强度方法-载荷谱
基于随机载荷谱的构架疲劳强度研究
１ 倒梁； ２ 一横 梁 ； ３ 一辅 助 横 梁 ； ４ 抗 侧 滚扭 杆 座 ； ５ 一横 向挡 座 ６ 轴 箱定 位 转 臂 座 ； ７ 一牵 引 拉 杆 座 ； ８ 盘形 制 动 吊座 ； ９ 一 手 制 动 安 装座 ； ｌ Ｏ ～ 高度 阀安 装 座 ； １ １ 横 向减 振 器 座 ； １ ２ 一 空 气 弹簧 安 装 座 ； １ ３ 一风 管 安 装 座 ； １ ４ 抗 蛇行 减 振 器 座 ； ｌ ５ 一 二 系 垂 向减 振 器 座 ； ｌ ６ 一一 系 垂 向 减 振 器座 。
进 行 比 较 。对 比结 果 表 明 ， 两 种 方 法 得 到 的构 架 疲 劳 危 险 区域 基 本 一 致 ， 而 基 于 随 机 载 荷 谱 的 疲 劳 分 析 方 法 预 测 出构 架 疲 劳 寿命 更保 守 。
关键 词 弹性 构 架 ； 随 机 载 荷 ；疲 劳 强 度 ； 疲 劳 试 验
第 ３ ３卷 第 ２期
２ Ｏ １ ３年 ４月
铁 道 机 车 车 辆
ＲＡＩ Ｌ Ｗ ＡＹ Ｉ ＯＣＯＭ ＯＴＩ ＶＥ ＆ ＣＡＲ
Ｖｏ１ ． ３ ３ Ｎｏ． ２
Ａ Ｄｒ ． ２ ０１ ３
文章 编号 ： １ ０ ０ ８ —７ ８ ４ ２（ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ —０ ０ ２ １ —０ ５
一
段 区域作 为焊 缝 区来 考 虑 ， 根 据文 献 ［ ７ ］ 关 于直 角 角 ≤ｈ ｆ ≤１ ． ２ 。 ， 其 中
焊缝 焊脚 高度 ｈ 的 规定 ， 取 １ ． ５
２ 构 架 疲 劳 强 度 分 析
图 １ 构 架 结构 组成
２ ． １ 基 于随机 载荷 谱 的疲 劳寿命 预测 构 架 的随机 疲劳 寿命 分析 需要 结合 多 体 动力 学 、 有 限元和 疲 劳强 度 等理 论 并通 过 ＭＢ Ｓ与 Ｆ Ｅ Ｍ 联 合 分 析 手 段实 现 ， 其基本 流程 如 图 ３ 所示。
疲劳强度理论分析
1. 名义应立法：计算全寿命，主要用于高周疲劳； 2. 局部应力—应变法：计算裂纹形成寿命； 3. 断裂力学法：计算裂纹扩展寿命。
（四）：疲劳试验 材料试验，实物结构试验，高周疲劳试验，低周疲劳试验，裂纹扩展寿命试验
（五）：常规疲劳强度设计：
），可
4.P-S-N 曲线 不同可靠度下的应力——寿命曲线
（1） S-N曲线中S,N的概率密度函数
大量实验表明：疲劳强度符合正态分布
（同寿命下的应力分布）。疲劳寿命符合对数
正态或威布尔分布（同应力水平下的寿命）
正态分布
——均值，也叫数学期望。
——标准差，数学上叫均方根值。
对数正态分布，将随机变量的对数函数进行分析。威布尔分布（寿命）
随机载荷下疲劳寿命研究实测载荷谱当量成对称循环下的载荷谱ii根据材料的sn曲线实物试验值和实测载荷谱代入计算模型638可计算不同可靠度下的疲劳寿命图612表621表622这里进行了两种构件侧架和摇枕的疲劳寿命计算iii与实际统计数据比较讲实际统计数据进行整理表627采用常规定时截尾试验发最后论证摇枕的实际平均寿命为328年计算值为3537年两值接近说明计算公式可以
疲劳试验在疲劳试验机上进行，有弯曲疲劳试验机和拉—压疲劳 试验机等。
2 疲劳分析的有关参数
应力幅
平均应力 最大应力 最小应力 应力范围
应力比
对称循环， 脉动循环 静应力
3 材料的S—N曲线 根据不同应力水平分组进行疲劳试验，
根据实验数据进行拟合，一般采用最小二乘 法。 曲线为指数曲线，即： 对上式两边去对数 ：
也就是许用应力法： 存在问题：
a. 设计的机械零件特别笨重（为了安全，只有加大整个截面尺寸）； b. 尽管笨重，但仍有疲劳裂纹产生。 原因： a. 疲劳裂纹发生在构件的危险点的局部区域，通过裂纹不断扩展，
