图14-12 局部损伤（销孔）
图14-13 局部损伤
二、车辆疲劳寿命估算
严格地说，轨道的几何不平顺和动力不平顺是随机性的，它没有确定的形状和规律，因 此，车辆在轨道上运行时受到的载荷是随机载荷，由随机载荷产生的疲劳现象称为随机疲劳。由于随机载荷的频率不是一个或几个，而成某种分布，特别是形成连续分布是将有一个频带，因而要使车辆系统的固有频率离开随机载荷的频率区域是很困难的。车辆在随机载荷作用下 的疲劳问题比在周期性载荷作用下的疲劳问题更为复杂。 （一）结构描述
某五单元集装箱凹底平车的车体为全钢焊接结构，其主要由牵引梁、侧墙、承载框架等组成。牵引梁主要由上下盖板、腹板、后从板座等组焊而成，端部焊有车钩冲击座。侧墙由上侧梁、侧板及侧柱组焊而成。上侧梁采用冷弯方管或采用槽钢及钢板组焊而成。承载框架由角钢(或冷弯方管)、中央连接梁、4根斜撑及集装箱垫板等组焊而成。 （二）计算模型
车辆底架结构中，经常有加固用的盖板或连接板以局部补强。由于这种加固是将连接板或盖板焊到被补强的部位上去，因此就出现了看似增加了厚度，其实并非真正变厚的模拟问题。为了解决这个问题，在施焊处，用刚性杆元模拟焊接，在被加固和加固的面内，要耦合
图14-14 凹底平车车体的计算模型
接触方向上的自由度，使其变形协调即可。
对任何车辆结构的车体而言，均可将心盘当作刚体处理，然后施加相应的位移约束。具体的作法是：取该心盘的中心为该单元的第一结点，然后令该单元其余结点均匀覆盖心盘向上投影到枕梁的支承面上。最后，根据实际情况将约束条件施加到该单元的第一结点上即可。
引梁的前后冲板座上。经验表明，冲板座本身不必研究，它有足够的强度储备，因此可将冲板座的强度附加到牵引梁相应的部位上，然后将拉伸或压缩载荷均分到每一与铆钉孔对应的结点上即可。为了实现上述的目的，此段牵引梁必须根据铆钉孔的几何位置生成相应的加载结点。有限元模型如图14-14所示。 （三）载荷工况
共考虑了五种载荷工况，其中，第一、第二工况取决于TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》，第三工况取决于美国AAR标准，第四工况空车起吊工况，第五工况是重车起吊工况。 （四）疲劳寿命评估 在设计阶段，没有物理样机可以用来做疲劳强度试验时可先用有限元法求出某一载荷工况下的应力/应变。当假定材料的工作区间为线性时，可以用线性叠加理论进行损伤累加，即当前常用的Miner线性累积损伤理论。 分析静强度计算结果可知，垂直载荷产生的应力较小，一般不会造成疲劳损伤，这样纵向载荷（又可分为运行状态和调车作业两种工况）成为产生损伤进行疲劳寿命计算的主要依据。所以，取出该工况下车体危险部位（位置参见图14-15）的应力值作为疲劳分析的数据。 图14-15 疲劳寿命评价点的位置
1.材料的S-N曲线确定
材料S-N曲线常采用三参数幂函数形式
K （14-47） ?S ?C?N?Dmax式中：K、C和D为常数，C相当于N??时的应力，可近似代表疲劳极限。 2．寿命计算
NTN? （14-48） f?
式中，Nf是计算部件的寿命（英里）；NT是达到损伤的总循环数，见式（14-31）；?是每英里谱总循环数。
注意当涉及到产生双轴向应力状态的含有重大剪切载荷的交变组合的载荷，此时应推导疲劳当量的单轴向应力循环。主应力符号相同的双轴向应力状态，具有较大绝对值和（或）范围的应力可以用作疲劳当量应力；各主应力符号相反时，相当于各主应力数值之和的值可以近似地作为疲劳当量应力使用。
材料的疲劳特性参数取自《铁路常用材料疲劳极限图的试验研究分析报告之二》中的测试数据。由于国内只有85吨货车的统计数据，没有相当于100吨货车的载荷谱，因而采用美国AAR标准中100吨高边敞车车钩牵引载荷的统计百分率谱，并认为调车作业产生的纵向荷载基本呈正态分布。
(a) 位置3 (b) 位置6
(c) 位置7 (d) 位置8
图14-10 运行工况不同位置处图不同应力级时损伤循环数
(e) 位置10
图14-10 运行工况不同位置处图 14-11 调车工况位置10不同应力
不同应力级时损伤循环数 级损伤循环数
对图14-9中的10个位置进行了疲劳寿命评价，由于位置1、2、4、5、9的应力水平低于疲劳强度极限，故没必要列出。图14-10给出了位置3、6、7、8、10，在不同应力级时导 致损伤的循环数。
由此，可以计算出各个位置的疲劳寿命： 376876Nf?1.02895?10Nf?1.80642?10Nf?2.62578?10公里；公里；公里 Nf?5.35029?1086公里；
Nf?6.55396?10106公里。
采用美国AAR标准算法，对位置10进行了疲劳寿命评价，图14-11给出了其在不同应力级时
7Nf?1.85?10导致损伤的循环数，经计算其疲劳寿命为公里。
(1) 日本機会学会．疲労強度の設計資料Ⅰ（一般?寸法効果?切欠効果）．1984 (2) 日本機会学会．疲労強度の設計資料Ⅱ（表面状態?表面処理）．1984 (3) 日本材料学会．疲労設計便覧．1995
(4) S.Nishida. Failure Analysis in Engineering Applications. Japan: Butterworth Heineman Coltd,
1992
(5) 西田新一.機械機器破損の原因と対策.日本：日刊工業新聞社，1986 (6) Sheng-wu WANG, Shinichi NISHIDA. JSME Int. J., Ser. A, Vol.43-4, 2000
(7) Shinichi NISHIDA, Sheng-wu WANG. Proceedings of Int. conf. On the Surface Treatment’99,
1999. Boston, American.
(8) 王生武、西田新一，機械学会論文集Ａ編，64-628, 1998 (9) 抗疲劳设计，赵少汴，机械工业出版社（1994，1） (10) 疲劳强度，徐灏，高等教育出版社（1988，8） (11) 疲劳应用统计学，高镇同，国防工业出版社（1986，1）
(12) 疲劳强度，中国铁道出版社（1990，11）
(13) 疲劳强度设计，徐灏，机械工业出版社（1981，12）
(14) 汽车结构抗疲劳设计，郦明，中国科学技术大学出版社（1995，10） (15) 强度螺栓结合，日本钢铁协会（中译本），中国铁道出版社（1984，9）