样本信息聚集原理改进及其在铁路车辆结构疲劳评定中的应用

疲劳S-N曲线是高速动车组结构设计中最重要的基础数据。降低样本数据的离散性和提高寿命预测的准确性一直是铁路车辆结构长寿命安全可靠服役的热点研究课题,经典的样本信息聚集原理(Sample polymerization principle,SPP)能够确保小样本疲劳数据统计处理的准确性,但在寿命估算的可靠性上还有改进空间。通过参数搜索的优化建立应力与标准差之间的关系,实现不同应力水平下标准差的最优取值,从而提出一种新的基于SPP的概率疲劳S-N曲线拟合方法。研究结果表明,与成组法相比,基于(X-x-x-x)型数据的疲劳P-S-N曲线的斜率和截距的相对误差小于3%,估算寿命仅为成组法5%;在处理(x-x-x-x)型数据时,估算寿命约为传统方法的0.1%。在应用于高速列车焊接结构时,改进方法充分考虑了因焊接缺陷引入的离散性,预测的疲劳寿命更加可靠与合理。由此可见,改进的SPP以及标准差参数寻优技术不仅可以确保小样本数据的拟合精度,而且能够获得更加可靠的疲劳P-S-N曲线,工程应用中得到更保守的预测结果。     

基于自助法的小样本疲劳寿命试验D32钢P-S-N曲线确定

材料疲劳寿命试验确定其疲劳曲线常常是一种小样本情况,而确定材料P-S-N曲线需要大样本估计疲劳寿命概率特征值。为了解决这样问题,将增广样本统计方法—自助法应用于小样本疲劳寿命试验P-S-N曲线确定,并理清了其计算过程,解决了小样本情况下其概率特征值的不稳定性问题。基于D32钢的疲劳寿命试验数据,将方法应用于D32钢P-S-N曲线的确定,得到了D32钢P-S-N曲线,并与各级应力水平疲劳寿命样本集成总体法计算的结果比较,得到了一些有用的结论。     

基于样本集聚原理的疲劳可靠性评估方法及其在零部件上的应用

针对随机载荷下的疲劳可靠性,为能实现用小样本量的或大分散性的寿命数据获得较精确的寿命评估结果,基于样本集聚原理,改进应力-寿命关系曲线的获得方法,介绍逐渐缩小区间搜索方法和考虑材料分散性和随机载荷下的疲劳可靠性模型。逐渐缩小区间搜索方法的核心思想是区间逼近,每次搜索循环后均会缩减最优值的范围,至满足设定容差的结果停止搜索,并拟合应力-寿命关系曲线。基于此关系曲线,由确定应力到随机应力,再到服役工况种类的随机性,逐步建立疲劳可靠性模型。应用提出方法评估一服役后铝合金构件的疲劳寿命。结果表明,逐渐缩小区间搜索方法可在短时间内获得高精度的P-S-N曲线,提出的疲劳可靠性模型贴近工程,传统疲劳可靠性模型的结果偏于保守。     

两阶段疲劳损伤等效方法与概率疲劳失效判据

针对长寿命、高可靠零部件的概率疲劳寿命预测,应用三参数威布尔分布描述疲劳寿命概率分布,研究不同水平的应力循环数之间的损伤等效关系,提出两阶段应力循环等效方法,建立疲劳损伤等效/失效概率等效循环数模型。对于小于寿命分布位置参数的应力循环数,根据应力与寿命分布位置参数之间的关系转换不同应力水平下的损伤等效循环数;对于大于寿命分布位置参数的循环数,根据疲劳失效概率等效转换不同循环应力水平下的等效循环次数。应用这样的方法及模型进行变幅应力历程下的疲劳失效概率计算或概率疲劳寿命预测,能够很好地处理寿命随机变量的最小可能值远大于零的工程实际问题,同时也保证了在转换不同水平应力循环数过程中的失效概率等效。     

齿轮疲劳特性小样本试验统计分析方法

利用STRONl603型电磁谐振疲劳试验机,采用双齿脉动加载法,对38Si Mn Mo调质齿轮试件进行了弯曲疲劳试验,在短寿命区采用4级恒定应力水平成组试验法,在长寿命区采用应力升降法,获得了齿轮弯曲疲劳寿命。对试验数据采用Monte-Carlo模拟法估计分位秩,再利用回归法得到了不同应力水平下的三参数威布尔分布参数及应力-寿命曲线,这套方法将为齿轮的弯曲疲劳试验数据的整理提供真实可靠的基础。     

