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我國(guó)列車提速后，出現(xiàn)了一系列機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析的問題。如動(dòng)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(yán)重影響廠列車行車安全。
如何更為準(zhǔn)確地評(píng)估機(jī)車車輛的疲勞強(qiáng)度，更好地解決結(jié)構(gòu)輕量化和高速運(yùn)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(qiáng)度仿真分析周期短、費(fèi)用小，并且能多次反復(fù)進(jìn)行，成為機(jī)車車輛疲勞強(qiáng)度分析的重要方法。應(yīng)力譜是疲勞強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)，但由于機(jī)車車輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力的仿真分析，以得到應(yīng)力譜存在很多困難。
目前，對(duì)機(jī)車車輛的疲勞強(qiáng)度仿真分析主要是先通過動(dòng)力學(xué)分析軟件計(jì)算得到動(dòng)載荷譜，然后采用準(zhǔn)靜態(tài)疊加法得到應(yīng)力潛。由于準(zhǔn)靜態(tài)疊加法認(rèn)為構(gòu)件受力部位在各動(dòng)載荷同時(shí)作用時(shí)的應(yīng)力時(shí)間歷程可近似等效于各動(dòng)載荷作用點(diǎn)單獨(dú)承受單位靜載荷時(shí)的應(yīng)力乘以載荷一時(shí)間歷程的疊加，沒有考慮應(yīng)力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題。基于此，本文提出基于動(dòng)應(yīng)力仿真分析的疲勞強(qiáng)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(dòng)力學(xué)分析得到應(yīng)力一時(shí)間歷程，再利用雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)得到應(yīng)力譜，評(píng)估構(gòu)件疲勞強(qiáng)度。以270 km / h高速動(dòng)車為例，重點(diǎn)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(jì)算分析得到的應(yīng)力一時(shí)間歷程，編程實(shí)現(xiàn)雨流計(jì)數(shù)法，評(píng)估車體疲勞強(qiáng)度。
疲勞強(qiáng)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(shí)疲勞極限的量級(jí)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(huì)產(chǎn)生疲勞損壞的最大應(yīng)力(靜應(yīng)力和動(dòng)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(rèn)為出現(xiàn)疲勞損壞。如果給定i應(yīng)力級(jí)下循環(huán)數(shù)Ni表示某種損傷應(yīng)力級(jí)時(shí)的循環(huán)數(shù)，Ni表示在該應(yīng)力級(jí)時(shí)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(jí)占總循環(huán)的分?jǐn)?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(jí)時(shí)的循環(huán)數(shù)。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，只是出現(xiàn)損傷的應(yīng)力級(jí)(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?yàn)榧俣ㄟ@些循環(huán)不會(huì)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(jí)產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)數(shù)。根據(jù)收集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，經(jīng)典S-N曲線在復(fù)對(duì)數(shù)坐標(biāo)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(duì)于鋼材為2X1護(hù)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(cè)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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