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摘 要： 摘要:從含缺陷車輛部件的安全評(píng)估及探傷決策出發(fā),論述了轉(zhuǎn)向架部件(如構(gòu)架、車軸等)的抗疲勞評(píng)估設(shè)計(jì)及評(píng)估進(jìn)展,重點(diǎn)分析了合金鋼EA4T車軸和碳素鋼S38C車軸的設(shè)計(jì)理念差別,闡明了車軸運(yùn)用評(píng)估中存在的難定量和過(guò)保守設(shè)計(jì)的理論局限性;首創(chuàng)提出了把名義應(yīng)力+
摘要:從含缺陷車輛部件的安全評(píng)估及探傷決策出發(fā),論述了轉(zhuǎn)向架部件(如構(gòu)架、車軸等)的抗疲勞評(píng)估設(shè)計(jì)及評(píng)估進(jìn)展,重點(diǎn)分析了合金鋼EA4T車軸和碳素鋼S38C車軸的設(shè)計(jì)理念差別,闡明了車軸運(yùn)用評(píng)估中存在的難定量和過(guò)保守設(shè)計(jì)的理論局限性;首創(chuàng)提出了把“名義應(yīng)力”+“損傷容限”有機(jī)融合的階梯疲勞評(píng)估框架,給出了樣本信息聚集改進(jìn)原理、基于單軸拉伸性能的裂紋擴(kuò)展模型、應(yīng)力G缺陷G壽命的三參數(shù)評(píng)估圖和表面殘余應(yīng)力場(chǎng)重建等四大關(guān)鍵技術(shù).結(jié)果表明:基于安全壽命法的抗疲勞設(shè)計(jì)給出的評(píng)估結(jié)果過(guò)于保守,導(dǎo)致車輛部件維修不足或者過(guò)度維修;基于單軸拉伸性能的新型裂紋擴(kuò)展模型的精度優(yōu)于著名的NASGRO方程;KitagawaGTakahashi圖把基于名義應(yīng)力的疲勞極限和基于斷裂力學(xué)的缺陷特征有機(jī)關(guān)聯(lián)起來(lái),比Goodman圖更直觀、定量和全面;基于表面單位壓力法,獲得了與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致的S38C車軸的殘余壓縮應(yīng)力分布,表明壓縮殘余應(yīng)力的引入提高了新干線車軸的抗微動(dòng)磨損能力和抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力;廣域環(huán)境服役、超高周疲勞機(jī)制、增材修復(fù)再制造、斷裂求解技術(shù)及動(dòng)力學(xué)和強(qiáng)度結(jié)合等問(wèn)題成為未來(lái)研究的挑戰(zhàn).
關(guān)鍵詞:車輛工程;高速列車;損傷容限;疲勞壽命;焊接構(gòu)架;增材制造
0引言
到2020年底,中國(guó)高鐵總里程達(dá)到3.9×104km,占世界運(yùn)營(yíng)總里程的65%以上,是高速鐵路建設(shè)與運(yùn)用規(guī)模最大的國(guó)家.然而,列車速度的不斷提高,運(yùn)用地域愈加寬廣,服役工況日趨嚴(yán)苛,對(duì)車輛關(guān)鍵部件(車軸、構(gòu)架等)的選材、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)提出了更高要求[1G2].
以車軸為例,作為高速動(dòng)車組最重要的安全臨界部件之一,必須確保在線車軸運(yùn)行狀態(tài)良好、服役安全可靠,并且充分發(fā)揮其使用效能.然而,車軸在制造、運(yùn)輸、服役和維護(hù)中不可避免地出現(xiàn)各類缺陷(圖1),包括磕碰、刮擦、撞擊、腐蝕坑和微動(dòng)磨損等[3G5].其中,最為典型的是異物致?lián)p(ForeignObjectDamage,FOD),其當(dāng)量深度約0.2~2.0mm,是對(duì)車軸運(yùn)用威脅較大的一類缺陷.這些缺陷在外部復(fù)雜服役環(huán)境和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞加載作用下,發(fā)生裂紋萌生和擴(kuò)展,導(dǎo)致車軸的失效斷裂,是高速動(dòng)車組運(yùn)用中的巨大安全隱患.但在車軸的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),如«鐵路設(shè)備G輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架G驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)方法»(EN13104—2009)和«鐵道車輛G車軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法»(JISE4501—1995)等中,尚未載明關(guān)于缺陷的處理?xiàng)l款.為保證車輛超長(zhǎng)距離安全可靠運(yùn)行,需要根據(jù)檢修規(guī)程進(jìn)行更新或者判廢處理.作者認(rèn)為,在車軸設(shè)計(jì)時(shí)亦有必要對(duì)易于形成致命缺陷的關(guān)鍵部位進(jìn)行強(qiáng)度和全壽命服役校核,以確保車輛運(yùn)營(yíng)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性.