基于雨流计数法的疲劳寿命预测

对研发的甘蔗剥叶机机架进行了动态应力测试和疲劳寿命预测。通过结构分析得到甘蔗剥叶机机架危险点的位置,对甘蔗剥叶机架危险点进行动态应力测试,运用雨流计数法对数据结果进行循环计数统计。考虑平均应力的影响,运用Gerber曲线对统计得到的全循环进行等寿命转化。修正材料的S-N曲线得到构件的P-S-N曲线,根据P-S-N曲线和Miner法则进行疲劳寿命预测。结果显示,在99%的存活率下,甘蔗剥叶机机架连接处的疲劳寿命约为3.8年。这一数据为甘蔗剥叶机的维修和改进提供了参考。     

估计疲劳寿命三参数P-S-N曲线的新方法

由于不同应力水平下对数疲劳寿命的方差不等,因而不同应力水平下的对数疲劳数据不满足最小二乘估计的Gauss-Markov假设条件,此时采用常规最小二乘法估计的三参数P-S-N曲线不是统计意义下的最佳线性无偏估计,而加权最小二乘法则可以给出异方差条件下的最佳线性无偏估计.为此基于加权最小二乘和Bootstrap方法提出一种疲劳寿命三参数P-S-N曲线估计方法,在所提方法中,Bootstrap方法被用来确定不同应力水平下疲劳试验寿命数据的协方差矩阵对角线元素,避免迭代确定加权最小二乘法中的权矩阵.对三种材料的四组疲劳试验寿命数据进行分析的结果表明,所提方法具有工程实用性,传统最小二乘法由于忽略了Gauss-Markov假设条件可能得到偏危险的结果,而由于所提方法得到的是最佳线性无偏估计,因而在子样容量增大时将趋于估计的真值,并且参数估计的方差将是最小的.     

风电装备传动系统及零部件疲劳可靠性评估方法

载荷是导致失效直接原因,是影响产品可靠性的重要因素,风电装备在服役过程中经历的载荷-时间历程及其不确定性有明显的特点。由于服役方式的特殊性,一个风力发电厂中安装在不同位置的发电装备的服役载荷历程会有明显的差别。从风力发电机服役地域位置和时间两个方面描述风力发电机载荷历程的概率特性,并以此为基础,基于全概率计算原理研究风力发电机传动系统及其零部件疲劳可靠性分析与建模方法。内容包括复杂载荷历程不确定性表征方法、随机变幅载荷历程下疲劳累积损伤与等效循环应力计算方法、根据应力分布和条件寿命分布计算疲劳可靠度的方法,以及根据多级小样本疲劳寿命试验确定不同循环应力水平下疲劳寿命分布参数的方法。     

大型结构部件多损伤点疲劳试验载荷等效方法研究

大型结构部件通常包含多个可能发生疲劳失效的高应力点,是典型的多点损伤结构.由于材料及结构性能具有分散性,大型结构件相当于一个串联系统,其疲劳寿命(随机变量)是由各高应力部位的寿命(随机变量)共同决定的.由于试验设施限制及加速试验的要求,试验状态下的结构部件往往无法做到与真实服役部件的加载方式及全局应力分布完全一致.在设计大型结构件疲劳试验方案时,需要全面考虑应力较高的多个部位,以保证疲劳试验结果能够客观、真实地再现服役状态下的疲劳寿命.研究基于“大型结构部件寿命概率分布-高应力点数量及寿命概率分布关系”的大型结构部件疲劳试验载荷等效变换方法,研究平均应力修正方法在疲劳试验方案设计中的应用及相关问题,阐释了将大型结构件服役中承受的对称循环载荷转换为试验时易于加载的脉动循环载荷的寿命等效原理、方法及具体计算公式.这些结果表明:通过这样的载荷转换,可以实现寿命概率分布基本等效的同时,显著提高电液伺服系统的试验加载频率(从2 Hz提高到4 Hz),缩短试验时间.     

