本文通過對機械結(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)，以機車構(gòu)架為載體進行結(jié)構(gòu)的疲勞分析，并對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)改進。通過分析，縮短了設(shè)計周期，減少了實驗的次數(shù)及成本，提高了設(shè)計產(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)部的損傷累積過程，其發(fā)生破壞的最大應(yīng)力水平低于極限靜強度，且往往低于材料的屈服極限。因此，對于承受著交變載荷或?qū)ΨQ疲勞載荷的多數(shù)機械結(jié)構(gòu)而言，機械靜強度設(shè)計并不能真實反映他們的實際載荷情況。以鐵路機車的關(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，疲勞破壞的直接經(jīng)濟損失就達數(shù)千萬元以上。許多機械和零部件承受隨機載荷、波動載荷或交變載荷，使機構(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，引起機械零部件的斷裂失效，造成巨大的經(jīng)濟損失。由此可見，結(jié)構(gòu)的疲勞分析是目前一項急待解決的重要課題。

一、疲勞分析概論

　　金屬的單一機械特性與金屬的疲勞特性不同，金屬的單一機械特性通常用金屬試樣軸向拉伸試驗中得到的強度極限σ b和延伸率δ來表征。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曲線來表征。這兩者雖然在名義上很相似，但實質(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：工程特性和真實特性。工程特性是指用試樣的原始橫截面積和長度計算的那些特性。真實的“應(yīng)力—應(yīng)變”特性是根據(jù)軸向加載過程中試樣瞬時面積和瞬時長度計算的那些特性。

　　確定“應(yīng)力—應(yīng)變”曲線上的一些特定點，這些點是彈性模量(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，也就是常說的控制應(yīng)力疲勞試驗；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。兩種疲勞試驗表征疲勞特性的參數(shù)也有所不同。

　　通過控制應(yīng)力的疲勞試驗，可以得到S-N曲線。疲勞強度系數(shù)σ’f和疲勞強度指數(shù)b是表征疲勞特性的兩個參數(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，疲勞強度系數(shù)是指一次循環(huán)中引起破壞所需的真實應(yīng)力。在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力疲勞與應(yīng)變疲勞實質(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。

　　有了材料在對稱循環(huán)下的S-N曲線后，可以通過平均應(yīng)力修正的方法來考慮平均應(yīng)力對疲勞壽命的影響，如圖2所示。對同一材料的試樣在不同平均應(yīng)力和應(yīng)力幅r時進行疲勞試驗，找出試樣能夠達到無限壽命時的Sa,-S m組合，在圖2中標出。試驗結(jié)果表明，大部分點落在圖2中直線和雙曲線之間。

三、結(jié)論

　　隨著計算機技術(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)計周期，由于它對產(chǎn)品的疲勞及壽命的分析計算水平也有了成熟的理論及方法，因而對產(chǎn)品的安全使用及運營提供了更好的保障。