基于動應力測試的疲勞強度分析軟件設計及應用

摘 要：針對機車車輛線路動應力試驗，基于疲勞強度評定和疲勞壽命預測理論，開發出了一套試驗數據處理軟件。運用雨流計數法的循環計數算法，滿足了線路動應力實驗對海量數據進行計數的需求；介紹了軟件的基本結構和數據處理流程。軟件已在多次線路動應力實驗數據處理中得到應用，計算結果可靠。

關鍵詞：動應力實驗；疲勞強度；雨流計數法

1 引言

隨著列車營運速度的不斷提高，在營運過程中，機車車輛關鍵零部件的疲勞問題時有發生，個別部位或結構的疲勞問題還相當突出，嚴重威脅行車安全。

疲勞破壞是指材料在低于拉伸強度極限的交變應力（或應變）的反復作用下、發生裂紋萌生和擴展并導致突然斷裂的失效方式[1]。為了防止這種破壞的發生，必須對機車車輛進行定期的疲勞強度評定和疲勞壽命預測。

目前，對車輛在實際運營環境下的關鍵位置進行線路動應力試驗是車輛疲勞強度評定和疲勞壽命預測的有效手段。但線路動應力實驗所采集的數據量巨大，如何快速有效的對所得數據進行可靠分析，才是實驗需要解決的關鍵問題。因此，開發出一套適合試驗需要的試驗數據處理軟件是一項具有實際意義的工作。

2 動應力實驗

動應力測試是工程機械中常用的測試手段，主要用于分析構件的強度問題。目前，國內外一般采用電阻應變測量法進行應力測試，通過粘貼應變片測得該點的應變值，然后經過一定的計算方法得出該點的應力值。

實驗采用DDS32數字式動態信號采集系統對各個測點的應變信號進行全程采集。該系統是國內廣泛應用的DDS數據采集儀器，主要用于動態應變信號測量，通過高速USB2.0接口與電腦有機集成為一體，完美實現了精密μV級信號調理，高速、高精度數據采集，具有超小型化﹑數字化﹑網絡化﹑軟件化的特點，同時具有很高的可靠性。將電阻應變計粘貼在被測構件上，當構件變形時，電阻應變計的電阻值將發生相應的變化，利用電阻應變儀將此電阻的變化測定出來，再換算成應變值，由數據采集系統記錄下來，進行強度理論計算[2]。

實驗采用的應變片分為單向和三向兩種，量程都為10000 ，精度等級都為0.1%。

3 軟件設計

軟件采用Delphi和Matlab混合編程，Delphi是可視化開發工具，擁有快速的編譯器和豐富的組件集以及強大的代碼自動生成功能和豐富的數據庫管理工具，使用它的集成開發環境可以快速建立應用程序；Matlab具有相當強大的數值計算、數據處理、系統分析、圖形顯示等功能。綜合兩種語言的特點采用混合編程，可以充分發揮各自的優點，使軟件設計更簡潔優化。

本軟件主要分為數據預處理和動應力實驗數據處理兩部分。基于數據采集儀器的特點，原始數據常常需要經過分割、連接等才能進行強度計算分析，所以，數據預處理部分包含了數據分割、數據連接，以及常規的測試信號處理手段，包括零漂處理，異常點處理、去均值、數據修正、原始數據查看以及濾波等功能。動應力實驗數據處理模塊主要集成了兩個主要的算法，循環計數和強度計算，既可以按步驟分步進行，也可以按流程化批處理。

軟件總體設計如圖1所示：

4 主要算法實現

疲勞強度分析軟件的主要算法包括最大主應力計算和循環計數兩部分。

4.1 應力計算

⑴單向應變片測點應力計算公式：

⑵二向應變片測點主應力計算公式：

（3）三向應變片測點主應力及其方向角計算公式：

4.2 循環計數

循環計數法的具體方法很多，除了雨流法外，還有峰值計數法、穿級計數法、變程計數法，程峰計數法及程對計數法等[3]。由于雨流法將應力歷程的所有循環全部記錄壞來，與材料應力一應變遲滯回線完全吻合，有可靠的力學基礎，應用最廣泛。雨流計數法又可稱為“塔頂法”，是由英國的Matsuiski和Endo兩位工程師提出的，距今已有50多年。雨流計數法主要用于工程界，特別在疲勞壽命計算中運用非常廣泛。

ASTM E1049-85給出了雨流計數的標準算法，首先對采集的數據進行峰谷值提取，并對數據列進行重新排序，再按以下流程進行循環計數[4]：

⑴讀取峰值或谷值，如果數據文件結束則停止。

⑵如果少于三個點，則轉到⑴，使用最近的三個點計算X和Y。

⑶比較X和Y的絕對值。如果X

⑷將Y作為一個計數循環，丟掉組成Y的峰、谷值，轉到⑵。

5 軟件應用及示例分析

試驗數據來源于對某地鐵車輛轉向架進行的在線動應力測試結果。實驗儀器采用北京世紀興元科技發展有限責任公司生產的DDS數據采集儀器。試驗是在列車正常運行狀態下，實測SF2100型轉向架相關部位的動應力，實驗數據為在線跟蹤采集，所有測點的數據都集合在一個文件。

數據處理的具體步驟如下：

⑴數據分割，將原始數據文件按通道分割（32通道），得到單通道數據文件，一個通道對應一個測點，后綴名為dat.。

⑵數據連接，將⑴分割后得到的單通道數據按相同通道號連接成一個數據文件，即得到一個測點的所有應力-時間歷程數據。

⑶動應力測試數據分析，包括最大主應力、最小主應力、均值、幅值、一維應力譜、二維應力譜。

⑷利用⑶處理得到的最大主應力、最小主應力、均值結果對對應測點進行GoodMan疲勞極限線圖繪制，如圖2所示。

⑸利用⑶處理得到的二維應力統計結果繪制對應測點的二維應力譜，如圖3所示。

⑹利用⑶處理得到的二維應力統計譜對測點進行疲勞壽命評估。

根據軟件計算結果，得出以下結論：

⑴在構架主結構上、齒輪箱吊桿部位、齒輪箱箱體及其鑄造的支座體上最大主應力均未超過運行條件下相應材料的許用應力標準，且有足夠的安全裕量。

⑵從GOODMAN圖的評判結果來看，所有測點的疲勞強度均滿足要求，所有測點的疲勞壽命均為無限壽命。

⑶在轉向架的所有測點中，應力較大的地方集中在齒輪箱支座上部圓弧過渡處和側梁中間上蓋板外圓弧過渡處。

6 結論

⑴開發了一套交互性好、可移植性強的線路動應力實驗數據處理軟件，闡述了軟件總體結構和數據處理流程，為類似軟件的開發提供一定的借鑒。

⑵解決了海量數據的雨流計數等關鍵問題，提高了線路試驗數據處理的效率。為及時掌握運營車輛的疲勞安全狀況提供快速的計算工具。

⑶通過在多條線路試驗中應用，證明軟件的計算結果較為可靠，使用方便。

[參考文獻]

[1]喻平志，孫守光.轉向架構架動應力解耦分析[J].北京交通大學學報，2000，24（4）：24-28.

[2]劉志如，王春耀.基于VC++的懸掛架動應力測試數據的處理研究[J].農機化研究，2008.

[3]計欣華，鄧宗白，魯陽.工程實驗力學[M].北京：機械工業出版社，2005.

[4]唐兆.機車車輛疲勞強度仿真分析平臺研究[D].西南交通大學.2006.