路谱载荷谱
路谱载荷谱
路谱载荷谱是指在道路行驶过程中，车辆所承受的随机振动载荷的统计分布。
这种载荷对于车辆的结构和部件会产生一定的影响，因此对于车辆的设计和可靠性评估具有重要意义。
路谱载荷谱是通过采集车辆在各种道路条件下的行驶数据，包括车辆的加速度、速度、位移等信号，并对这些信号进行统计分析和处理，得到的路谱载荷谱可以反映车辆在不同道路条件下的振动特性。
路谱载荷谱的应用范围非常广泛，包括车辆设计、可靠性评估、故障诊断等方面。
在车辆设计方面，路谱载荷谱可以用于评估车辆的结构和部件的强度和刚度，以及预测车辆在不同道路条件下的性能和耐久性。
在可靠性评估方面，路谱载荷谱可以用于评估车辆的各个部件的可靠性，以及预测车辆在不同道路条件下的故障率和维修周期。
在故障诊断方面，路谱载荷谱可以用于识别车辆的故障模式和原因，以及预测车辆在不同道路条件下的故障发展趋势。
路谱载荷谱的采集和处理是一项非常复杂的工作，需要采集大量的数据并进行统计分析。
为了得到准确的路谱载荷谱，需要选择合适的统计方法和工具，并对数据进行清洗和处理，以去除异常值和噪声。
同时，还需要对路谱载荷谱进行验证和校准，以确保其准确性和可靠性。
总之，路谱载荷谱是车辆设计和可靠性评估的重要工具之一，可以用于评估车辆的结构和部件的性能和耐久性，以及预测车辆在不同道路条件下的性能和故障率。
为了得到准确的路谱载荷谱，需要采集大量的数据并进行统计分析，同时还需要对路谱载荷谱进行验证和校准。
载荷谱试验
载荷谱试验
载荷谱试验是一种测试和评估结构物或设备的强度和稳定性的方法。
在测试中，将所需载荷施加到被测试的结构或设备上，以检测其对这些载荷的反应。
这些载荷可以是静态的、动态的或随机的。
测试的目的是确定结构或设备的强度、刚度、稳定性以及耐久性。
载荷谱试验可以用于各种结构，包括建筑物、桥梁、飞机、汽车和船舶等。
它可以帮助设计人员评估结构或设备的安全性，并确定是否需要加强或更改设计。
同时，它还可以用于评估已经使用的结构或设备的寿命和健康状态，以便进行维修或更换。
载荷谱试验是结构工程中重要的测试方法之一，它可以提高结构或设备的可靠性和安全性。
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起重机传动零件疲劳计算基准载荷及载荷谱系数(0709)
起重机传动零件疲劳计算基准载荷及载荷谱系数*朱大林 郑小玲 方子帆摘要 本文讨论起重机传动零件疲劳计算方法问题。
讨论了区分机构和零件的载荷谱系数的必要性，指出应以零件的载荷谱作为零件疲劳计算的依据。
从实用的角度，提出以弹性振动最大载荷作为疲劳计算基准载荷并给出了相应的载荷谱系数定义。
本文还对零件的应力循环次数计算问题进行了分析。
关键词 起重机 机构 零件 疲劳计算 基准载荷 载荷谱系数１ 引言起重机传动机构零部件的疲劳寿命计算是起重机设计的重要内容，起重机设计规范(GB3811-83)[1]（以下简称规范）对此给出了一些原则规定。
起重机传动件的疲劳计算方法原则上与一般机械零件相同，但由于起重机的工作特点，决定了其零件的疲劳计算具有以下两个特点：1) 零件承受的载荷是变幅交变载荷，并具有随机变化的特性，从而使起重机零件的疲劳计算必须引入应力谱或载荷谱的概念，采用变幅疲劳的计算方法。
零件疲劳计算的依据是零件的载荷谱，而规范给出的是机构的载荷谱，对零件的载荷谱问题并未叙及。
2) 零件的应力循环次数通常小于材料的基本循环次数N 0，属于有限寿命疲劳计算。
这就要求正确计算零件的应力循环次数，对此，规范的规定也不尽完善。
本文将就以上问题进行讨论，并提出笔者的建议。