再以轉(zhuǎn)向架為例,構(gòu)架是列車安全、高速運(yùn)行的根本保證,它具有長(zhǎng)距離跨區(qū)運(yùn)行和惡劣工況承載的特點(diǎn).焊接過(guò)程不僅改變了母材均勻的微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,而且改變了熔焊區(qū)域甚至整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和幾何形狀,更造成了材料內(nèi)部及表面的各種缺陷,使得接頭成為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),是控制轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架疲勞強(qiáng)度和使用壽命的重要因素[6G10].由于載荷形態(tài)、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和服役環(huán)境的極端復(fù)雜性,保證和預(yù)判轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的抗疲勞斷裂性能及服役安全性就成為更高速度軌道車輛發(fā)展中亟待解決的核心課題.
然而傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想的一個(gè)基本假設(shè)是把材料視為無(wú)任何缺陷的理想均勻連續(xù)體[11G12],沒(méi)有考慮小尺寸缺陷誘導(dǎo)的局部應(yīng)力放大效應(yīng),給出過(guò)保守設(shè)計(jì)結(jié)果.當(dāng)前,中國(guó)高鐵面臨著技術(shù)固化和產(chǎn)能升級(jí)的關(guān)鍵階段,主機(jī)廠和路局也面臨著維持和提升核心競(jìng)爭(zhēng)力的重大歷史機(jī)遇.突破名義應(yīng)力評(píng)估的定性評(píng)估及思維定勢(shì),實(shí)現(xiàn)車輛結(jié)構(gòu)長(zhǎng)效性能的精準(zhǔn)定量化評(píng)估應(yīng)是高鐵領(lǐng)域亟待開(kāi)展的前瞻性課題.
20世紀(jì)工程科學(xué)的重大進(jìn)步之一是(彈性和彈塑性)斷裂力學(xué)的形成與發(fā)展[11].基于斷裂力學(xué),對(duì)含缺陷金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行剩余強(qiáng)度和壽命及探傷周期的設(shè)計(jì)、評(píng)估與預(yù)測(cè),成功解決了傳統(tǒng)名義應(yīng)力方法無(wú)法解釋和難以解決的重大工程裝備失效破壞的內(nèi)在機(jī)理,大幅減少了惡性事故的發(fā)生,形成了一系列成熟的缺陷檢測(cè)及評(píng)價(jià)規(guī)范,如英國(guó)«金屬結(jié)構(gòu)缺陷驗(yàn)收評(píng)定準(zhǔn)則»(BS7910—2019)和中國(guó)«在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定»(GB/T19624—2004),并且發(fā)展出各種檢測(cè)方法,例如廣泛用于車輛結(jié)構(gòu)的磁粉探傷[13G15]、超聲波探傷[16G18]、陣列渦流探傷[19G21]、相控陣探傷[22G23]等,前三種普遍用于車軸.幾種探傷方法綜合運(yùn)用,可以確保100%檢出深度為1mm及更小尺寸的表面裂紋.基于斷裂力學(xué)的損傷容限也相繼被國(guó)際、國(guó)內(nèi)和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)所吸納,被普遍認(rèn)為是名義應(yīng)力方法后下一代重大裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與服役評(píng)估的先進(jìn)思想.
