轨道车辆结构疲劳概述讲义.docx
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轨道车辆结构疲劳概述讲义
轨道车辆结构疲劳概述
一、问题导入
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！
引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，哪位同学帮他想办法扯断逃脱？
A同学：
（使劲拽）
B同学：
（反复折）
B同学反复折，很轻松地就折断了！
请同学们考虑一下，为什么A同学使劲拽没断，B同学轻轻地反复折就折断了？
这其中蕴含的科学问题，就是我们今天要讲的疲劳。
二、疲劳概述
1.预备知识
在讲什么是疲劳之前，先回顾一下几个概念。
1）载荷（Load）
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。
2）应变、应力（Strain,stress）
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
（名义应变，或称工程应变）
（真实应变）
角应变
构件发生形变时内部某一截面m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ΔF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（Staticload）与动载荷（DynamicloadorFatigueload）。
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（也称交变载荷）。
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，为该承载系统是否安全？
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。
具体到加载速率则是由材料、结构形状以及载荷类型等因素决定。
注：
本例中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（Fatigue）。
之所以用“讨论”，是因为关于疲劳国内外学术界至今还没有统一的定义。
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：
国际标准化组织（金属疲劳试验的一般原理，1964）
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（ASTME206-72,1972）
Theprocessofprogressivelocalizedpermanentstructuralchangeoccurringinamaterialsubjectedtoconditionswhichproducefluctuatingstressesandstrainsatsomepointorpointsandwhichmayculminateincrackorcompletefractureafterasufficientnumberoffluctuations.
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（1919—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。
（徐灏，教授，博士生导师，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，教授级高工，机械工业部郑州机械研究所）
（高镇同院士对于疲劳的定义，暂时没有找到，待添）
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—《高强度钢超高周疲劳性能非金属夹杂物的影响》，2010
材料疲劳是指材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。
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
（李守新，研究员，博士生导师，材料疲劳与断裂国家重点实验室主任）