２ 起重机传动零件疲劳计算与载荷谱规范采用名义应力法和疲劳损伤的线性累积理论，规定了起重机传动零件的疲劳计算方法，推荐的计算公式为：eq rk n σσ≤/Ⅰ (1)式中，σeq —考虑变幅应力和有限寿命的零件等效应力;σrk —考虑循环特性和应力集中后的零件无限寿命疲劳强度限；n Ⅰ—疲劳计算安全系数。
规范规定，零件的等效应力σeq 根据零件承受的等效载荷计算，对传动零件，等效载荷计算公式为：T eq ＝k n k m T Ⅰmax (2)式中，T Ⅰmax —机构启动时零件的静力矩与刚体惯性力矩之和；k m —载荷系数，m m m k K =,K m 为载荷谱系数；k n —有限寿命系数，n m k N N =/0，(N<N 0)；N 0—材料的基本应力循环次数；N —机构零件的工作应力循环次数；当k n k m 〉1时，取k n k m ＝1 。
载荷谱数据处理方法
载荷谱数据处理方法载荷谱是指一段时间内物体所承受的力、压力、振动或其他形式的载荷的统计特性。
在工程领域中，载荷谱数据处理是一项重要的任务，它有助于评估和预测材料的耐久性、结构的可靠性以及设备的寿命。
本文将介绍一些常见的载荷谱数据处理方法。
首先，载荷谱数据的收集是处理的第一步。
可以通过传感器或仪器来采集实际工况中的载荷数据。
采集到的数据可以是时间域数据，即载荷随时间变化的曲线；也可以是频域数据，即载荷在不同频率上的分布。
在处理时间域数据时，最常用的方法是统计分析。
主要包括平均值、方差、标准差、峰值等统计量的计算。
通过对载荷谱数据进行统计分析，可以获得载荷的统计特性，例如均值和标准差可以反映载荷的平均水平和波动程度。
另一个重要的处理方法是周期性分析。
周期性分析主要通过傅里叶变换将时间域数据转换为频域数据。
频域数据可以提供载荷在不同频率上的成分和能量分布情况。
常用的周期性分析方法包括傅里叶变换、功率谱密度函数和自相关函数等。
对于频域数据，常用的处理方法有滤波和降阶。
由于实际工况中的载荷往往包含大量的噪声和杂波，因此需要对频域数据进行滤波处理，以提取感兴趣的载荷成分。
常用的滤波方法包括高通滤波、低通滤波和带通滤波等。
另一个常见的处理方法是降阶。
降阶是指通过分析载荷谱数据，将其表示为少量的载荷模态或载荷历程。
通过降阶处理，可以减少数据的维度，简化数据分析的计算量，并提取载荷谱中的主要特征。
此外，还可以将载荷谱数据进行模式识别和分类。
模式识别是指通过对载荷谱数据进行特征提取和分类，将不同类型的载荷进行识别和区分。
常用的模式识别方法包括主成分分析、聚类分析和支持向量机等。
最后，载荷谱数据的可视化也是一种常用的处理方法。
通过将载荷谱数据绘制成图表，可以直观地展示载荷的变化规律和分布特征。
常用的可视化方法包括时间域波形图、频域功率谱图、雨流计数图等。
综上所述，载荷谱数据处理是评估和预测材料、结构和设备性能的关键环节。
汽车载荷谱采集与处理
2016-4-25
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1.2 汽车载荷谱采集的内容
p 用户道路载荷谱采集——高速公路
2016-4-25
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1.2 汽车载荷谱采集的内容
p 用户道路载荷谱采集——城市道路
2016-4-25
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1.2 汽车载荷谱采集的内容
p 用户道路载荷谱采集——山路
2016-4-25
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1.2 汽车载荷谱采集的内容
Load spectrum in the field (customer)
使用载荷 ?