最近,作者把名義應(yīng)力和斷裂力學(xué)結(jié)合,提出鐵道車輛部件“階梯疲勞評(píng)估框架”,即把無(wú)限壽命設(shè)計(jì)作為全壽命周期的第一級(jí)(初級(jí))評(píng)估方法,把損傷容限思想作為第二級(jí)(高級(jí))評(píng)估方法,這是軌道車輛抗疲勞設(shè)計(jì)的進(jìn)展之一[24],成功用于鐵道車輛焊接構(gòu)架、空心車軸及制動(dòng)盤的強(qiáng)度校核、服役定壽及探傷決策.
眾所周知,中國(guó)高鐵通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新的技術(shù)路線,取得了世界鐵路顛覆性技術(shù)的巨大成就.至今日,中國(guó)高鐵已進(jìn)入高質(zhì)量運(yùn)維階段,部分關(guān)鍵部件(車軸、構(gòu)架等)已達(dá)設(shè)計(jì)壽命的三分之二.在超長(zhǎng)距離復(fù)雜環(huán)境運(yùn)用時(shí),失效風(fēng)險(xiǎn)將迅速增大,確保運(yùn)行安全經(jīng)濟(jì)可靠也是新時(shí)期世界高鐵面臨的重大技術(shù)課題.
基于這一問(wèn)題,論文深入闡述現(xiàn)代車輛用金屬部件(例如鍛造車軸、焊接構(gòu)架、鑄鋼部件、增材材料等)的無(wú)限壽命設(shè)計(jì)方法(包括各種累積損傷原理和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范)、損傷容限評(píng)估方法和最新提出的階梯疲勞評(píng)估框架,以及支撐這一新型評(píng)估思想的四大關(guān)鍵技術(shù),主要包括改進(jìn)的樣本信息的聚集原理(ImGprovedBackwardStatisticalInferenceApproach,ISIA[25])、基于單軸拉伸性能的新型裂紋擴(kuò)展模型(ImprovedLongandPhysicallyShortCrackModGel,iLAPS[26])、應(yīng)力G缺陷G壽命的三參數(shù)評(píng)估圖(StressGDefectGLifetimeAssessmentDiagram,SDL[27G28])和重建表面強(qiáng)化致壓縮殘余應(yīng)力的單位壓力法(UnitPressureApproach,UPA[29]).其中,SDL圖是在修正KitagawaGTakahashi圖(KGT圖)基礎(chǔ)上,把與缺陷相關(guān)的疲勞壽命考慮進(jìn)來(lái)的一種量化評(píng)估方法.同時(shí),重點(diǎn)以EA4T材質(zhì)車軸為例,給出采用階梯疲勞評(píng)估框架的剩余壽命管理策略.最后,指出高速列車結(jié)構(gòu)幾個(gè)亟待研究的課題.
1結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估方法
完整性源自單詞“Integrity”,指的是一種未受損壞、未被分離的狀態(tài).此處,是指車輛部件具備抵抗內(nèi)外部因素的影響并保持安全可靠運(yùn)用的能力.傳統(tǒng)的完整性定義,更多的是強(qiáng)調(diào)在斷裂力學(xué)框架內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能保持.廣義上來(lái)說(shuō),車輛結(jié)構(gòu)完整性應(yīng)在全壽命周期內(nèi)維持與初始狀態(tài)一致的微觀組織特征、表面殘余應(yīng)力、固有接受缺陷等基本屬性,并確保功能完整性、結(jié)構(gòu)可靠性、狀態(tài)可控性.
1.1抗疲勞設(shè)計(jì)的發(fā)展
工程結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì)經(jīng)歷了靜強(qiáng)度法、無(wú)限壽命法、安全壽命法和損傷容限法.其中,關(guān)鍵指標(biāo)分別是名義應(yīng)力和應(yīng)力強(qiáng)度因子.名義應(yīng)力亦稱為標(biāo)稱應(yīng)力,是指能用材料力學(xué)公式推算出來(lái)的具有平均意義的單軸應(yīng)力,是目前金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、疲勞強(qiáng)度及壽命評(píng)估中廣受認(rèn)可的方法.名義應(yīng)力發(fā)展較早,理論方法成熟,試驗(yàn)數(shù)據(jù)豐富,使用簡(jiǎn)單高效.例如,中國(guó)«鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范»(GB50017—2003)、美國(guó)鐵路協(xié)會(huì)AAR«機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)»、歐洲«鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)»(EN1993Eurocode3)、英國(guó)«鋼產(chǎn)品的疲勞設(shè)計(jì)和評(píng)估指南»(BS7608—2014)、國(guó)際焊接學(xué)會(huì)IIW«焊接接頭及其構(gòu)件疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)»(XIIIG1965G03/XVG1127G03)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,都提供了詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算方法及豐富的應(yīng)力疲勞SGN曲線(S為應(yīng)力,N為循環(huán)周次)數(shù)據(jù).
