1 绪论 ......................................................................................................................................................... 1
1.1本文研究的意义 .......................................................................................................................... 1 1.2载荷谱编制方法的研究现状 ...................................................................................................... 2 1.3疲劳研究的历史 .......................................................................................................................... 4 1.4随机疲劳研究方法 ...................................................................................................................... 6 2疲劳及疲劳寿命的基本理论 .................................................................................................................. 7
2.1疲劳的基本概念 .......................................................................................................................... 7 2.2汽车零部件的疲劳类型 ............................................................................................................ 10 2.3疲劳分析方法 ............................................................................................................................ 11
2.3.1静强度设计方法 ............................................................................................................ 11 2.3.2无限寿命设计方法 ........................................................................................................ 11 2.3.3安全寿命设计方法 ........................................................................................................ 12 2.3.4破损-安全设计方法 ...................................................................................................... 13 2.3.5损伤容限设计方法 ........................................................................................................ 13 2.4 S-N曲线 .................................................................................................................................... 14 3 随机疲劳载荷谱 ................................................................................................................................... 15
3.1载荷谱概述 ................................................................................................................................ 15 3.2疲劳载荷谱相关基本理论 ........................................................................................................ 16
3.2.1疲劳破坏的累积损伤理论 ............................................................................................ 16 3.2.2频次计数法 .................................................................................................................... 18 3.3载荷谱编谱过程 ........................................................................................................................ 21 3.4 根据载荷谱寿命估算 ............................................................................................................... 24 4总结与展望 ............................................................................................................................................ 25 参考文献 ................................................................................................................................................... 25
1 绪论
1.1本文研究的意义
随着汽车市场竞争十分激烈、用户对汽车产品的可靠性、舒适性和安全性要求越来越高、产品结构也日趋复杂、使用条件的多样性和不规范性导致产品开发的难度越来越大，以及产品的可靠性对企业经济效益的影响日益显著，迫切要求产品开发部门
在设计过程中采用现代的疲劳、可靠性设计方法，提高产品在市场上的竞争能力。本课题就是在这样的背景下提出来的，目的是尽早的预测出产品可能的失效状态，以便及时的发现和解决设计的薄弱环节；将疲劳可靠性试验、结构分析和可靠性设计等工作有机的连接到一起，形成一套有效的产品疲劳可靠性开发技术；建立一种在统计和概率基础上的设计计算方法流程。而这些工作完全建立在，零部件真实的载荷谱和疲劳寿命。
