不完善概率疲劳S-N曲线的Monte Carlo修正

提出不完善概率疲劳S-N曲线情形之一,在高应力幅范围对数疲劳寿命方均差预测值为负时的Monte Carlo修正法.方法包含利用"混合乘同余法"的随机数发生器,按符合生产实际的相同应力水平每组试样模拟样本5～15个的策略,以可接受的精度重构试验S-N数据和疲劳极限数据.重构后概率曲线以极大似然法确定,并采用"概率协同法"拓展到超长寿命范围.历史不完善Q235钢概率曲线的研究表明,存在负对数疲劳方均差预测时曲线在高应力幅范围具有交叉点,不符合疲劳物理统计规律,并给出偏于危险的分析结果;而重构曲线克服了上述缺点,并把分析范围拓展到了超长寿命范围.     

ZG230-450铸钢的疲劳可靠性设计Goodman-Smith图

研究铁道车辆ZG230-450车轮铸钢疲劳可靠性设计Goodman-Smith图的绘制方法.图中疲劳寿命单位采用循环数或车辆行驶里程万公里,疲劳强度由中-短与长寿命范围的概率疲劳S-N曲线确定,图中转折点坐标与设计判据采用全概率模式求解.应用文中方法可获得任意可靠性水平下ZG230-450铸钢中短与长寿命范围的疲劳可靠性设计Goodman-Smith图.     

铁路D1车轮钢的疲劳可靠性寿命与强度的试验及表征

试验研究D1车轮钢轮辋、轮辐材料的疲劳可靠性寿命和强度。应用Zhao-Yang建立的极大似然法处理疲劳升降试验法耐久性数据,良好地表征了轮辋和轮辐材料的概率疲劳极限。采用ZHAO等提出的中短疲劳寿命范围寿命分布与疲劳极限的疲劳极限强度分布概率协同原理及方法,良好地表征建立包含超长寿命范围的概率疲劳S-N曲线。与标准EN13262中的车轮钢和R7T钢的轮辋疲劳性能比较,说明D1车轮钢Si、Cu质量分数较高,Mn、V、Cr、Mo、Ni、S、P的质量分数较低,优于R7T车轮钢的抗疲劳能力。     

Q420D高强钢横向十字焊接接头疲劳寿命数值模拟与试验验证

通过疲劳试验拟合得到Q420D高强钢横向十字焊接接头的应力幅-疲劳寿命(S-N)曲线(试验拟合),采用ANSYS与FE-SAFE软件联合仿真技术预测该十字接头的疲劳寿命并拟合得到S-N曲线(数值拟合),对比分析了数值拟合和试验拟合结果,并分析了现行规范对十字接头疲劳寿命的评价效果.结果表明:十字接头疲劳寿命数值拟合值与试验拟合值的相对误差不大于3.49％,疲劳极限相对误差为0.93％,说明应用ANSYS与FE-SAFE软件联合仿真技术预测十字接头疲劳寿命可靠;试验拟合S-N曲线(存活率50％)与ANSI规范设计曲线吻合较好,而95％存活率下的试验拟合曲线与DNV规范设计曲线吻合较好;当循环次数高于2×105周次时,EN规范较ANSI规范能更好地评估十字焊接接头疲劳寿命,且具有足够的安全储备.     

估计构件疲劳极限的Bayes极小样本方法

从材料的S-N曲线与构件的S-N曲线形状相似原理出发,结合Bayes估计理论和加速寿命试验理论,提出一个估计构件疲劳极限的极小样本方法.在疲劳寿命服从对数正态函数分布的假设下,研究常幅和变幅载荷作用下由构件的疲劳寿命计算其疲劳极限的问题.两个算例表明,文中提出的方法利用以往积累的大量疲劳试验数据和现场试验数据,估计构件的疲劳极限,计算方便.计算结果与传统方法确定的疲劳极限的结果符合较好.     

改进的概率疲劳极限测定方法

提出了利用升降试验法数据测定概率疲劳极限的3种改进方法。揭示了现有常规法存在不能合理反映疲劳极限的随机性和预测误差较大的缺陷。依据可能的3种试验数据形式,改进方法以疲劳极限附近具有“概率Basquin局部S-N关系”为基础,将疲劳极限视为给定疲劳寿命的条件随机变量,其统计特征通过配对试样的随机疲劳寿命来揭示。应用于车辆LZ50车轴钢概率疲劳极限的测定,验证了改进方法的有效性。     

硬齿面齿轮结构可靠性虚拟疲劳设计

介绍了机械零部件结构可靠性虚拟疲劳设计的软件及疲劳寿命预测方法。根据断裂力学理论和虚拟疲劳预测方法,利用系统动力学软件ADAMS模拟42CrMo硬齿面齿轮加工过程,分析了对应的疲劳载荷谱,得到了齿轮应力寿命S-N曲线。     