A35CrNiMo感应淬火齿轮弯曲疲劳强度试验

为解决某大型升船机用大模数齿条新材料-A35CrNiMo感应淬火弯曲疲劳特性基础数据缺乏,准确预测和评估该大型装备的寿命和可靠性问题,采用成组与爬山试验相结合的方法,对该种材料齿轮弯曲疲劳特性开展了试验研究,采用LABVIEW软件对试验数据进行处理,得到了齿轮的疲劳极限应力、弯曲疲劳寿命分布和不同可靠度下的P-S-N曲线,为该材料齿轮齿条可靠性、安全性设计提供了基础数据。     

基于两参数Weibull分布的概率疲劳S-N曲线模型

发展了基于两参数Weibull分布的概率疲劳S-N曲线模型及构建方法,用于描述随机滚动接触疲劳应力幅-寿命关系。除考虑数据分散性的统计分布规律外,模型还考虑样本数量相关的寿命置信度预测效应, 引入最小正态寿命的置信下限评价。Weibull分布的尺度参数和形状参数,寿命置信度评估参数,以及概率S-N曲线的指数,全部由试验数据来确定。G20CrNi2Mo轴承钢的滚动接触疲劳试验数据的分析证实所提出方法的可应用性。并且证实该滚动接触疲劳寿命的分布规律,宜采用包括Weibull分布在内的有偏统计模型来描述。     

基于分层贝叶斯模型的齿轮弯曲疲劳试验分析

常规齿轮弯曲疲劳试验数据处理方法是基于最小二乘法（LSE）等传统频率理论的,在小样本条件下可靠度应力寿命（P-S-N）曲线易发生拟合失真。基于成组法开展了8620H钢表面渗碳齿轮的弯曲疲劳试验,将贝叶斯理论应用于小样本条件下弯曲疲劳试验数据分析,建立了齿轮弯曲疲劳试验数据的分层贝叶斯（HBM）模型,并通过Gibbs采样获得了参数的后验分布,得到齿轮弯曲疲劳P-S-N曲线。同时以50%和99%可靠度下S-N曲线相对斜率比为评价指标,对比了LSE模型与HBM模型拟合效果,结果表明：随着试验样本数据量的变化,HBM模型的相对斜率比α波动变化率为传统LSE模型的1/40,小样本条件下HBM模型结果优于传统的LSE模型结果。HBM模型可推广应用至齿轮接触疲劳试验等数据分析中。     

多轴变幅载荷下基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法

提出一种多轴变幅载荷下基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法。首先,通过循环计数方法确定多轴变幅载荷历程的计数循环(反复);其次,通过材料的循环应力应变关系和Neuber法推导出虚拟等效应变与真实等效应力之间的关系,并且分别将拉伸型和剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数替换虚拟等效应变幅来求解临界面上的真实等效应力幅;然后,通过真实等效应力幅和Neuber法则计算临界面上真实的拉压和剪切等效应变幅,并运用Manson-Coffin方程分别计算缺口部件的拉压和剪切疲劳寿命;最后,选择拉压和剪切疲劳损伤值中的较大值作为每个计数反复的疲劳损伤,并采用Miner法则进行疲劳损伤累积。缺口件多轴疲劳试验结果表明,采用基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法具有较高的预测准确度。     

确定有限疲劳可靠性数据良好假设分布的一种统一方法

拓展疲劳寿命数据分析方法到循环应力幅数据和短裂纹扩展率数据分析,综合考虑总体拟合效果,与疲劳失效机制的一致性和设计结果的安全性3要素,提出从7种常用统计分布中确定有限疲劳可靠性数据良好假设分布的统一方法。给出了7种常用统计分布参量估计与统计推断技术以及评价3要素的技术。16Mn钢,Q235钢和1Cr18Ni9Ti钢焊接头疲劳寿命数据及循环应力幅数据和短裂纹扩展率数据的分析结果表明,在有限数据条件下,极大值分布和对数正态分布是疲劳寿命的良好假设分布,极小值分布和正态分布是裂纹扩展率和循环应力幅的良好假设分布。     

面心立方晶体单晶材料多轴低周疲劳寿命的估算方法

用立方晶体单晶材料的等效应变和等效应力作为参量,考虑正交各向异性材料偏轴受载时存在正应力和切应力的耦合效应,引入k参量描述非对称循环载荷对疲劳寿命的影响,建立工程上实用的幂函数形式的面心立方晶体单晶材料多轴低周疲劳寿命预测模型.将立方晶体单晶材料屈服准则及其弹塑性本构模型集成到ANSYS软件中,对DD3单晶合金在680℃温度下的低周疲劳缺口试样进行非对称载荷循环应力应变分析.对不同的模型参量进行多元回归相关分析,发现用立方晶体单晶材料等效应变和等效应力作为模型参量拟合的回归曲线的相关系数最大,κ参量与循环次数之间呈幂函数关系.利用CMSX-2镍基单晶合金薄壁圆筒试样的拉一扭循环载荷低周疲劳试验数据和DD3镍基单晶合金缺口试样的低周疲劳试验数据对模型进行验证,试验所得数据分别落在2.5倍和2.0倍偏差分布带内.     