尚德广（1963—）—《多轴疲劳强度》，2007
疲劳是指材料或零件在循环作用下，经过一段时间发生突然脆性断裂的现象。
（尚德广，北京工业大学教授，博士生导师，我国第一部多轴疲劳方面的专著）
维基百科（英文）—2013
In materialsscience, fatigue istheprogressiveandlocalizedstructuraldamagethatoccurswhenamaterialissubjectedtocyclicloading.Thenominalmaximum stress valuesarelessthanthe ultimatetensilestresslimit,andmaybebelowthe yieldstresslimit ofthematerial.
在材料学领域，疲劳是指在循环载荷下，最大名义应力小于断裂极限、甚至比屈服极限还要低的情况下，材料发生的局部、永久性结构损伤。
看了那么多定义，有说“现象是疲劳”的，也有说“过程是疲劳”的，有同学可能疑惑了：
到底什么是疲劳？
再回答这个问题之前，让我们再次回到，开始的“折铁丝”的案例。
我们说一个定义要抓住事物的“最本质特征”。
对比一下A、B同学的折铁丝的方法，最本质的区别有2点：
1）反复折，2）容易折断，也即抵抗破坏的能力—强度降低了。
因此，我们就可以给疲劳下一个自己的定义
赵怀瑞（1977—）—《车辆结构疲劳》讲座，2013
在交变应力或应变作用下构件抵抗破坏能力下降的现象，称为疲劳;相应的,由疲劳现象导致结构的最终破坏（或失效）称之为疲劳破坏（失效）。
关于我们的定义，请同学们思考：
1）在对疲劳的定义中，为什么不用交变载荷？
2）“抵抗能力下降”与以往定义中的“结构变化”、“损伤”之间的关系？
3）本定义对疲劳破坏的“过程性”是怎么体现的？
3.疲劳特征
好了，通过上述对疲劳定义的分析，我们反过来再总结一下疲劳有哪些特征。
1）交变应力、应变（载荷）
Q1：
载荷与应力、应变的关系，或者说静载荷是否就一定产生静应力、应变？
A1：
不一定，除了载荷外还要看受力方位（？
）是否变化。
以匀速运行中的火车轮对为例，其所受的力F与扭矩
是不变的（图8a）），然而由于轮对是旋转滚动的，就造成了车轴表面上的一点在上方时受拉应力，而转到下方时则受压应力，其实际的应力时间历程如图8b）所示。
a）轮对受力
b）车轮腹板某点应力
图8轮对受力示意图
Q2：
是不是有交变载荷就一定会产生疲劳？
或者说，疲劳发生时，交变载荷是否有一个区间范围？
A2：
是的，构件所受的交变载荷在一定的区间范围内才发生疲劳。
交变载荷的上限，这个不难理解，当载荷达到一定值，比方说断裂极限，构件就瞬间就断了，为静态断裂，不是疲劳对吧？
我们主要分析一下下限。
早期对构件应力与寿命的试验研究发现，当载荷小到一定的值V，经历无限次循环后构件也不会发生破坏，把V的最大值称为构件的疲劳极限（图9a））。
在近几年的超高周疲劳研究中，疲劳极限有些弱化，甚至有些研究结果中就没有出现疲劳极限（图9b））。
a）低周疲劳的S-N曲线
b）超高周疲劳的S-N曲线
图9典型材料的S-N曲线
但是，我们要明确这个极限确是存在的。
比方说，对于刚开始折铁丝的例子，我采取吹的办法，从这边吹一下，再从这边吹一下，是不是交变载荷？
是！
但是能吹断不？
永远不能！
至于下限的具体值，和构件的材料、形状以及载荷类型等因素有关。
通常情况下，金属的疲劳脆性破坏通常产生于最大弹性载荷极限1/2～1/4的情况下；少数情况下，材料在受到小于1/8的弹性载荷极限的情况也可能发生疲劳破坏。
引Q:
交变载荷不一定产生疲劳，如何判断一个构件是否疲劳破坏？
在回答上述问题之前，先看一张图片（图10）。
从图10中，可以看出一圈圈的同心圆环，植物学上称为年轮。
它是树木在成长的过程中，随着季节、气候、降雨量等因素变化（交变载荷），而留下的时间痕迹。
这些痕迹里边包含了大量的气候、天文、医学和环境等方面的历史信息，甚至在历史考古、林业研究、地质和公安破案等方面，年轮也起着重要的作用。
对于承受交变载荷的构件，是否也会留下一些时间上的痕迹呢？
答案是肯定的。
同树的年轮一样，我们也可以通过对断口“痕迹”的分析，获得构件载荷、裂纹萌生及裂纹扩展等信息，根据这些信息就可以进一步判断结构是否发生了疲劳破坏。
图10树的年轮
2）断口特征
至于疲劳断口“痕迹”的具体特征，这节课暂时不讲，等大家课后做完折铁丝的试验后再做讨论。