自從德國(guó)人Wöhler基于鐵道車軸提出疲勞SGN曲線后,抗疲勞思想在機(jī)械結(jié)構(gòu)服役可靠性領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用.同時(shí),材料及結(jié)構(gòu)的疲勞測(cè)試技術(shù)也不斷涌現(xiàn),先后發(fā)明了液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)、高周疲勞試驗(yàn)機(jī)以及超高周疲勞試驗(yàn)機(jī)等.借助這些設(shè)備,針對(duì)材料是否存在確定的疲勞極限,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究,極大地改進(jìn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)的先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造水平.對(duì)于損傷及壽命預(yù)測(cè),先后提出了Bauschinger效應(yīng)、Basquin定律、Peterson因子、Weibull統(tǒng)計(jì)率、Miner損傷定律、MansonGCoffin公式、Paris方程及Elber裂紋閉合現(xiàn)象等.
隨著金屬結(jié)構(gòu)朝著極限尺寸、極端工況、超高參數(shù)等方向發(fā)展,對(duì)關(guān)鍵承載部件或者安全臨界部件的力學(xué)與結(jié)構(gòu)完整性要求愈發(fā)苛刻,人們對(duì)無(wú)限壽命設(shè)計(jì)的理論假說(shuō)提出了質(zhì)疑.同時(shí),人們對(duì)基于疲勞SGN曲線(即無(wú)線趨近于壽命軸)相關(guān)無(wú)限壽命的疲勞極限概念的高斯統(tǒng)計(jì)方法出了質(zhì)疑(圖3,Sa為應(yīng)力幅值);普遍認(rèn)為,設(shè)計(jì)方法及結(jié)果不應(yīng)是確定性的而是概率性的.例如,20世紀(jì)50年代基于Timoshenko強(qiáng)度法并考慮彎曲加載工況設(shè)計(jì)出第一架“Caravelle”飛機(jī),直到70年代才對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的斷裂力學(xué)行為開(kāi)展了深入研究.起初,歐洲在設(shè)計(jì)超音速客機(jī)時(shí)基于傳統(tǒng)的材料強(qiáng)度理論,然后又基于斷裂力學(xué)的安全裂紋法進(jìn)行了改進(jìn).此后,1980年的“Airbus”是人類基于損傷容限設(shè)計(jì)制造出的第一架客機(jī).
為敘述方便,以下列舉了鐵道車輛結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)的幾個(gè)重要階段.
(1)靜強(qiáng)度法:設(shè)計(jì)應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的軸向拉伸強(qiáng)度,一般還包括抗變形能力及力學(xué)響應(yīng).
(2)無(wú)限壽命:設(shè)計(jì)應(yīng)力低于傳統(tǒng)鋼材料的疲勞極限,理論假設(shè)是結(jié)構(gòu)中無(wú)任何缺陷.
(3)安全壽命:在德國(guó)強(qiáng)度評(píng)定FKM框架中,引入Miner損傷累積概念,即疲勞SGN曲線描述的斜率k區(qū)域和k′=2k-1區(qū)域,另外一種更復(fù)雜情況是考慮了結(jié)構(gòu)服役中的變幅加載效應(yīng).
(4)安全裂紋:允許存在確定性的可預(yù)測(cè)擴(kuò)展裂紋,這種方法也可以認(rèn)為是損傷容限設(shè)計(jì)法.