对于车辆零部件的疲劳寿命可通过零件的疲劳损伤计算出来。疲劳损伤是涉及结构、材料、强度、动力学、制造装配工艺、质量保证体系以及车辆运用条件等诸多因素的复杂问题。
对于己定型车辆，主要的研究内容是通过应力测试来估计既有结构件的使用寿命。此方法是利用测试得到的随机应力应变一时间历程，通过建立相关的疲劳换伤模型来估计车辆零部件的疲劳寿命，即通常所说的应力测试方法。
对于新型车辆，在设计阶段通常采用传统的疲劳强度校核(如使用Goodman曲线)方法，并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，由于产品己经定型，改进时将造成大量的时间、人力和财力浪费，并延长设计周期，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，从而增加车辆的重量和制造成本，并有可能影响到动力学性能。实践证明，目前采用传统疲劳强度设计方法的车辆结构，在使用中暴露出不少疲劳损伤方面的问题，虽然其成因较为复杂，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。
1.2载荷谱编制方法的研究现状
载荷谱的定义为“机器的整机结构或零部件所承受的典型载荷时间历程，经数理统计处理后所得到的表示载荷大小与出现频次之间关系的图形、表格、矩阵和其他概率特征值的统称”。工程机械以及地面车辆等所承受的载荷多属随机载荷。机器作业时，载荷值随时间变化的过程称为载荷时间历程。载荷时间历程通过统计分析，经压缩、简化和合成后得到的载荷谱应具有典型性、代表性和真实性，因此载荷谱可看作是随机载荷的一种近似表征。
载荷谱最初由oassner于1935年提出来，从1945年美国人M.A.Miner在 J.v.Palmgren工作的基础上提出疲劳线性累积损伤理论以来，疲劳载荷谱才引起工程界的关注，但直到上世纪70年代，伴随着计算机的发展，疲劳载荷谱的研究和应用才获得快速发展。载荷谱的研究起始于航空工业领域，非航空领域的载荷谱研究是从上世纪80年代中期展开的101。80年代末，美国材料与试验协会(ASTM)出版了S仰1006《Developmentoffatigueloadingspeetra》一书，书中汇集了标准应力时间历程概况，欧洲标准载荷谱研究的发展，喷气式飞机疲劳试验载荷谱发展、疲劳损伤和裂纹扩展的变幅载荷模型等文章。目前欧美对载荷谱的研究经过近40年的试验验证，已经针对不同领域形成了大量载荷谱数据库，基于载荷谱的疲劳研究也趋于成熟。美国的研究目前主要集中在如何推导出用于预测和改进疲劳寿命方面的载荷谱，如SAE疲劳评估委员会通过现有的应力测量选择实验加载顺序，这种方法经常用于车辆工业。 相对国外的研究，国内的研究起步虽然较晚，但在航空、车辆、特种设备等领域，载荷谱的研究也取得了许多的成果。图1.3为CNKI提供的国内近十几年来与“载荷谱”相关的文献总量年度变化规律图，从图中可以看出近十年来国内对载荷谱的研究处于相对平稳发展趋势，每年有关载荷谱研究的文献大都在30篇以上。国内专家学者针对载荷谱的研究结果可概括如下:
(1)针对不同领域不同零部件疲劳设计研究编制了大量的载荷谱，并不断对载荷谱的编制方法进行改进。如，直升机、货客车车轴、推土机、汽车桥壳及其半轴、拖拉机、自卸车、桥式起重机等。
(2)大致统一了载荷谱的编制程序，但由于不同领域的载荷特性各异，在具体实施细节上又有所不同。目前较为成熟的是飞机载荷谱的编制，国内已经有了行业标准HB7817一2006《直升机结构载荷测试与载荷谱编制要求》和GJB3O99一1997《军用飞机起落架标准载荷谱》。汽车道路谱的编制和应用也趋于成熟，主要研究内容为试验场强化系数、汽车传动系、传动桥等。
图1.3与“载荷谱”相关的文献总量年度变化规律图
对载荷谱编制方法的研究其最终目的就是让其最大程度地反应实际受载情况，尽量减少测试与编制误差。虽然国内个别领域的载荷谱编制已经比较成熟，甚至已经制定了相应的标准。正如高镇同院士所指，“由于各种产品工作条件不同，载荷一时间历程的类型各异。所以，编谱工作应有一定的针对性，不宜使用统一的方法。”因此载荷谱的编制需要相关研究单位和技术人员针对不同情况进行不断的改进研究，这也是载荷谱编制所要面对的主要问题。
1.3疲劳研究的历史
有关疲劳的研究己经有一百多年的历史，1839年巴黎大学教授J.U.Poncelct在讲课中首先使用了“金属疲劳”的概念。1850－1860年德国工程师W?hlcr针对当时火车车轴在重复应力作用下多次发生轴肩处断裂的事故，首先开展了疲劳的试验研究，提出了应力一寿命图和疲劳极限的概念。一百多年来，人们对疲劳问题进行了不断的探究。1864年W.Fairbairn根据对用锻铁制作的铆接梁的试验结果得出结论：作用于锻铁梁的循环应力的最大值即便只有极限强度的三分之一，锻铁梁也会破坏。H.Gerber与Goodman则提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。1910年，O.H.Basquin提出了描述金属S－N曲线的经验规律，他指出，对数坐标下应力与疲劳寿命循数在很大的应力范围内表现为线性关系。Bairstow通过多级循环试验和测量滞后回线，给
出了了有关形变滞后的研究结果，并指出形变滞后与疲劳破坏的关系。1929年B.P.Haigh研究了缺口敏感性。但S-N曲线主要用于长寿命构件设计，这些构件受到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，疲劳寿命将显著的变短。由于认识到塑性应变对引起永久疲劳损伤的重要作用，Manson和Coffin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Manson-Coffin应变一寿命曲线。1961年Neuber H.则开始用局部应力应变研究疲劳寿命，他对受切应力作用的有对称缺口的棱柱体进行了分析，得出了描述缺口非线性应力一应变特性的Neuber定律。1969年Toper T.H、WetzelR.M.和Morrow J.[等人提出了用Neuber公式和光滑试样的试验数据确定缺口疲劳寿命的简化方法。1971年Wetzel R.M.建立了用局部应力应变分析估计零构件随机疲劳寿命的一整套方法，并给出了计算程序，使局部应力应变法很快发展起来。现代断裂理论起源于Griffith的开创性工作，但他提出的能量概念虽然提供了定量处理脆性固体断裂的数学框架，但是却不能直接用这些理论来描述金属材料的疲劳破坏。Irwin指出可以用一个称作为应力强度因子的标量来表示裂纹顶端应力奇异性的大小，而Paris，Gomez和Anderson则提出在恒幅循环加载中，疲劳裂纹在每个应力循环过程中的扩展量与应力强度因子范围有关，即形成了著名的裂纹扩展速率公式，从而奠定了裂纹扩展寿命研究和损伤容限疲劳设计方法的基础。
对于大多数工程结构或机械的失效是由一系列的变幅循环载荷所产生的疲劳损伤的累积而造成的。1924年Palmgren估算滚动轴承寿命时首先提出了线性累积损伤原理，1945年Miner则根据能量原理对其进行了理论推导，从而形成了Palmgren-Miner线性累积损伤理论。线性累积损伤理论形式虽然简单，使用方便，但是它没有考虑应力之间的相互作用，因此人们随后又提出了多种非线性疲劳损伤计算方法。由于疲劳寿命和疲劳强度的离散性，人们开始逐渐使用概率统计的方法对疲劳寿命进行研究。从20世纪60年代开始，F.B.Stulen，D.Kececioglu和A.M.Freudenthal将应力一强度干涉模型用于疲劳强度的可靠性设计中。1970年前后，D.Kececioglu、E.B.Haugen等人提出了一整套基于干涉模型的疲劳强度可靠性设计方法，并在工程上得到了广泛的应用。1980年，E.B.Haugen出版了比较全面的概率疲劳设计专著。另外对随机载荷下长寿命区疲劳寿命的研究以及概率疲劳损伤力学和概率断裂力学的出现将疲劳研究