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我國列車提速后，出現(xiàn)了一系列機車車輛結(jié)構(gòu)疲勞強度分析的問題。如動車的枕梁橫向減振器安裝座連接部位、枕梁下蓋板及立板、牽引座等多處出現(xiàn)大裂紋，嚴重影響廠列車行車安全。
如何更為準確地評估機車車輛的疲勞強度，更好地解決結(jié)構(gòu)輕量化和高速運行要求降低軸重的矛盾，成為了重要的研究課題。在產(chǎn)品研制過程中的結(jié)構(gòu)疲勞強度仿真分析周期短、費用小，并且能多次反復(fù)進行，成為機車車輛疲勞強度分析的重要方法。應(yīng)力譜是疲勞強度分析的基礎(chǔ)，但由于機車車輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對整個系統(tǒng)進行動應(yīng)力的仿真分析，以得到應(yīng)力譜存在很多困難。
目前，對機車車輛的疲勞強度仿真分析主要是先通過動力學(xué)分析軟件計算得到動載荷譜，然后采用準靜態(tài)疊加法得到應(yīng)力潛。由于準靜態(tài)疊加法認為構(gòu)件受力部位在各動載荷同時作用時的應(yīng)力時間歷程可近似等效于各動載荷作用點單獨承受單位靜載荷時的應(yīng)力乘以載荷一時間歷程的疊加，沒有考慮應(yīng)力的動態(tài)響應(yīng)問題。基于此，本文提出基于動應(yīng)力仿真分析的疲勞強度分析方法：采用有限元法，將各部件作為彈性體考慮，直接通過瞬態(tài)動力學(xué)分析得到應(yīng)力一時間歷程，再利用雨流計數(shù)法統(tǒng)計得到應(yīng)力譜，評估構(gòu)件疲勞強度。以270 km / h高速動車為例，重點討論了仿真分析過程中采用的模型、懸掛元件的模擬、載荷的處理及計算分析得到的應(yīng)力一時間歷程，編程實現(xiàn)雨流計數(shù)法，評估車體疲勞強度。
疲勞強度分析理論和方法
線性累積損傷理論
根據(jù)線性累積損傷的系列假設(shè)，每次當(dāng)部件承受的應(yīng)力大于零件在所加應(yīng)力比Ri時疲勞極限的量級Sei ，則引起已知量的損傷。某應(yīng)力比的疲勞極限S,，表示在該應(yīng)力比條件下無窮次地作用于此部件而不會產(chǎn)生疲勞損壞的最大應(yīng)力(靜應(yīng)力和動應(yīng)力的代數(shù)和)。如果作用以任何更大值的最大應(yīng)力Smax，且如作用次數(shù)足夠頻繁，將使部件產(chǎn)生疲勞損壞，若“損傷增值”之和等于1，便認為出現(xiàn)疲勞損壞。如果給定i應(yīng)力級下循環(huán)數(shù)Ni表示某種損傷應(yīng)力級時的循環(huán)數(shù)，Ni表示在該應(yīng)力級時將導(dǎo)致?lián)p壞的循環(huán)數(shù)，則在下式情況下出現(xiàn)損壞。
用Nr表示部件在應(yīng)力譜下出現(xiàn)損壞的總循環(huán)數(shù)，ai表示每一應(yīng)力級占總循環(huán)的分數(shù)，則應(yīng)力譜下疲勞壽命的關(guān)系可以表示為式中，Nr表式譜循環(huán)總數(shù)，并不正好是出現(xiàn)損傷應(yīng)力級時的循環(huán)數(shù)。在實際計算時，只是出現(xiàn)損傷的應(yīng)力級(高于疲勞極限)的循環(huán)才包括在方程的總和中，低于疲勞極限的循環(huán)不包括在內(nèi)，因為假定這些循環(huán)不會造成損傷。
疲勞極限應(yīng)力不能用來直接表示某種較高應(yīng)力級產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)數(shù)。根據(jù)收集到的試驗數(shù)據(jù)表明，經(jīng)典S-N曲線在復(fù)對數(shù)坐標紙上是在100000次循環(huán)和相當(dāng)于所研究的材料的疲勞極限的循環(huán)數(shù)(對于鋼材為2X1護次循環(huán))之間的一條直線。知道此曲線的斜率，就可以預(yù)測承受超過疲勞極限的應(yīng)力S的部件壽命Nf疲勞損壞的循環(huán)數(shù)。
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