另外一種方法,即局部失效法,也能夠有效解決金屬的疲勞問(wèn)題,目前已在法國(guó)等國(guó)家廣泛應(yīng)用.此外,20世紀(jì)90年代超高周疲勞研究的興起,提醒不應(yīng)忽視材料內(nèi)部的微缺陷(例如夾渣、氣孔、未熔合、晶粒取向等)對(duì)工作載荷遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)疲勞極限的金屬合金疲勞壽命的影響.超高周疲勞損傷機(jī)制的典型特征是,裂紋萌生源不再是表面缺陷,而是材料內(nèi)部.這一特殊的裂紋萌生模式使得超高周疲勞更具有危害性、不確定性,需要給予足夠重視.
無(wú)限壽命理論指出,車軸許用應(yīng)力DSdes應(yīng)根據(jù)材料光滑試樣的疲勞極限D(zhuǎn)Slim來(lái)確定,不過(guò)DSlim必須區(qū)分車軸種類(實(shí)心或空心)以及車軸截面部位(例如兩個(gè)部件的壓裝區(qū)或者過(guò)盈配合區(qū)、變截面區(qū)等),因此,有DSdes=DSlim/η,則實(shí)際運(yùn)用中車軸應(yīng)力應(yīng)小于該設(shè)計(jì)應(yīng)力值.安全系數(shù)η表示結(jié)構(gòu)在測(cè)試和服役中的不確定性.
當(dāng)前,歐洲標(biāo)準(zhǔn)«鐵路設(shè)備G輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架G從動(dòng)軸設(shè)計(jì)方法»(EN13103—2009)和«鐵路設(shè)備G輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架G驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)方法»(EN13104—2009)采用基于梁理論的解析應(yīng)力解,是一類典型的無(wú)限壽命設(shè)計(jì),適用于低強(qiáng)度鋼EA1N和中強(qiáng)度鋼EA4T.所用力矩有:車體質(zhì)量(全局彎曲)、車輛通過(guò)曲線慣性矩(彎曲+軸向力)以及牽引和制動(dòng)力(扭轉(zhuǎn)力).簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)以靜力計(jì)算的形式確定車軸強(qiáng)度,而對(duì)動(dòng)態(tài)載荷的考慮一般是選擇適當(dāng)?shù)膭?dòng)荷系數(shù),按靜力疊加的方式進(jìn)行設(shè)計(jì);并假定所有載荷是同時(shí)作用在車軸上,動(dòng)荷系數(shù)實(shí)際上反映了運(yùn)行中的極端工況.
另外,當(dāng)車軸有可能在腐蝕性環(huán)境中服役時(shí),需要適當(dāng)降低許用應(yīng)力值或者加大安全系數(shù).例如,歐洲標(biāo)準(zhǔn)«鐵路設(shè)備G輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架G車軸G產(chǎn)品要求»(EN13261—2009)規(guī)定了腐蝕環(huán)境下車軸的設(shè)計(jì)載荷約為標(biāo)準(zhǔn)EN13103—2009和EN13104—2009中最大許用應(yīng)力60%以下.根據(jù)當(dāng)前研究,這一折損系數(shù)顯然還不足以確保安全性.當(dāng)規(guī)范未明確載明時(shí),仍然采用無(wú)缺陷狀態(tài)的許用應(yīng)力值,而對(duì)于可能出現(xiàn)的超標(biāo)缺陷認(rèn)為在服役中出現(xiàn)即被清除,或者已采取了相關(guān)維保措施.
相關(guān)期刊推薦：《交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)》主要刊載道路與鐵道工程、載運(yùn)工具運(yùn)用工程、交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理、交通信息工程與控制等領(lǐng)域高水平的學(xué)術(shù)論文和重大工程實(shí)踐項(xiàng)目;主要讀者對(duì)象為國(guó)內(nèi)外交通運(yùn)輸領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員及大專院校相關(guān)專業(yè)的師生。設(shè)有：道路與鐵道工程、載運(yùn)工具運(yùn)用工程、交通運(yùn)輸規(guī)劃和管理、交通信息工程及控制等欄目。
當(dāng)前,歐洲和中國(guó)推薦使用的車軸材料主要為碳鋼EA1N和合金鋼EA4T[5,32].其他一些高強(qiáng)度鋼如34CrNiMo6的抗拉強(qiáng)度在800~950MPa之間.然而在設(shè)計(jì)實(shí)際車軸中必須注意到一個(gè)問(wèn)題,即要確保降低簧下質(zhì)量(降低軌道損傷幾率)和較低的設(shè)計(jì)應(yīng)力.其中使用高強(qiáng)度鋼并減小空心軸壁厚是一個(gè)折中方案,但該種材料的缺口敏感性和抗裂性是必須要關(guān)注的問(wèn)題.
