基于S-N曲线的自动扶梯桁架疲劳寿命评估方法研究

老旧的自动扶梯经大修和改造后进入新一轮的寿命周期,可延长使用时间,具有较好的经济效益。如何评估在用自动扶梯的剩余工作寿命是一个重要课题。分析影响自动扶梯桁架力学性能和疲劳寿命的因素,结合实际案例,基于S-N曲线探索适合自动扶梯桁架疲劳寿命评估的有效方法,以期为自动扶梯的改造提供参考。

基于断裂力学的腐蚀钢丝疲劳S-N曲线研究

高强冷拔钢丝因其优异的力学性能被广泛应用于缆索承重结构,服役过程中钢丝腐蚀与断裂威胁着结构安全。钢丝腐蚀后表面的蚀坑因应力集中效应易产生疲劳裂纹,因此腐蚀钢丝剩余疲劳寿命主要取决于裂纹的扩展阶段,且裂纹扩展受到腐蚀程度(初始损伤)的显著影响。精确表征腐蚀程度并准确评估服役期钢丝腐蚀后的剩余寿命,仍是亟待解决的维修难题。首先采用蚀坑最大深度表征钢丝腐蚀程度,以应力强度因子幅作为裂纹扩展驱动力指标,基于断裂力学的Paris公式建立受拉钢丝裂纹扩展理论模型,进而推导腐蚀钢丝的疲劳S-N曲线。大量既有的腐蚀钢丝疲劳试验结果与理论预测值的比较验证了所提理论模型及疲劳S-N曲线的合理性和有效性。含多个蚀坑的钢丝裂纹扩展有限元模拟表明,等效单裂纹适用于多腐蚀坑钢丝疲劳寿命的简化分析。参数分析表明,蚀坑深度和腐蚀环境是腐蚀钢丝疲劳强度的关键影响因素,而应力比和疲劳加载频率影响较小,所提出的S-N曲线在钢丝常规服役条件下适用于评估其剩余寿命,可得到合理的预测结果。基于断裂力学所提的理论方法和疲劳S-N曲线可为腐蚀钢丝的疲劳强度和寿命评估提供参考。

基于S-N曲线的汽车波纹管位移循环载荷寿命研究

建立了汽车波纹管有限元模型,研究了位移循环载荷对汽车波纹管寿命的影响规律,探明了汽车波纹管不同结构参数与等效应力、应变和疲劳寿命之间的关系,并通过正交试验优化了波纹管结构参数。分析了疲劳失效后309S不锈钢汽车波纹管微观组织。结果表明:随着位移循环载荷增大,波纹管疲劳寿命降低,疲劳寿命有限元结果和试验结果误差小于8.8%。增大波高、波距、波宽及减小壁厚有利于提高波纹管疲劳寿命,通过正交试验优化,等效应力由670.5 MPa减小到582.3 MPa,疲劳寿命由80060次增加到241450次。在水涨成形阶段,由于冷变形产生了部分马氏体,位移循环载荷作用下波纹管断裂处硬度接近200 HV,波峰处有明显的裂纹,其内部存在疲劳特征。

基于等效结构应力法的高强钢焊接结构低温主S-N曲线

现有的疲劳S-N曲线已不再适用于北极的低温环境,为了评估北极海洋工程设备材料的低温疲劳寿命,有必要建立金属结构尤其是焊接结构的低温疲劳S-N曲线。本文基于等效结构应力法,计算出Q690高强钢管环焊缝的主S-N曲线,并通过共振疲劳试验对该方法进行了验证。在此基础上,结合大量的高强钢焊接结构试验结果,将温度敏感因子c引入到低温疲劳主S-N曲线的推导中,首次建立了基于低温金属焊接结构的主S-N曲线,并对文献中的疲劳S-N试验数据和ASME中的修正方法进行了对比和验证。结果表明,等效结构应力法能够较准确地计算出焊缝疲劳S-N曲线,推导出的金属焊接结构低温主S-N曲线与试验曲线吻合较好,能够满足低温地区工程要求,可为高强钢焊接结构在北极地区低温环境中的广泛应用提供理论指导。该方法可以为金属焊接结构的低温疲劳研究节省大量的成本,减少非标准试验操作造成的不必要的误差。这对北极海洋工程设备的设计、安全运行和疲劳评估具有重要意义。

