可靠性方法1——周期载荷
max min m 2 max min a 2 R min max
Q345钢修正的Goodman疲劳曲线
Q345钢的Moore-Kommers-Japer疲劳曲线
可靠性方法2——谱载荷或随机载荷
名义应力(Nomimal stress)是指用简单公式进 行计算得出受载截面的应力（轴向力除以截面 面积、弯矩或扭矩除以相关截面模量）。
缺口应力(Notch stress)
结构应力（Structural stress）是指根据外载荷 用简单（线弹性）力学公式以及类似的近似公 式或有限元(划分有限元网格时只模拟结构整体 尺寸，不反映局部细微尺寸变化，即不划分局 部缺口或裂纹的有限元网格)计算求得的结构中 的工作应力，但不包括裂纹、缺口等引起的强 烈局部应力集中，相当于我国“结构中危险截 面上的应力”这一概念。结构应力一词已为国 外学者普遍采用。引入结构应力概念一方面为 结构应力评定方法（解决了名义应力不反映结 构中细部几何形状变化引起的应力不均匀分布 这一问题）奠定了基础，另一方面也为建立结 构应力、缺口应力和应力强度因子间的定量关 系提供了基础（即以结构应力作为参考应力）。
车辆车体轻量化技术 与客车车体技术
西南交通大学 机械工程学院机车车辆工程系 2011年12月
结构设计要求与原理
要求
功能性 观赏性 安全可靠性
设计、 分析与 制造
原理
在兼顾观赏性、满足功能和安全可靠性 的基础上降低制造成本用力学理论解 释设计结构的可行性
基本概念
何谓轻量化？
在承载结构质量有限的条件下，实现结构 承载最大化，满足结构安全可靠性。
1998年6月4日Eschede
如何实现轻量化？
合理分配承载结构的质量 减低应力集中效应或减轻结构刚度突变 避免结构自振频率与系统频率成整数倍 准确分析结构应力状态 正确合理的方法评估结构的疲劳强度或寿命 合理布置焊缝位置和设计焊接接头
应力计算及其方法
几个应力的概念 名义应力 结构应力（几何应力） 缺口应力
在等幅对称应力循环作用下，构件或结构的S－N 曲线方程为
N N 0
m
m 1
结构细节（特别是焊接结构）
（1）美国AAR货车结构疲劳设计标准给出了80 种钢结构焊接接头的疲劳寿命预测数据。 （2）英国BS7608钢结构疲劳设计与评估标准中， 将焊接母材及接头分成10级，并给出了这10级 焊接接头细节的S-N曲线参数。事实上这10级 接头包括了50多种具体接头形状，其中还包括 了螺栓连接接头。 （3） 国际焊接学会标准（IIW）XIII-153996XV-845-96《焊接接头与部件的疲劳设计》 给出了80种钢结构焊接接头的数据和57种铝合 金焊接接头的S-N曲线数据。IIW疲劳强度设计 规范适用于焊点的屈服极限低于700MPa的碳 钢、碳锰钢和细晶粒钢调质钢材的焊接接头。
[]x——动态正应力作用y下的许用应力；
[]——动态剪应力作用下的许用应力； []-1——构件或结构在对称循环下的许用应力。
在上式中，对于单轴应力状态，即只有一 个应力分量或或时，最大应力满足关系式
max =x(y或) 根据von Mises变形能准则，无缺口母材的 许用剪应力由无缺口母材的许用拉应力[]m确 定，满足关系式 [ ]m [ ]m 3 焊接接头的许用剪应力经过修正由焊接接 头的许用拉应力[]w确定，满足关系式 [ ]w [ ]w
何谓可靠性？
承载结构在规定的使用期限内，结构不发 生疲劳失效。
车体承担的主要载荷
静载荷和动载荷 EN12663-1/2010、 EN12663-2/2010 TB/T2541-2010《机车车体静强度试验规范 》 TB/T1806-2006 《客车车体静强度试验方法 》 纵向载荷——牵引、制动载荷 垂向载荷——结构自重、载重 横向载荷——结构自重、载重、横向振动
（5）根据该点所在焊接接头类型细节及承载方
向，在IIW中选择对应的用于建立S-N曲线的疲 劳级别（FAT）及相关参数; （6）根据损伤比计算公式，计算损伤比累计； （7）根据载荷谱或动应力谱所对应的里程数， 由Minner线性疲劳累计损伤准则求出寿命 （里程）；
应力计算方法
为了计算在随机载荷联合作用下车体的应力分布， 采用线性叠加原理确定车体的随机应力分布，其计算 方法为： 12 x F i xi （1）取各项随机载荷的单位载荷，分别计算 i 1 12 车体在各项单位载荷作用下车体的应力分布； F i yi y i 1 （2）根据线性叠加原理计算车体在各项随机 12 F i zi 载荷联合作用下的随机应力历程，在各项随 z i 1 12 机载荷联合作用下，车体任意点的合成方向 xy F i xyi i 1 应力值满足以下关系式
i i
分析方法