3）过程性、局部性、
所谓的过程性，是指疲劳断裂不同于静强度的瞬间断裂，而是经历了裂纹萌生、扩展与瞬间断裂的过程。
静载下的破坏，取决于结构整体；疲劳破坏则由应力或应变较高的局部开始（也即局部性），形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。
构件应力集中处，常常是疲劳裂纹的起源。
因此，设计产品时要注意细节设计，尽可能减小应力集中。
4）低应力、突发性
疲劳断裂时，整体载荷水平较低，没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏。
Q:
有文献讲“疲劳发生在应力小于断裂极限、甚至比屈服极限还要低的情况下”，怎么理解？
A:
在概念回顾的时候讲过，描述一点的应力有两种方式，其中之一是采取局部或整体平均的名义应力法，它反映的是区域或整体的平均受载情况，并非某点的真实应力状态。
我们知道疲劳裂纹扩展时，裂纹前端的（真实）应力一定超过断裂极限后才会导致裂纹的继续扩展，所以您说文献中的“应力”是一个平均应力的概念。
引Q：
大家猜一猜，最为一个产品设计者或用户，最关心的是疲劳的哪个特征？
A:
低应力、突发性
是的！
也正是疲劳的这个“低应力、突发性”的特性导致了大量的结构断裂事故，有些甚至是灾难。
先看一下几乎所有的疲劳课都要讲的两个灾难性事故
4.疲劳危害
1）美国航天飞机的爆炸事故
美国是世界航空航天技术大国，也是绝对霸权国。
截止目前，共建有5架航天飞机，起落100多次，而这中就发生了两起爆炸解体事故。
第一次发生在1986年，挑战者号航天飞机升空仅76秒就发生爆炸。
第二次是2003年，哥伦比亚号在落地过程中发生爆炸解体。
图11哥伦比亚号事故
事故调查表明，两起爆炸事故的原因都是结构的疲劳！
一家航天飞机的造价超过20亿美元，更重要的是人的生命与一个国家颜面用钱是难以衡量的！
现在转向我们所从事的轨道车辆领域。
2）ICE高速列车脱轨事故
我们先看一个视频。
这个视频讲述的是发生在1998年6月3日慕尼黑开往汉保的ICE高速列车脱轨事故。
事故中，第三节脱轨后与桥墩猛烈冲撞，使桥梁跨线桥部分坍塌坠落；第4-5节拖车被坍塌的桥梁砸毁，后部第6-12节拖车以最大的惯性冲撞挤压在一起。
图12为事后的救援图片，非常惨烈。
图12ICE高速列车事故现场
这次事故造成101人死亡，88人重伤，直接经济损失2亿马克，约合人民币8.2亿。
事后的调查报告表明，第一节拖车3轮对的疲劳断裂是罪魁祸首！
除了上述ICE脱轨事故外，国内外还有很多，在此不再赘述。
通过以上的事故案例，可以看出疲劳严重影响了结构的运行安全，疲劳断裂也给国民经济的发展带来巨大的影响。
1982年美国商业部国家标准局受众议院委托对调查断裂疲劳对国民经济的影响，发现断裂使美国每年损失1190亿美元，占当年国民生产总值的4%。
对如何降低疲劳损失，该报告也从政府层面给出如下建议措施：
1）向设计、制造人员普及疲劳及断裂的基本知识，采取抗疲劳设计方法、注重细节等，可以减少损失29%（约345亿/年），这也是我们开设这门课的原因之一。
2）充分利用现有的疲劳研究成果，可再减少损失24%（约345亿/年）
剩余的47%，有待于基础理论与方法，如疲劳产生机理、抗疲劳设计方法、关键部位裂纹在线检测与实时预警等方面研究上的突破。
自1829年德国工程师Albert提出第一份关于链条疲劳问题的研究报告以来，在近2个世纪里众多研究人员和学者在疲劳领域做了大量的研究工作，为结构安全和疲劳学科的发展做出了卓越的贡献。
然而时至今天，我们对疲劳裂纹产生、扩展仍然不能很好地描述，抗疲劳设计方法也远没有达到成熟、实用的程度，关键部件疲劳裂纹在线检测与实时预警方面也没有引起学者们的注意，希望各位在今后的学习工作中能关注疲劳问题。
三、课后思考题
以上就是我们这节课要讲的内容。
现在给大家布置一下课后思考题
折断铁丝：
1）折的过程中用放大镜观察折弯处表面的变化，在确保安全的情况下摸摸折弯处能否感觉到热？
2）尝试用大、小不同的力折，并记录折断所用的次数。
3）借助放大镜，观察铁丝断口。
在观察上述现象的同时，思考以下问题：
1）疲劳怎么产生的，机理是什么？
2）产品设计过程中如何避免疲劳发生？
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