小曲线钢轨滚动接触疲劳及车轴疲劳寿命分析

为探究小半径曲线上钢轨滚动接触疲劳伤损规律及车轴寿命,文章基于车辆系统动力学模型,对小半径曲线钢轨磨耗计算分析得到钢轨疲劳数据模型。针对小半径曲线的钢轨整个损伤过程进行滚动接触疲劳分析,同时也基于有限元分析简单预测CRH3型动车组在疲劳伤损的钢轨上运行时车轴的疲劳寿命。研究结果显示:(1)在小半径曲线曲中点处外轨主要体现轨距角处的侧磨,内轨主要体现轨顶处的垂磨,且外轨的滚动接触应力和损伤与内轨有显著差异;(2)轮对进行静强度分析得到车轴上轮座压装处应力最大;(3)结合车轴应力和载荷谱对车轴疲劳寿命进行预测,计算发现预测寿命约为11.8 a,车轴在已经产生疲劳磨损的线路上运行时寿命会大大缩减。

基于动态剩余S-N曲线的线性疲劳寿命预测模型

为估算结构在变幅载荷下的疲劳寿命,在动态剩余S-N曲线的基础上,结合材料的退化规律,对材料受载过程中的累积疲劳损伤进行了量化,提出了一种预测变幅载荷下线性疲劳损伤预测模型。根据热轧16Mn钢和20Cr2Ni4A标准圆柱齿轮多级载荷下疲劳寿命试验数据,对提出模型的疲劳寿命预测能力进行了验证。结果表明:基于强度退化的线性疲劳寿命预测模型相对传统Miner法则和材料记忆退化累积模型的预测结果更接近试验结果,具有较高的预测精度。

估计三种常用疲劳应力-寿命模型P-S-N曲线的统一经典极大似然法

拓展经典极大似然法到Langer模型，提出了估计三参数、Langer和Basquin三种常用疲劳应力-寿命模型P-S-N曲线及其置信限的统一方法。方法用于处理极大似然法疲劳试验得到的S-N数据。该试验在特别关注的参考载荷试验一组试样，其余试样在不同载荷下试验。以参考载荷试验数据的统计参量为基础，按照每个模型中材料常数协同处于相同概率水平原则，将曲线表示为对数疲劳寿命均值和均方差线的广义形式，至多4个材料常数。曲线中的材料常数按极大似然原理采用数学规划法求出。45＃碳钢缺口试样(kt＝20）对称循环加载试验数据的分析说明了方法的有效性。分析还揭示合理模型有必要通过比较拟合效果、预计误差和应用安全性来确定。三参数模型的拟合效果最好，Langer模型稍差，Basquin模型较差。从拟合效果、预计误差和应用安全性角度，Basquin模型不适于描述该套数据。此外，经典极大似然法估计结果可能因受局部统计参量影响而给出非安全估计，有必要发展改进的可以最大限度减小这种影响的方法。

基于主S-N曲线的装载机工作装置疲劳寿命评估

针对装载机在使用过程中焊接结构的疲劳开裂问题,文中在其设计阶段进行了疲劳寿命评估。首先,建立了工作装置中连杆网格尺寸为10,5,2.5 mm的有限元模型,对其进行静力学求解并提取其焊趾节点的结构应力,结果表明,在这3种网格尺寸下结构应力大小的相对误差不超过1%,验证了主S-N曲线法对网格尺寸不敏感的特性。此外,建立额定载质量9 t的装载机工作装置在台架试验姿态下含有焊缝细节特征的三维有限元模型,采用实测得到的疲劳试验加速加载谱进行加载计算,获得焊线L1~L8的结构应力,根据各焊线所受的载荷模式及所处位置的板厚等参数计算得到了工作装置焊线L1~L8的疲劳寿命,并与采用FE-SAFE软件计算得到的8条焊线疲劳寿命进行对比,二者分析结果均在焊线L2(动臂板与动臂油缸连接处焊缝)处首先发生疲劳破坏,疲劳寿命分别为12376.3和9597.6 h;通过与采用IIW和BS 7608标准计算的寿命进行对比,分析了结果差异的原因,评估结果对改进装载机工作装置结构与焊缝优化提供了依据。