（1）指定具体评定点的位置； （2）如果有动应力实测数据，通过编谱而获得该点 的应力幅值谱，转到第（5）步； （3）如果没有动应力实测数据，有载荷谱，那么创 建有限元模型； （4）根据载荷谱及有限元模型获得该点的应力幅值 谱； （5）根据该点所在焊接接头类型细节及承载方向， 在BS标准中选择对应的用于建立S-N曲线的疲劳级 别（FAT）及相关参数; （6）根据损伤比计算公式，计算损伤比累计； （7）根据载荷谱或动应力谱所对应的里程数，由 Minner线性疲劳累计损伤准则求出寿命（里程）；
载荷循环次数≯5×106次结构的对数S-N曲线斜 率m=3（m——等幅载荷下，Wöhler疲劳曲线指数或 对数坐标下S－N曲线的斜率）；载荷循环次数＞ 5×106次≯1×108次结构的对数S-N曲线斜率m=5； 载荷循环次数＞1×108次时，其不对结构的疲劳造成 损伤。
线性疲劳累积损伤理论的表达方法
y x y [ ] [ ] [ ] [ ] y —x —中，沿y方向的正应力；
——在三维应力空间x —x —中的剪应力， []x——动态正应力作用x下的许用应力；
2
方法2——基于BS7608的疲劳寿命预测 算法原理 （1）计算损伤比 n n Sr m 损伤比 N 10 7 ( S ) （Sr>So） 0
n n S r ( m2 ) 损伤比 N 10 7 ( S ) 0
（Sr≤So）
式中：n为被评估点应力幅Sr发生的次数； So为该评估点所在接头的S-N曲线拐点。 m为S-N曲线斜率。 n i N 1 （2）损伤累计
D ni / N i 1
i 1
l
式中
l——载荷谱级数; ni——第级应力的实际循环次数; Ni——第级应力循环下的失效循环次数。 在工程结构疲劳强度或寿命预测中，对于低于 5×106次恒幅疲劳极限的应力等级可以考虑用原S－N 曲线的斜直线段延长线与水平段成一定夹角的直线代 替S－N曲线的水平段，考虑较小应力对结构产生的损 伤，如图下图所示。现采用国际焊接协会IIW联合工作 组XIII-XV推荐标准XIII-1539-96/XV-845-96《焊接接 头与部件的疲劳设计》给出的方法进行分析。
车体承担载荷的传递路线
实现轻量化的原理
在满足功能性和安全可靠性的基础上，实 现轻量化设计 1.合理分配结构的质量 2.充分发挥材料的机械性能 3.消除和或避免结构的应力集中效应 4.合理的整体结构刚度 5.合理的材料选择
CW-2转向架焊接构架疲劳裂纹
广深200km/h蓝箭动力车转向架齿轮箱与电机连接螺栓疲劳断裂
F i yzi 根据弹性力学理论计算车体在任意时刻 yz i 1 12 的主应力及其方向，确定车体任意节点的随 zx F i zxi i 1 机应力历程。
12
（3）为了便于随机应力雨流计数，对车体每个节 点的随机应力进行压缩处理，去除中间应力点，只保 留随机应力的峰值和谷值点； （4）用雨流计数法对车体的每个节点的随机应力 历程进行计数，且将每个节点的应力循环分为8级，车 体应力计算结束。
（6）DIN15018《起重机钢结构计算方法》将 焊接结构根据应力集中情况分为8种；载荷循 环次数分为4个等级，每级载荷循环等级下的 应力水平分为4级。
方法1——DIN15018法
max [ ]1
x [ ] x
2
式中 x——在三维应力空间x —x —中，沿x方向的正应力；
（4）UIC或EN标准的ORE或ERRI B12 RP17/ 1997《货车标准化》将焊接结构分为母材无缺 口效应区域，相当于疲劳试验结果50％存活率； 对接焊缝或低缺口效应区域，相当于疲劳试验 结果75％存活率；其它类型焊缝或高缺口效应 区域 ，相当于疲劳试验结果95％存活率。母材 区域的安全系数S=1.5，焊缝区域的安全系数 S=1.65。 （5）德国联邦铁路标注DV952/1977《金属材 料焊接规定》将焊接结构的强度等级分为8级 40种接头，给出2中钢材和6种铝材在不同循环 特性下的疲劳许用应力。
S—N曲线的左段，常用下面的表达式：
N C
m
式中的m和C为材料常数。 将上式两边取对数得：
m lg lg N lg C
S-N曲线的左段在双对数坐标上是直线， 1/m为S-N曲线的负斜率。
Palmgren－Miner线性疲劳累积损伤准则
Palmgren－Miner线性累积损伤准则的假设条件 为 （1）在各级应力水平下，对结构造成的损伤随循 环次数的增加而线性增加； （2）各级应力循环的疲劳损伤量相互独立，当总 的应力疲劳损伤累积达到结构的疲劳累积损伤强度时， 结构产生疲劳破坏失效，即有关系式
方法3——IIW XIII-1539-96/XV-845-96标准的 疲劳寿命预测方法
寿命计算公式
C N m
分析方法 （1）指定具体待评点的位置； （2）如果有动应力实测数据，通过编谱而获得该 点的应力幅值谱，转到第（5）步； （3）如果没有动应力实测数据，有载荷谱，那么 创建有限元模型； （4）根据载荷谱及有限元模型获得该点的应力幅 值谱；