设计强度
Structural strength ?
2016-4-25
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1.2 汽车载荷谱采集的内容
p 用户道路载荷谱采集——用户使用条件调研
调研区域的选择
Ø 典型用户地区（市场分布原则）：大多数用户使用区域，通常为销量较多、用户密 集的地区； Ø 特殊用户地区（特殊使用条件原则）：运营车使用区域、极端路面条件区域、极端 环境条件区域。
目标用户 使用情况
市场调研
用户道路
用户道路 数据采集
试验场
信
数据采集
息
试验场
谱分析 雨流计数
90%用户 使用目标
用户道路 损伤强度
关联分析
优化、制定 试车方案
p 工作目标：建立考核强 度适中的试验规范
谱分析
雨流计数
分
析
试验损伤强度
Load s试pe验ctr载um荷of durability test cycle
2016-4-25
7
1.1 汽车载荷谱采集的目的
p 为载荷谱分解和结构耐久CAE分析提供必要的输入载荷数据。
减振器载荷
载荷谱
载荷谱载荷谱是整机结构或零部件所承受的典型载荷时间历程，经数理统计处理后所得到的表示载荷大小与出现频次之间关系的图形、表格、矩阵和其他概率特征值的统称。
机械结构部件多是在交变载荷作用下服役，因为载荷的变化，结构材料内部的应力应变也在发生变化，从而导致裂纹的产生、扩张，发生断裂，这个过程就是疲劳失效，大多数机械部件的失效都是疲劳失效。
载荷谱的研究对疲劳失效有很大作用。
载荷谱是进行可靠性设计的依据，是零部件结构定寿、延寿和动力学仿真、有限元分析等计算机辅助设计的先决条件，也是作为结构疲劳试验、强化试验、加速寿命试验和可靠性试验的基础。
一般机械产品，其载荷谱的编制流程如下：(1) 载荷样本数据的获取载荷数据一般通过产品现场工作时实测的途径来获取。
(2) 平稳性检验通过实测方法获得的载荷数据往往是一种随机过程，而在随机过程分析中，一组数据是否为平稳和历态的，对其进行统计处理所采用的方法是不相同的，因此需对试验获得的载荷数据进行平稳性分析。
(3) 无效幅值的去除测试获得的载荷数据中有许多载荷值小的循环，将不能构成疲劳损伤的小量载荷循环去除即为无效幅值的去除。
通过对无效幅值进行压缩和去除可以缩短试验时间，同时降低试验费用。
(4)载荷循环的统计计数将载荷-时间历程转化为系列载荷循环的过程叫做“计数法”。
在进行疲劳寿命分析时，常常以载荷-时间历程的损伤量为依据，对统计计数结果进行加速编辑。
(5) 总体分布的估计通过雨流计数法对随机载荷进行计数得到的是载荷均值和载荷幅值，之后进行统计处理得到二元（均值和幅值）随机变量的联合分布矩阵，采用二维（幅值和均值）函数进行分布参数的估计。
分布函数获得后，利用假设检验对幅值和均值分布函数进行检验，最后分析二者的相关性，确定最优分布模型。
不同的机械产品，其载荷谱的采集及编制方法均有所不同。
在对汽车零部件疲劳失效研究中，通常采集关键部位（如稳定连接杆、横拉杆等）的应变载荷和加速度信号作为载荷数据。
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载荷谱强度方法库
数据采集方法1、路面（工况）预选
2、分段采集：控制每个样本长度（汽车：至少2km；拖拉机：至少100m；）
3、数据处理：至少15个样本平均
4、数据采样分析频率:汽车：≮300Hz，拖拉机：≮160Hz