疲劳S-N曲线预测模型进展综述

疲劳S-N曲线是机械零部件强度设计的基础,但受限于贫样本或者小样本,使得诸多回归和预测模型都建立在各种假设之上。随着机械设备复杂程度的提高,零部件疲劳寿命多种影响因素间的耦合性和竞争性在不断增加;另一方面随着材料性能的发展,疲劳S-N曲线的结构也在改变,这些都使得已有模型无法满足强度设计需求。数据驱动方法能够对不同工况下的寿命数据能够进行深度挖掘,使得疲劳寿命数据的研究焕发新机。首先,对已有的确定性疲劳S-N曲线模型和小量/成组样本下的不确定疲劳S-N曲线模型进行了回顾,并对样本量大小引起的不确定性表达进行描述。其次,对由于材料性能改进导致的疲劳S-N曲线结构变化以及相应的改进模型进行了阐述。再次,介绍了疲劳S-N曲线模型的影响因素如平均应力、尺寸效应、应力集中、工作环境和表面完整性等,进而对数据驱动方法在多影响因素下的S-N曲线回归和预测进行了阐述。最后,对疲劳S-N曲线模型的发展趋势进行了讨论和展望。

结合S-N曲线和断裂力学的焊接结构疲劳寿命分析

针对焊接结构的疲劳裂纹演化过程,将焊接结构的疲劳寿命定义为裂纹萌生寿命Ni和裂纹扩展寿命N_p之和,提出一种结合S-N曲线和断裂力学理论的疲劳寿命分析方法.采用等效结构应力法和99%下限主S-N曲线计算焊接结构的裂纹萌生寿命,并将这一阶段结束时的裂纹看作为半椭圆表面裂纹.采用Paris裂纹扩展模型和半椭圆表面裂纹应力强度因子ΔK计算裂纹扩展寿命N_p.参照某起重机走行梁的疲劳试验结果进行对比和验证研究.结果表明,等效结构应力可以较好地表征复杂焊接结构的裂纹萌生特性,结合S-N曲线和断裂力学的疲劳寿命计算结果与试验结果具有较好的一致性.

估计三种常用应力-寿命模型概率设计S-N曲线的统一方法

提出了适于三参数、 Langer和 Basquin三种常用应力-寿命模型称为广义极大似然法的估计概率设计 S- N曲线及其置信限的统一方法。方法将概率设计 S- N曲线表示为对数疲劳寿命均值和均方差曲线的广义形式。与现有常规和经典极大似然法方法不同，考虑所有试验数据的统计特征，应用最小二乘法先估计出均值曲线中的材料常数，然后利用极大似然原理和数学规划法估计出均方差曲线中的材料常数。有效性采用拟合相关系数、拟合误差均方值和置信限综合评价。对反应堆不锈钢管道焊接头虚拟应力幅-裂纹萌生寿命数据及 45＃碳钢成组法和极大似然法疲劳试验应力-寿命数据的分析说明了方法的有效性。一般来说，三参数模型的拟合效果最好， Langer模型次之， Basquin模型最差。本文方法的拟合效果好于现有方法，并尽量避免了现有方法受试验数据局部统计特征影响而可能给出偏于非安全估计的缺陷。

焊接结构超高周疲劳主S-N曲线拟合及寿命预测方法

超声波疲劳试验是获得焊接接头超高周疲劳强度的实用方法.目前还没有有效方法能够预测和评估任意焊接接头形式的超声超高周疲劳寿命.文中提出了一种超声简谐共振条件下,评估焊接接头疲劳寿命的瞬态结构应力法,以及超声超高周疲劳主S-N曲线拟合方法.基于已公开的300个焊接接头试验数据,拟合了铝合金焊接接头20 kHz超高周主S-N曲线.通过共振模型瞬态仿真分析,后雨流计数获得响应等效结构应力谱,与超高周疲劳主S-N曲线预测焊接结构疲劳寿命.结果表明,结构应力集中系数不会因焊接接头受到振动或外载大小变化而改变;拟合的超高周疲劳主S-N曲线是一条新的m=16.5的窄带,将主S-N曲线法理论的适用范围拓展到了超高周区域,可用于任意接头形式的焊接结构件超声振动超高周疲劳寿命预测.

寿命服从对数正态分布、有置信度时概率疲劳S-N曲线的合理重构

当概率疲劳S-N曲线以特定存活概率(P)和置信度(C)的方式给出并无法重做试验时,除特定P-C外无法做其它概率水平的可靠性分析.因此,需要广泛适用的曲线模型.建立了疲劳寿命服从对数正态分布时疲劳试验S-N数据及广义曲线的Monte Carlo模拟重构方法.为了避免现有人为放大样本到数千给出偏危险评价,从实际试验情况出发,采用了材料小试样每组样本7至20、结构试样每组样本至多10个、还原统计参量误差小于5%的模拟策略.然后,依据模拟数据利用回归法重建了可实现任意P-C水平可靠性分析的P-C-S-N曲线.铁路60Si2Mn高强度弹簧钢概率曲线的重构实践说明了方法的有效性与适用性.