PW200转向架的疲劳可靠性分析

以PW200铁路客车转向架为研究对象,在获得包括长寿命范围在内的结构概率疲劳S-N曲线的基础上,对转向架的关键部位进行了疲劳可靠性分析。应用已有的PW200转向架线路实测应力谱,结合Miner准则,得到了各部位在任意给定可靠度和置信度下的使用寿命。同时,也获得了95%置信度和不同设计寿命下各部位的可靠度。确定了转向架的薄弱部位,提出了改进意见。     

16MnR板材对接接头疲劳试验

列车运行速度的不断提高使转向架焊接构架疲劳破坏问题日益突出,由于缺乏适用于国内材料和焊接条件的基础疲劳性能数据,对机车车辆工业广泛使用母材和主要焊接接头形式的疲劳性能基本数据库的建设就显得十分必要.利用瑞士RUMAL电磁高频疲劳试验机测定16MnR板材对接接头的疲劳性能.使用成组法和台阶法获得接头的S-N曲线、存活率95%置信度水平90%的P-C-S-N曲线及接头的条件疲劳极限,最后利用八点法获得接头修正的Goodman-Smith图,这些结果可为焊接结构的可靠性设计、服役寿命估计提供试验数据基础.     

高碳铬轴承钢的超长寿命疲劳行为的研究

使用砂漏型试样对高碳铬轴承钢的S-N曲线特性和破坏机理进行了研究。通过旋转弯曲疲劳试验获得的S-N曲线按照破坏模式的不同被划分为裂纹萌生位置不同的两组。一组叫做表面破坏模式的S-N曲线,它发生在高应力幅短寿命区,是由试样表面晶体滑移引起的。另一组叫做内部破坏模式的S-N曲线,它发生在低应力幅长寿命区,是由试样内部的非金属夹杂引起的。由于内部破坏模式的疲劳破坏发生在表面破坏模式的疲劳极限上下很宽的应力幅范围,因此,试验材料的S-N曲线的形状与通常报道的阶梯形状的S-N曲线的形状不同,它具有两条S-N曲线的特性。通过对断口上裂纹萌生位置的详细观察和裂纹萌生位置的初期尺寸参数的计算,阐述了内部破坏模式的破坏机理,提出了基于尺寸参数的超长寿命疲劳极限的推定方法。     

考虑疲劳本构随机性的结构应力疲劳可靠性分析方法

提出考虑疲劳本构关系随机性的结构应力疲劳可靠性分析方法。视循环本构模型的材料常数为相关随机变量,考虑存活概率和置信度2个概率测度,与疲劳试验有机结合,应用极大似然原理建立随机疲劳本构的概率模型。随机疲劳强度即概率S－N关系也用2个概率测度下表征,并考虑从中短到长寿命阶段的可能工程实践范围。基于载荷史服从疲劳本构关系产生随机应力载荷、给定寿命时概率S－N关系揭示结构强度分布的观点,建立随机应力载荷—强度干涉可靠性分析模型,可实现任意概率水平的可靠性寿命预测和可靠度评定。中国铁路货车RD2型车轴的可靠性寿命预测和可靠性评定,说明了方法的有效性。     

基于两参数Weibull分布的概率疲劳S-N曲线模型

发展了基于两参数Weibull分布的概率疲劳S-N曲线模型及构建方法,用于描述随机滚动接触疲劳应力幅-寿命关系。除考虑数据分散性的统计分布规律外,模型还考虑样本数量相关的寿命置信度预测效应, 引入最小正态寿命的置信下限评价。Weibull分布的尺度参数和形状参数,寿命置信度评估参数,以及概率S-N曲线的指数,全部由试验数据来确定。G20CrNi2Mo轴承钢的滚动接触疲劳试验数据的分析证实所提出方法的可应用性。并且证实该滚动接触疲劳寿命的分布规律,宜采用包括Weibull分布在内的有偏统计模型来描述。     

An efficient method for fatigue reliability analysis accounting for scatter of fatigue test data

In the reliability analysis involving fatigue life, statistical information of the geometric parameters and the S-N parameters of the material are necessary to calculate failure probability. Recently, Dimension Reduction Method combined with Kriging approximation (named as K-DR) was developed by the authors, which is an efficient means to construct probability distribution for a response function due to the random input parameters based on the concept of additive decomposition. If all the probability distributions of input parameters are well established in the fatigue life analysis, the K-DR method can be ordinarily employed to obtain PDF of fatigue life. The probability distributions of S-N parameters, however, are not always available due to the limited experimental data. In this case, a family of curves representing confidence bound which is called P-S-N curve are more useful in the design practice. Then the random S-N parameters are turned into a number of deterministic values with different confidence level, at which the PDF’s can be obtained respectively by repeated implementation of K-DR method. By exploiting the concept of additiveness, however, the repetition of K-DR can be avoided, i.e., once an ordinary problem under the random S-N parameters is solved using the K-DR, comparable accuracy can be achieved without implementing new K-DR for the additional problems at each of the deterministic S-N parameters. The proposed method is demonstrated for the fatigue design problem of knuckle. The resulting information is of great practical value and will be very helpful for the design engineers in making decision in the fatigue design process.     

