本文通過(guò)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞分析的一般方法，結(jié)合目前工程技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的CAE技術(shù)，以機(jī)車構(gòu)架為載體進(jìn)行結(jié)構(gòu)的疲勞分析，并對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。通過(guò)分析，縮短了設(shè)計(jì)周期，減少了實(shí)驗(yàn)的次數(shù)及成本，提高了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠性。

　　疲勞是結(jié)構(gòu)在一定載荷水平范圍內(nèi)（小于極限靜載荷），承受重復(fù)性載荷而產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。疲勞過(guò)程就是由于載荷的重復(fù)作用導(dǎo)致零件材料內(nèi)部的損傷累積過(guò)程，其發(fā)生破壞的最大應(yīng)力水平低于極限靜強(qiáng)度，且往往低于材料的屈服極限。因此，對(duì)于承受著交變載荷或?qū)ΨQ疲勞載荷的多數(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)而言，機(jī)械靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)并不能真實(shí)反映他們的實(shí)際載荷情況。以鐵路機(jī)車的關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)向架為例，根據(jù)有關(guān)資料顯示，自列車提速以來(lái)，疲勞破壞的直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)數(shù)千萬(wàn)元以上。許多機(jī)械和零部件承受隨機(jī)載荷、波動(dòng)載荷或交變載荷，使機(jī)構(gòu)和零部件產(chǎn)生交變應(yīng)力，最終導(dǎo)致零件的疲勞破壞，引起機(jī)械零部件的斷裂失效，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由此可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)的疲勞分析是目前一項(xiàng)急待解決的重要課題。

一、疲勞分析概論

　　金屬的單一機(jī)械特性與金屬的疲勞特性不同，金屬的單一機(jī)械特性通常用金屬試樣軸向拉伸試驗(yàn)中得到的強(qiáng)度極限σ b和延伸率δ來(lái)表征。而金屬的疲勞特性通常用金屬試樣在循環(huán)加載下得到的疲勞極限S e或S-N曲線來(lái)表征。這兩者雖然在名義上很相似，但實(shí)質(zhì)卻有很大的差別。

1.靜態(tài)“應(yīng)力—應(yīng)變”特性

　　金屬的單一特性分成兩類：工程特性和真實(shí)特性。工程特性是指用試樣的原始橫截面積和長(zhǎng)度計(jì)算的那些特性。真實(shí)的“應(yīng)力—應(yīng)變”特性是根據(jù)軸向加載過(guò)程中試樣瞬時(shí)面積和瞬時(shí)長(zhǎng)度計(jì)算的那些特性。

　　確定“應(yīng)力—應(yīng)變”曲線上的一些特定點(diǎn)，這些點(diǎn)是彈性模量(E)，它是線彈性應(yīng)變的斜率，也稱為楊氏模量，其值為E =S/e =(P/A0)·(△l/l )。

2.光滑試樣的疲勞特性

　　材料的抗疲勞破壞性能，在疲勞試驗(yàn)上有兩種類型：一是應(yīng)力疲勞，即控制應(yīng)力幅值Sa為常值的疲勞試驗(yàn)，也就是常說(shuō)的控制應(yīng)力疲勞試驗(yàn)；二是應(yīng)變疲勞，即控制應(yīng)變幅值ε a為常值的疲勞試驗(yàn)。兩種疲勞試驗(yàn)表征疲勞特性的參數(shù)也有所不同。

　　通過(guò)控制應(yīng)力的疲勞試驗(yàn)，可以得到S-N曲線。疲勞強(qiáng)度系數(shù)σ’f和疲勞強(qiáng)度指數(shù)b是表征疲勞特性的兩個(gè)參數(shù)，即確定了S-N曲線的形狀，如圖1所示。

圖1 彈性真應(yīng)力與壽命關(guān)系曲線　　圖2 平均應(yīng)力修正

　　其中，疲勞強(qiáng)度系數(shù)是指一次循環(huán)中引起破壞所需的真實(shí)應(yīng)力。在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力疲勞與應(yīng)變疲勞實(shí)質(zhì)上是統(tǒng)一的，可以把應(yīng)力振幅轉(zhuǎn)換為應(yīng)變振幅，反之亦然。

　　有了材料在對(duì)稱循環(huán)下的S-N曲線后，可以通過(guò)平均應(yīng)力修正的方法來(lái)考慮平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響，如圖2所示。對(duì)同一材料的試樣在不同平均應(yīng)力和應(yīng)力幅r時(shí)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，找出試樣能夠達(dá)到無(wú)限壽命時(shí)的Sa,-S m組合，在圖2中標(biāo)出。試驗(yàn)結(jié)果表明，大部分點(diǎn)落在圖2中直線和雙曲線之間。

三、結(jié)論

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及有限元理論的發(fā)展，CAE技術(shù)將在工程技術(shù)領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。CAE技術(shù)的普及，不僅大大提高產(chǎn)品的研發(fā)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，由于它對(duì)產(chǎn)品的疲勞及壽命的分析計(jì)算水平也有了成熟的理論及方法，因而對(duì)產(chǎn)品的安全使用及運(yùn)營(yíng)提供了更好的保障。