辆随机动态相应与车轴强度的结合研究. 甘肃科学学报，1994，03.16 米彩盈.机车转向架焊接构架评定何疲劳强度分析 .西南交通大学 .1999， 02.17 阳光武 .机车车辆零部件的疲劳寿命预测仿真 .西南交通大学，

50、博士论 文.2005，07.18 梁红琴，邬平波，关雪梅.随机载荷作用下货车车轴的疲劳应力计算.成都： 机械，2004，04.19 蒋培，张春华，陈循.多轴疲劳寿命频域估计方法.上海：机械设计与制造，2005，04：106-108.20 缪炳荣，基于多体动力学和有限元法的机车车体结构疲劳仿真研究.西南交 通大学，博士论文. 2006，10.21 卢耀辉，铁道客车转向架焊接构架疲劳可靠性研究. 西南交通大学，博士 论文. 2011，03.22 卢耀辉，曾京，邬平波.铁道货车转 8A 侧架可靠性疲劳寿命预测.大连交通 大学学报 2008，29(5)：34-39.23 虞丽娟，李元君，沈钢 .机车构

51、件疲劳寿命仿真分析 .铁道学报 .1998， 20(03)：120-126.24 郝鲁波.客车模态计算与试验研究.大连：大连理工大学，2005.25 董锡明.铁道机车车辆可靠性工程状况和发展.铁道机车车辆，2001(02)： 1-6.26 董锡明.我国铁道机车车辆可靠性工程的研究.中国铁路，1999，(01 )： 9-12.27 张义民，刘巧伶，闻邦椿.汽车零部件可靠性灵敏度计算和分析.中国机械 工程，2005，16(1)：102-129 .28 卢耀辉，曾京，邬平波，李人宪，杨飞.铁道车辆转向架构架可靠性参数灵 敏度分析.中国铁道科学.2010，31(1)：111-115.29 张彦.基于灰色理论的汽车产品可靠性工程研究 .合肥工业大学，博士论 文.2006，04.30 杨爱国.时速 120km/h 的提速货车可靠性试验与研究.大连交通大学，硕士 论文.2008.12.31 毛欣.基于维修的民用航空器部件可靠性管理研究.南京航空航天大学，硕 士论文.2007，11.32 丰碧云.铁路提速货车摆式转向架系统可靠性研究.北京交通大学，硕士论 文.2006，12.