基于不同S-N曲线的横向十字焊接接头疲劳寿命预测

通过疲劳分析软件MSC．Fatigue自动生成了3种不同S-N曲线，即试验S-N曲线、经验S-N曲线和标准s-N曲线，考虑了残余应力、平均应力、接头外形对焊接疲劳的影响，并按相关规则修正后对碳钢Q235B十字焊接接头进行了疲劳寿命预测，并进行了比较分析．结果表明，基于MSC．Fatigue的S-N曲线法模拟的焊接接头疲劳损伤部位及损伤程度与试验结果一致；试验S-N曲线预测值与标准S-N曲线预测值偏差在7．9％-28％，与经验S-N曲线预测值偏差3．3％～19％，经验S-N曲线预测结果偏高，而标准S-N曲线预测结果相对比较保守．

应用修正的P-S-N曲线计算齿轮疲劳寿命

疲劳破坏是机械结构的主要破坏形式之一,准确预测机械结构工作疲劳寿命至关重要。一般的线性损伤累积理论忽略了高频率低疲劳应力所引起的构件疲劳损伤,致使预测结果与实际寿命相差很大。为准确确定双圆弧齿轮的疲劳寿命,提出以修正的材料P-S-N曲线为基础,采用传统的名义应力法和Miner法则估算双圆弧齿轮的疲劳寿命,计算结果表明该方法可行,为预估螺杆泵的井下工作寿命提供了参考依据。

基于S-N曲线的钢桥疲劳寿命研究

针对我国《铁路桥梁钢结构设计规范》中关于钢桥疲劳寿命评估方法存在的不足,提出了考虑多车效应和冲击效应作用下疲劳车辆模型的确定方法。通过比较英国BS5400规范和美国AASHTO规范中关于S—N曲线的修正方法,得到了变幅疲劳荷载作用下S-N曲线的修正方法,并通过工程实例验证了在考虑多车效应和冲击效应作用时,采用该修正方法计算得出的疲劳寿命更加合理。

E690高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展速率曲线与S-N寿命曲线转换研究

以E690高强钢为研究对象,结合实验获得的裂纹扩展速率曲线与寿命S-N曲线,研究这两种腐蚀疲劳性能模型之间的内在联系,量化并建立两者之间转换的关系模型,实现将裂纹扩展速率曲线转换为对应的S-N曲线。结果表明,所提的方法能较好地实现材料裂纹扩展速率曲线与寿命S-N曲线之间的转换,具有很好的可行性和通用性,有助于优化E690高强钢腐蚀疲劳寿命预测与损伤定量评估体系。

确定高周应力疲劳S-N曲线的方法研究

基于三参数幂函数法处理高周疲劳S-N曲线,提出了一种在短寿命区采用低周疲劳试验数据、长寿命区采用高周疲劳试验数据联合确定材料高周疲劳S-N曲线的方法。联合处理方法的应用在有效利用低周疲劳数据、节约试验经费和缩短试验周期的同时,获得了理想的S-N曲线。用FGH95合金500℃和单晶合金DD3[001]取向850℃的高、低周疲劳数据对该方法进行了验证,结果表明:联合处理方法不仅在长寿命区与单纯用高周疲劳数据处理得到的S-N曲线吻合很好,而且将S-N曲线延伸到中、低寿命区,有效地保证了S-N曲线的完整,联合处理方法可以用来确定材料的高周S-N曲线。

滚动轴承疲劳寿命P-S-N曲线

本文在滚动轴承疲劳寿命服从三参数weibull分布的基础上,研究滚动轴承的寿命——负荷关系,绘出了疲劳寿命P-S-N曲线,分析了三个独立参数α、β、ε随负荷的变化规律,并提出了用三多数幂函数形式来表达寿命——负荷关系的可能性。

基于主S-N曲线法的车体疲劳寿命评估

为研究动车组车体疲劳强度是否符合设计要求,采用主S-N曲线法分别评估车体在EN12663标准中疲劳工况下的疲劳强度和在实测低频载荷谱下的疲劳强度,并将两种工况下的计算结果进行对比。结果表明:在两种工况下车体疲劳强度都符合设计要求;使用EN12663标准提供的工况计算出来的疲劳寿命值更小,按照标准进行设计是十分安全的。