轨道车辆结构疲劳概述讲义.docVIP

轨道车辆结构疲劳 图1 铁丝网 假设，您有一位非常要好的朋友被困在铁丝网里（图1所示），吃得好，喝得好，但就是渴望自由，想出来，可除了双手没任何工具，需要你帮他想个办法！Q：逃脱简单，把铁丝网弄破就行，我拿着的是他铁丝网的一段，帮他想办法扯断逃脱？ A同学：（使劲拽） B同学：（） B同学反复折，很轻松地就折断了！为什么A同学使劲拽没断，B同学轻轻反复折就折断了？这其中蕴含的科学问题，就是我们今天要讲的疲劳。 疲劳概述 1.预备知识 在讲什么是疲劳之前，先回顾几个概念。 载荷 使材料或结构（以下统称构件）产生内力和变形的外力及其它因素。更一般的，对构件工作性能产生不良影响的外在因素，统称为载荷，比方说常见的力、弯矩以及温度、腐蚀载荷等。 应变、应力 当构件在外力作用下不能自由移动时，它的几何形状和尺寸将发生变化（也即变形），构件一点处的变形程度称为应变（Strain）。 图2 应变 应变描述： 线应变 （真实应变） 角应变 构件发生形变时内部产生了大小相等、方向相反的反作用力以抵抗（平衡）外力，与外载荷相对应，该反作用力Δ称为内力。把内力在一点的分布集度，即单位面积上的内力，称为应力（Stress）。 图3 剖面内力分析法 图4 应力分析 应力描述： （名义应力，也称工程应力） （真实应力） (3)动、静载荷（应力、应变） 根据随时间的变化情况，载荷又分为静载荷与动载荷。随时间不变化或者变化非常缓慢的载荷，称为静载荷，反之称为动载荷。相应的，应力与应变也有动、静之分。 图5 静载荷 图6 动载荷 Q：变化与不变化好理解，“变化非常缓慢”怎么理解和界定？ A：先看个例子如图7所示的承载系统，由可伸缩杆A和杆B组成，其中杆A长1.0米，极限承受载荷为40KN，最大压缩量为0.2米；杆B长为0.9米，极限载荷为30KN，最大压缩量为0.1米。外载荷F为动态加载，变化范围为0~50KN，为承载系统是否安全？ 图7 承载系统 分析：杆A比杆B高0.1米，说明加载开始时整个系统由杆A独立承载，这时如果载荷F加载过快而超过其极限载荷的话，杆A会瞬间断裂，而使杆B独立承载，由于此时的载荷已超过杆B的极限载荷，所以杆B在承载的瞬间也断裂；相反的，如果一开始F变化缓慢，杆A在被压缩0.1米之前所受的载荷没有超过其极限载荷，F再增加时则由杆A、B共同承载，从而保证了系统的安全。 变化非常缓慢的目的，是让外部载荷在构件内部得到充分的分配，以最大限度地发挥构件的承载能力具体加载速率是由材料、结构形状以及载荷类型等因素决定。承载不均匀现象就是下文所讲的应力集中2.疲劳定义 好了，现在讨论一下什么是疲劳。之所以用“讨论”，是因为关于疲劳国内外学术界还没有统一的定义。我们先看一下比较有代表性的教材与文献中对疲劳是怎么阐述或定义的： 金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。美国试验与材料协会（ASTM E206-72,1972） The process of progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations. 在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中发生的局部、永久性结构变化的发展过程，称为疲劳。 徐灏（19—1999）—《概率疲劳》，1994 材料、零件（构件）在循环应力或应变的作用下，在某点或某些点逐渐产生局部的、永久的结构变化，并在一定循环次数后形成裂纹或继续扩展直到完全断裂的现象，称为疲劳。 （，东北工学院我国第一部疲劳方面的专著—疲劳强度设计） 赵少汴（1932—）、王忠保—《抗疲劳设计方法与数据》，1997 材料在循环应力和应变的作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累计损伤，经历一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。（称为疲劳）赵少汴姚卫星（1957—）—《结构疲劳寿命分析》，2003 金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。 （姚卫星，教授博士生导师南京航空航天大学） 李守新—《高强度钢超高周疲