新干線車軸的安全應(yīng)力或者疲勞極限達(dá)到147MPa,這是由于通過(guò)加工硬化在車軸表面引入了深約10mm的壓縮殘余應(yīng)力區(qū)[32G33].另外,壓裝配合區(qū)和軸身直徑比值以及過(guò)渡區(qū)形狀對(duì)裂紋萌生也有影響,例如當(dāng)壓裝配合區(qū)與軸體直徑近似為1時(shí),壓裝區(qū)主要是微動(dòng)磨損導(dǎo)致的裂紋.由于日本車軸壓裝區(qū)與軸體直徑比小于歐洲車軸(新干線0系列為1.10,500系列為1.11;而TGV為1.154;經(jīng)典ICE為1.16).所以,標(biāo)準(zhǔn)JISE4501—1995中沒(méi)有對(duì)過(guò)渡圓弧或坡口區(qū)域裂紋萌生的評(píng)估,這主要是由于此處的疲勞強(qiáng)度并未顯著惡化,不足以萌生裂紋.
1.2.疲勞損傷累積理論
實(shí)際工程中,大多數(shù)金屬零件在變幅或者隨機(jī)載荷下工作[11G12,34].這種情況下,由不同頻率和幅值的載荷所帶來(lái)的損傷經(jīng)過(guò)不斷積累,最終引起失效破壞.疲勞累積損傷是強(qiáng)度學(xué)科的重要概念.
眾所周知,疲勞是一個(gè)不斷發(fā)展和累積的過(guò)程,是指某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力,且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的過(guò)程,疲勞損傷則是指在隨機(jī)載荷作用下的累積損傷.當(dāng)損傷累積到某臨界值時(shí),就認(rèn)為構(gòu)件發(fā)生失效破壞.實(shí)際應(yīng)用比較廣泛的有以下幾種[11G12].
(1)線性累積損傷準(zhǔn)則:材料損傷在各應(yīng)力作用下相互獨(dú)立,進(jìn)而可根據(jù)各部分損傷線性累加得到總損傷.比較典型的有PalmgramGMiner法則以及修正Miner法則、相對(duì)Miner法則.
(2)雙線性累積損傷準(zhǔn)則:損傷過(guò)程中材料的初、后期分別按照各自線性規(guī)律(疲勞SGN曲線上不同斜率線段),累積到總疲勞損傷.這其中,典型的是Manson雙線性的疲勞累積損傷理論.
(3)非線性累積損傷準(zhǔn)則:該理論認(rèn)為各載荷所引起的損傷與之前的載荷歷程相關(guān),即應(yīng)考慮載荷歷程效應(yīng),這是比較符合結(jié)構(gòu)實(shí)際服役工況的.其中,最具有代表性的CortenGDolan疲勞累積損傷理論、疲勞損傷曲線法.
(4)其他類型的累積損傷理論:這是一類經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、觀察、分析總結(jié)得出的經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式,或稱之為唯象模型,例如Levy理論、Kozin理論等.
然而,實(shí)際工程結(jié)構(gòu)服役中會(huì)承受極端復(fù)雜的疲勞載荷作用,包括低于疲勞極限的載荷和隨機(jī)變化的載荷.此時(shí),應(yīng)該采用損傷累積思想來(lái)代替當(dāng)前的車軸名義應(yīng)力評(píng)估方法.下面以車軸設(shè)計(jì)為例,給出疲勞損傷累積的基本概念及其與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的結(jié)合情況.圖4是車軸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)方法[5],設(shè)計(jì)時(shí)默認(rèn)為恒幅加載模式,且假定所有應(yīng)力幅取極大值,疲勞極限(通常指107循環(huán)周次后)下的未知區(qū)間或其他特性暫由安全裕度來(lái)描述.——論文作者：吳圣川1,任鑫焱1,康國(guó)政1,王平2,馬利軍3,張曉軍4,錢坤才5,滕萬(wàn)秀6