研磨加工层对高碳铬轴承钢超长寿命疲劳行为的影响

为了阐明磨石研磨加工层对高碳铬轴承钢JIS SUJ2超长寿命疲劳行为的影响,分别使用经砂纸研磨和电解研磨的砂漏形试样,在室温空气环境下进行旋转弯曲疲劳试验.砂纸研磨试样被除去部分磨石研磨层,电解研磨试样被除去了全部的磨石研磨层.结果表明,两种试样的S-N曲线由位于短寿命区的表面破坏模式和位于长寿命区的内部破坏模式的两条组成,表面破坏模式的S-N曲线受表面粗糙度和表面压缩残余应力的影响.内部破坏模式的S-N曲线不受表面条件的影响,是材料固有的特性.砂纸研磨试样表面破坏模式的疲劳极限最高,是电解研磨试样1.11倍和磨石研磨的1.20倍.表面压缩残余应力对表面破坏模式疲劳极限的影响可以用修正Goodman图表示.还讨论裂纹的萌生和扩展条件,推定超长寿命的疲劳极限.     

应变疲劳可靠性理论与方法的新进展

介绍概率应变疲劳试验法、评价模型和损伤随机演化机制方面的新进展。突破经典极大似然法在参考试验载荷之外的单试样限制，提出新的广义极大似然疲劳试验法。新发现随机循环应力—应变响应现象并建立其概率模型。新发展概率疲劳应变一寿命模型。概率模型参数由称为广义极大似然法的方法确定，在整体数据层面综合考虑数据分散性规律与样本量对概率评价的影响。考虑随机应力—应变关系反映“随机应变载荷”、随机应变—寿命关系揭示材料的“应变强度”，提出随机应变载荷—强度干涉恒幅可靠性模型，与Keciguliu的递推法结合可进行变幅和应变载荷谱下的可靠性分析，形成了应变疲劳可靠性理论和方法的新体系。进一步根据有效短裂纹准则，揭示疲劳性能随机及演化性的本质原因源于主导有效短裂纹萌生区域及其裂尖区域微观结构扩展条件的差异及演化性；随机疲劳裂纹扩展、应变—寿命和应力—应变关系是3个关联的随机疲劳关系；疲劳损伤是一个由初始混沌状态，到独立无关的随机状态，然后到史相关随机状态的演化过程。     

结构疲劳寿命、可靠性可视化技术与虚拟疲劳设计

介绍了大型图形用户界面有限元软件、疲劳寿命预测模型、疲劳寿命可视化,可靠性可视化实现方法等结构疲劳寿命以及可靠性可视化技术,阐述了先进的基于“全场”疲劳寿命,可靠性可视化技术的产品虚拟疲劳设计思想,以有限元软件ANSYS为平台,自行开发了基于结构疲劳寿命,可靠性可视化技术的外部模块,并采用该模块对某战斗机起落架框进行了“全场”疲劳寿命,可靠性可视化分析。     

RESEARCH PROGRESS ON STRUCTURAL FATIGUE RELIABILITY DESIGN AND ANALYSIS METHODS OF CHINESE RAILWAY VEHICLES

A state-of-art review is given to the new advances on fatigue reliability design and analysis methods of Chinese railway vehicle's structures.First,the structures are subject to a complicated random fatigue stressing history and this history should be determined by combining dynamic simula- tion and on-line inspection.Second,the random fatigue constitutions belong to an intrinsic fatigue phenomenon and a probabilistic model is developed to well describe them with two measurements of survival probability and confidence,similar model is also presented for the random stress-life rela- tions and extrapolated appropriately into long fatigue life regime.Third,concept of the fatigue limit should be understood as the fatigue strength at a given fatigue life and a so-called local Basquin model method is proposed for measuring the random strengths.In addition,drawing and application methods of the Goodman-Smith diagram for integrally characterizing the random fatigue strengths are established in terms of ten kilometers.Fourth,a reliability stress-based method is constructed with a consideration of the random constitutive relations.These new advances form a new frame work for railway fatigue reliability design and analysis.     

滚子链链板表面加工质量系数的研究

从滚子链链板孔常用的加工方法入手,研究了表面加工质量对滚子链疲劳强度的影响。通过对板孔加工方法不同的系列试样的成组疲劳试验,得到了相应于板孔不同加工方法试样的R—S—N曲线,进而求出了不同预期寿命时表面加工质量系数的分布,并从微观上分析与研究了典型工艺下的疲劳裂纹萌生及扩展速率,从而为滚子链疲劳可靠性设计提供了重要的基础数据。