载荷谱的生成方法原始载荷谱
1、一维幅值谱：峰值计数法、雨流计数法统计
2、二维载荷谱：双参数雨流计数法统计
3、极值载荷取其出现概率为10^(-6)
当量载荷谱等幅谱：将幅值谱向损伤最大一级转换，转换时采用Goodman等损伤公式加载谱
1、采用载荷强化
2、采用小载荷删除和时间压缩
3、采用等损伤同分布转换
4、采用频率提高
5、采用载荷编辑
6、载荷级保留至少五级
加速系数确定方法1、理论加速系数：由试验载荷谱推定
2、实际加速系数：由试验寿命与使用寿命比较推定
寿命评价方法1、从等幅试验评价：相当于S-N曲线
2、从变幅程序试验评价：依据加速系数考虑室内外当量关系
3、从随机试验评价：依据使用寿命比对试验寿命
强度评价方法1、静强度评价（静强度试验）
2、疲劳强度评价：按相关标准试验判定是否达到要求
3、强度合理性评价：按标准试验后的剩余强度
低载强化的特性确定方法依据小载荷锻炼后的过载寿命与S-N曲线寿命对比确定低载强化的特性参数
通过性指拖拉机在各种田间和道路情况下的通行能力﹐如在松软﹑潮湿地面﹐山地﹑坡道和作物行间的通行能力﹐以及在田间转移和越障的能力等。
拖拉机在田间作业时﹐除通行能力外﹐还要考虑它对土壤的破坏程度﹐即拖拉机行走装置对水田犁底层的破坏程度和对旱田土壤的压实程度。
操纵性指拖拉机在驾驶员操纵下﹐按期望的路线行驶的性能﹐包括行驶直线性和最小转弯半径等。
劳动保护性能和工作条件指保护驾驶员身体不受损害的性能以及操作方便和舒适的程度。
包括对驾驶员的安全防护﹐驾驶室的防尘﹐隔声和温度控制﹐座位的减振﹑舒适程度和对不同人体体形的适应性﹐驾驶员的视野﹐各种操纵机构的合理布置和操纵力﹐工作监视装置的完善程度等。
发展趋势现代拖拉机已成为具有各种现代化设施可以牵引和驱动各种复杂农业机具的
自走式动力站﹐其发展动向表现在﹕平均功率不断增大﹐大型拖拉机在数量上占的比重明显上升。
1984年美国拖拉机销售量中﹐75千瓦以上的拖拉机占总台数的24％。
小型拖拉机(包括手扶拖拉机和小型四轮拖拉机)在经济发达国家中﹐主要用于家庭园艺和公用事业﹔在农业机械化尚处初级阶段的发展中国家﹐则因农业经营规模较小﹐仍然是一种重要动力。
在农用拖拉机中﹐轮式拖拉机占绝对优势。
履带拖拉机在许多国家的农业生产中已基本不使用﹔在苏联﹑意大利和中国的使用比重也在下降。
60年代以后﹐随着拖拉机功率的不断增大﹐四轮驱动拖拉机有很大发展。
液压转向的应用解决了原来四轮驱动拖拉机转向困难的问题﹐铰接式转向大大减小了转弯半径﹐促使四轮驱动拖拉机在75千瓦以上的拖拉机中占有很大比例。
为了提高在水田中的牵引特性﹐日本发展了中﹑小功率的四轮驱动拖拉机。
但制造成本高是其制约因素。
人机工程学﹑安全防护和改进操纵﹑监视条件的研究将日益受到重视。
现代化的密封驾驶室还带有各种形像化﹑标准化的工作监视装置和报警系统。
液压技术在拖拉机上的应用日益广泛﹐并已开始出现电子-液压系统。
新型拖拉机上的液压不仅用于农具的升降﹑控制和离合器﹑变速箱﹑差速器﹑制动器﹑转向机构等主要部件的操纵﹐甚至如坐位的调整﹑驾驶室窗的开关等也都采用液压装置。
利用载荷谱作为应力分析﹑仿真试验和有限元计算的基本数据﹐大大提高了拖拉机产品的研制水平﹐缩短了研制周期。
零部件的可靠性﹑耐久性也有了显著提高。
拖拉机零部件的标准化﹑系列化和通用化﹐有利于充分利用工厂生产能力﹐降低产品成本﹐并便于维修和配件供应。