塔式起重机疲劳寿命分析

在施工过程中出现塔式起重器折臂、倒塌等事故给塔机自身及周边人员的安全以及施工单位都造成了始料不及的重大损失。所以,对塔式起重机发生疲劳状态的原因进行分析是非常有必要的。本文从P-S-N曲线入手进行分析,通过将等效对称循环应力所对应的寿命进行分析,获知等效对称循环应力的塔机损伤率和疲劳寿命。     

ZL108铸造铝合金拉压疲劳寿命曲线模型的建立与应用

通过对ZL108铸造铝合金进行拉压疲劳试验,得到了不同应力幅下的疲劳寿命,依据三参数幂函数,得到了ZL108铸造铝合金的存活率-应力幅-寿命(P-S-N)曲线,利用疲劳试验中的疲劳寿命统计数据建立了结构疲劳失效极限状态函数,进行了疲劳可靠性分析并进行了试验验证。结果表明:ZL108铸造铝合金的疲劳寿命随应力幅的增大而减小,且在每一应力水平下,疲劳寿命具有较大的分散性;ZL108铸造铝合金的对数疲劳寿命服从正态分布;通过建立的结构疲劳失效极限状态函数计算得到的可靠度与试验结果比较吻合,最大相对误差为5.71%。     

核级管道不锈钢316LN的低周疲劳特性研究

在室温下,对核级管道不锈钢材料316LN试样进行了不同应变幅的低周疲劳试验研究,得到了316LN试样的循环应力-应变响应特征及低周疲劳寿命曲线。基于疲劳过程中、不同应变幅水平下,循环应力-应变迟滞回线的试验结果,分析了应力峰值、谷值和循环弹性模量随疲劳循环数的变化规律,研究了316LN试样的疲劳特性和疲劳寿命曲线特征,并与ASME疲劳设计曲线进行了对比。试验结果表明,试样初始循环表现出循环硬化,随后表现出循环软化直至失效;初始前10%疲劳寿命期内循环弹性模量缓慢下降,然后几乎保持不变,在达到80%～90%寿命后开始下降; Basquin和Manson-Coffin公式可以很好地描述0. 2%～0. 7%应变幅范围内的应变-疲劳寿命曲线。     

螺旋埋弧焊接X70钢管焊缝金属P-S-N曲线的建立

通过对螺旋埋弧焊接X70钢管焊缝金属进行疲劳试验,得到了不同应力幅和应力比下的疲劳寿命数据,对疲劳寿命的概率分布进行了分析;依据当量疲劳寿命公式,获得疲劳抗力系数和当量疲劳极限,并对其概率分布进行分析,进而建立了焊缝金属的P-S-N曲线,给出了指定存活率下的疲劳寿命曲线。结果表明:焊缝金属的疲劳寿命服从对数正态分布,疲劳抗力系数服从对数正态分布,以当量应力表示的疲劳极限服从正态分布。     

一种考虑材料损伤的低循环疲劳寿命预测方法

为了更加精确地预测材料的低循环疲劳寿命,对三参数幂函数公式和拉伸滞后能寿命模型进行研究,提出了基于三参数幂函数的损伤能寿命预测模型。分别利用该模型和Manson-Coffin公式对高温合金、钛合金及结构钢等多种材料的低周疲劳试验数据进行拟合并将其分析结果进行对比;根据GH4133合金250℃时的低循环疲劳试验数据,建立了该条件下材料的循环应力-应变曲线和损伤能寿命预测模型,同时对曲线及模型进行验证。结果表明:建立的循环应力-应变曲线能够正确反映该条件下材料的应力与应变之间的关系;所提出的损伤能寿命预测模型对12种材料的低周疲劳试验数据的拟合效果较好,寿命预测精度明显高于Manson-Coffin公式。